KR100641891B1 - 동 부착 공정 - Google Patents

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Abstract

반도체 표면과 같은 공작물의 노출 표면에 동을 제어 가능하게 부착시키기 위한 방법 및 시스템이다. 동의 시드 두께가 노출 표면에 선택적으로 부착되는데, 바람직하기로는 이와 같은 부착을 향상시키기 위하여 산소 유리 액체 암모니아를 사용한다. 이어서 공작물 노출 표면이 동과 적절한 압력 및 온도 에 있는 액체 암모니아를 포함하는 전기 도금 용액에 침지되어서, 그 노출 표면에 동이 조절 가능한 속도로 도금된다. 노출 표면에 부착된 동이 선택된 총 두께에 이르게 되면, 전기 도금이 중지되고, 전기 도금 용액이 제거되고, 기상 및 액상의 암모니아가 재사용을 위해 회수되어 재생된다.
전기 도금, 무전해 도금, 알루미늄, 동, 반도체 회로, 기판, 암모니아

Description

동 부착 공정{COPPER DEPOSIT PROCESS}
본 발명은 반도체 기판과 같은 선택 표면 상에 동 금속을 생성 및 부착시키는 것에 관한 것이다.
반도체 회로의 알루미늄 표면 및 접촉부를 동 표면 및 접촉부로 교체하는 것은 여러 가지 이유로 해서 유리하다. 동은 거의 은만큼이나 높은 상대 전기 전도 계수(100 대 106)를 가지는데, 이는 금의 상대 전도 계수(65), 알루미늄의 상대 전도 계수(59) 및 기타 다른 금속의 상대 전도 계수보다는 아주 크다. 동의 열 전도 계수 또한 이에 상응하는 알루미늄의 열 전도 계수보다 아주 높다. 동은 알루미늄보다 높은 용융 온도(1083℃ 대 660℃)를 갖는다. 동은 산소에 노출되었을 때는 산화 표면을 형성하지만, 그와 유사한 조건 하에서 알루미늄이 형성하는 바람직하지 않은 다소간의 표면 오염물은 형성하지 않는다. 전기 전도도가 보다 높은 금속을 사용하게 되면 구동 전압을 1.8볼트 정도로 낮게, 가능하면 이보다 더 낮게 해서 사용할 수 있게 하는데, 이는 결국 칩이나 기타 다른 반도체 장치로부터 발산되는 열이 그렇게 많이 발생되지 않게 한다. 또한 전기 전도도와 열 전도도가 보다 높은 금속을 사용하게 되면 이들 장치와 함께 사용하는 리드 프레임 재료의 선택 범위도 더 넓어진다.
그러나 반도체 표면이나 전기 접촉부 상에서의 선택된 소두께의 동 금속의 생성 및 제어 가능한 부착은 문제가 있는데, 부분적이나마 그 이유는 동 공정이 그와 상응하는 알루미늄 공정처럼 아직은 전적으로 개발되지 않았기 때문이다. Cu는, E0가 1볼트 정도인 Ag, Au 및 Pt와 그리고 E0가 -1.7볼트인 Al과 비교할 때, T = 25℃(E0=0.32 ~ 0.34볼트)에서 적절한 전극이나 혹은 감소된 포텐셜을 갖는다. Cu는 Al과 마찬가지로 여러 가지 산화 상태를 갖는다.
정상 대기압에서부터 수 백 psig까지의 범위에 있는 압력을 이용하고 또한 약 -78℃ 내지 100℃ 범위에 있는 온도를 이용하여서, 공작물의 반도체 재료와 같은 노출된 표면 상에 동 금속을 선택된 두께로 생성시키고 제어 가능한 부착을 하기 위한 해결책이 필요하다. 바람직하기로는, 상기 해결책은 동의 부착률과 부착된 동의 총 두께를 외기 온도, 부착 시간 간격, 및 사용된 전기 부착 (electrodeposition) 전압과 같은 매개 변수를 통해서 제어할 수 있어야 한다.
이와 같은 요구는, 암모니아를 액체 형태로 유지하기에 충분한 압력으로 유지된 액체 암모니아(NH3) 및 동 할로겐화물(CuCla, CuBrb, CuIc: 여기서 a, b, c는 1 ~ 2임)이나 동 아민(NCuR1R2)의 혼합물을 포함하는 액체를 사용하여서 노출된 표면 상에 동 금속으로 선택된 두께로 생성시켜 제어 가능하게 부착시키는 방법 및 시스템을 제공하는 본 발명에 의해 충족된다. 일례로, T = -33℃ 및 T = 20℃의 온도 에서 암모니아를 액체 형태로 유지하는 데 소요되는 압력은 각각 0Kg/㎠g 및 8.08Kg/㎠g(0psig 및 115psig)이다. 하나 이상의 노출된 웨이퍼나 공작물 상에 시드(seed) 두께의 동이 우선적으로 부착된다. 이어서 동염/액체 암모니아로부터의 동의 무전해 부착 및/또는 전기 도금이 실행되어서 동이 시드(seed)화 된 공작물 표면 상에 소정의 총 두께의 동이 부착된다. 암모니아 유체(액체 및/또는 기체)는 회수되어서 선택적으로는 재사용을 위해 재생된다.
도 1, 도 2, 도 3은 본 발명의 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 암모니아를 액체 형태로 유지하는 데 소요되는 대략의 압력을 외기 온도의 함수로서 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 적절한 장치의 개략도이다.
도 1의 흐름도에 도시된 제1의 선택적 공정에 있어서, 공정은 공정 챔버 내에서 동 표면을 위에 부착시킬 반도체와 같은 공작물을 위치시킴으로써 단계 11에서 개시된다. 단계 13에서, 챔버를 (바람직하기로는 약 10-4torr의 진공도까지) 진공시켜서 적절한 압력 및 온도에서 액체 NH3로 충전한다. 단계 15에서, 액체 암모니아를 배출시켜서 바람직하게도 유리 산소를 제공하지 않는 N3나 기타 다른 불활성 기체로 챔버를 정화한다. 단계 17에서, 챔버에 Cu(예, CuCla, CuBrb, CuIc: 여기서 a, b, c는 1 ~ 2임; 또는 NCuR1R2)를 함유하는 선택된 무전해 전해액을 가지고 부분적 혹은 전체적으로 충전시키고, 단계 19에서는 Cu 이온과 결합하여서 Cu 금속 입자를 형성하는 자유 전자가 형성되도록 환원제를 첨가한다. 단계 21에서, Cu 금속 입자가 용액으로부터 빠져 나와서 단계 23에서 공작물의 노출 표면에 부착되거나 도금되도록 하고 바람직하기로는 결합되게 한다. 단계 21 및/또는 단계 23은 -78℃ ≤T1 ≤90℃ 범위에서 선택된 온도 T1에서 실행된다. 공작물 표면은, 도금된 동의 두께의 균일성을 향상시키기 위해서 소망에 따라서 선택적으로, 챔버 내의 공작물의 노출 표면을 가로지르는 축을 중심으로 회전시킬 수도 있다. 공작물의 노출 표면에 두께 Δ= 0.1 ~ 2(혹은 필요에 따라 그 이상)인 Cu 금속의 표면이 생성되도록 하기 위하여 Cu 금속은 무전해 부착을 겪도록 한다.
단계 25에서, 전해액과 환원제가 챔버로부터 배출되고, 챔버는 그 안에 남아 있을 수 있는 잔류 동 함유 전해액 및/또는 유기 물질 및/또는 증기의 대부분이나 혹은 모두가 제거될 수 있도록 하기 위해 액체 암모니아로 세척된다. 단계 27에서, 액체 암모니아가 챔버로부터 배출되고, 챔버는 선택된 불활성 기체로 정화된다. 단계 29(선택적 단계임)에서, 챔버에 바람직하기로는 유리 산소 가스를 취입시켜서 건조시킨다. 이 선택적 공정에서, 무전해 부착은 공작물에 실질적으로 Cu 금속 모두를 부착시키는 데 이용된다.
도 2에 도시된 제2 공정에 있어서, 단계 11, 13, 15, 17, 19, 및 21은 도 1에서와 같이 수행된다. 단계 23에서, 무전해 동 부착은 선택된 동 두께 Δh = 0.01 ~ 0.1㎛가 공작물 표면 상에서 동 시드(seed) 또는 기판으로서 얻어진 후에 종료된다. Cu 금속의 시드 표면을 제공하는 것이 바람직한 이유는 적어도 다음과 같은 두 가지 이유 때문이다. 즉, 그 이유는 (1) 시드 표면의 체적 전기 전도도는 전기 도금이 가해지는 지점까지 증가되고, 소망에 따라서는 표면의 Cu 두께를 더 증가시키고, (2) Cu의 시드 표면은 Cu 입자가 후속해서 결합되는 보다 적절한 표면을 제공하기 때문이다. 단계 25, 27, 및 29는 제1의 선택적 공정에서와 마찬가지로 수행된다.
제2의 선택적 공정에서의 단계 31에서, 챔버 내의 공작물은 -78℃ ≤T2 ≤90℃ 범위에서 선택된 온도 T2로 유지된 액체 암모니아 내에 용해된 전기 도금 동 용액 내에 침지시키거나 혹은 그와 접촉시킨다. 단계 33에서, 전기 도금 용액 내의 동은, 공작물(음극)과 전기 도금 용액 내에 침지된 전기 전도판(양극)에 연결된 전기 접촉부를 이용함으로써, 동이 시드화된 공작물의 하나 이상의 노출 표면 상에 도금된다. 이 도금 단계에서 사용된 전기 도금 전압은, 동에 대해서 약 0.32볼트가 바람직하거나, 혹은 그보다 큰 값이 바람직하다. 공작물 표면에 도금된 동의 총 두께는 양극-음극 전압의 변동과 도금 단계가 계속되는 시간 간격의 변동에 의해 제어 가능하다. 공작물 표면에 도금된 동의 적절한 두께 Δh = 1 ~ 2㎛이지만 소망에 따라 그보다 높거나 낮을 수 있다. 동 부착이 발생하는 속도 r은 도금 전압 V와 도금 온도 T3에 따라 달라질 것이다. 도금 전압 V(plate)의 적절한 범위는 0.3볼트 ≤V(plate) ≤1볼트이지만 향상된 부착 속도가 요구되는 경우에는 그보다 높을 수도 있다. 전기 도금의 시간 간격 길이 Δt는 0.3초 ≤ Δt ≤300초의 범위 이내로 할 수 있다.
단계 35에서 잔류 전기 도금 용액이 챔버로부터 배출되고, 단계 37에서 공작물과 챔버가 액체 암모니아로 세척된다. 단계 39에서는 암모니아 액체 및 기체를 회수하기 위해 액체 암모니아와 임의의 잔류 증기를 제2 챔버로부터 배출시키거나 아니면 제거시켜서 포집한다. 본 공정은 무전해 부착에 의해 부착된 Cu의 시드(seed) 표면 상으로의 Cu 금속의 전기 도금을 제공한다.
도 3에 예시된 제3의 선택적 공정에 있어서, 단계 11, 13, 15, 31, 33, 35, 37, 및 39는 제1 또는 제2의 선택적 공정과 마찬가지로 실행된다. 여기서의 제3의 선택적 공정에 있어서는, 공작물 표면에 실질적으로 모든 Cu 금속을 부착시키기 위해 전기 도금 공정이 사용된다. 공작물 표면이 플라스틱이나 혹은 유사한 폴리머인 경우, 노출 표면에서의 그래파이트(graphite)의 초기 부착은 전기 도금만의 공정에서 Cu 판을 향상시킨다.
도 4는 암모니아를 액체 형태로 유지하는 데 소요되는 대략의 최소 압력 p(min)에 대한 그래프도이다. 암모니아를 액체 상태로 유지하는 데 소요되는 챔버 압력 p는 온도 T에 따라 변동하고 그에 따라 증가할 것이다. 온도 T1의 범위에서 압력 p는 약 0Kg/㎠g으로부터 24.6Kg/㎠g까지(0psig로부터 약 350psig까지) 변동한다. 66℃ 이하의 용액 온도를 사용함으로써 공정 단계 31, 33, 및 35는 정상의 대기압 또는 그 이하에서 실행된다.
상기 공정은 공정 챔버 내의 완전 폐쇄 시스템에서 이루어지는데, 공정에 사용된 액체 암모니아는 재사용을 위해 실질적으로 완전히 회수된다. 챔버로부터 제 거된 동염 및 유기물은 소망하는 대로 재생되거나 폐기된다. 웨이퍼 또는 기타 공작물은 전체 공정 중에는 챔버 내에 남아 있으므로 여기서는 동 부착 공정이 완료될 때까지 공작물을 이동 또는 이송시킬 필요가 없다. 또한 본 공정은 물이 아닌 액체 암모니아만을 사용하므로, 전기 전도도가 더 작으며 재료 특성이 달라지는 보다 취약한 산화 형태의 동이 형성되게끔 동 금속과 결합하게 되는 산소가 거의 없거나 전혀 없게 된다.
도 5는 본 발명을 실시하기에 적절한 장치(51)를 개략적으로 도시하는 도면이다. 이 장치는 폐쇄 공정 챔버(53), Cu 함유 전해액 공급원(57)(선택적임), 챔버 정화용의 불활성 기체 공급원(59), 액체 암모니아 공급원(63), 선택된 동 전기 도금 용액의 공급원(65)(이는 공급원(57)과 같을 수도, 아니면 같지 않을 수도 있음), 그리고 챔버(61) 내에 위치된 하나 이상의 양극(67)(바람직하기로는, 전기 도금 용액 내에서의 내용해성을 갖는 동, 백금, 또는 기타 금속)을 포함한다. 장치(51)는 또한 암모니아 유체, 금속염, 및 유기물을 챔버(61)로부터 받아서 암모니아(그리고, 선택적으로는 금속 전해액 및 유기물)를 재생하는 암모니아 유체 회수 및 재생 시스템(69)도 포함한다.
본 발명의 부착 공정은, 주기율표에서 유사 위치에 있는, Cu(25℃에서 E0 = 0.32볼트), Ag(E0 = 0.8볼트), Au, Ni, Pd, Pt, Fe(E0 = - 0.44볼트), Co, Zn(E0 = -0.76볼트), 및 Cd(E0
Figure 112002004358444-pct00001
0.9볼트)를 포함하는 기타 다른 금속의 부착에도 적용할 수 있는데, 상기 금속은 모두가 (액체) 암모니아의 존재 하에서 유사한 반응을 보인 다. 전기 도금 용액의 선택과 양극의 선택도 또한 공작물의 노출 표면에 부착을 위해 선택된 금속에 따라 달라진다.

Claims (17)

  1. 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법에 있어서,
    액체 암모니아를 포함하는 산소 유리 용액 내에서 선택된 공작물의 노출 표면을 세척하여 상기 산소 유리 용액을 배출하고,
    무전해 부착을 이용하여, Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, Fe, Co, Zn, 및 Cd로 이루어진 금속 군으로부터 선택된 금속의 0.1㎛ 이하의 제1 선택 두께인 시드 두께를 선택된 공작물의 노출 표면에 마련하고,
    공작물 노출 표면을 선택된 금속과 액체 암모니아를 포함하는 전기 도금 용액에 접촉시키고,
    전기 도금 용액 내의 선택된 금속이 공작물의 노출 표면에 선택된 속도로 부착되게 하고,
    공작물의 노출 표면에 선택 금속이 제2 선택 두께로 부착되면 잔류 전기 도금 용액을 제거하고 공작물 노출 표면을 암모니아로 세척하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, Cu를 선택 금속으로서 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 0Kg/㎠g ≤p ≤24.6Kg/㎠g(0psig ≤p ≤350psig)의 범위에 서 선택된 압력 p와 -78℃ ≤ T ≤90℃ 범위에서 선택된 온도에서 무전해 부착 공정과 전기 도금 부착 공정 중에서 어느 한 공정을 수행하고, 상기 전기 도금 용액 내에 전기 도전성 판을 마련하고, 상기 공작물 노출 표면과 전기 도전성 판 사이에 적어도 0.3볼트의 선택 전압차 ΔV를 15초 ≤Δt ≤300초 범위에서 선택된 시간 간격 동안 제공하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공작물의 노출 표면에 상기 금속을 무전해 부착시키는 공정이, 적어도 하나의 선택된 동염 또는 동 아민을 함유하는 유체에 공작물 노출 표면을 접촉시키는 단계와, 동염 또는 동 아민 내의 동의 일부가 상기 공작물 노출 표면에 부착되게 하는 단계와, 동이 부착된 공작물의 노출 표면을 액체 암모니아에 접촉시키고 이 액체 암모니아는 동염 및 현재 남아 있는 선택된 유기물 중에서 적어도 하나와 상호 작용하게 하는 단계와, 액체 암모니아와 상호 작용한 동염 및 선택된 유기물 중 적어도 하나와 액체 암모니아를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 무전해 부착 공정 및 전기 도금 공정 중에서 적어도 하나의 공정의 적어도 일부 동안에 공작물 표면을 가로지르는 축을 중심으로 하여 공작물을 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 공작물이 반도체 재료를 포함하도록 공작물을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  7. 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법에 있어서,
    액체 암모니아를 포함하는 산소 유리 용액 내에서 선택된 공작물의 노출 표면을 세척하여 상기 산소 유리 용액을 배출하고,
    무전해 부착을 이용하여, Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, Fe, Co, Zn, 및 Cd로 이루어진 금속 군으로부터 선택된 금속의 0.1 내지 2㎛의 제1 선택 두께인 선택 금속의 두께를 선택된 공작물의 노출 표면에 마련하고,
    공작물 노출 표면을 액체 암모니아로 세척하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, Cu를 선택 금속으로서 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 0Kg/㎠g ≤p ≤24.6Kg/㎠g(0psig ≤p ≤350psig)의 범위에서 선택된 압력 p와 -78℃ ≤ T ≤90℃ 범위에서 선택된 온도에서 무전해 부착 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제 어 가능하게 부착하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 공작물의 노출 표면에 상기 금속을 무전해 부착시키는 공정이, 적어도 하나의 선택된 동염 또는 동 아민을 함유하는 유체에 공작물 노출 표면을 접촉시키는 단계와, 동염 또는 동 아민 내의 동의 일부가 상기 공작물 노출 표면에 부착되게 하는 단계와, 동이 부착된 공작물의 노출 표면을 액체 암모니아에 접촉시키고 이 액체 암모니아는 동염 및 현재 남아 있는 선택된 유기물 중에서 적어도 하나와 상호 작용하게 하는 단계와, 액체 암모니아와 상호 작용한 동염 및 선택된 유기물 중 적어도 하나와 액체 암모니아를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 무전해 부착 공정의 적어도 일부 동안에 공작물 표면을 가로지르는 축을 중심으로 하여 공작물을 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  12. 제7항에 있어서, 공작물이 반도체 재료를 포함하도록 공작물을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  13. 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법에 있어서,
    액체 암모니아를 포함하는 산소 유리 용액 내에서 선택된 공작물의 노출 표면을 세척하여 상기 산소 유리 용액을 배출하고,
    Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, Fe, Co, Zn, 및 Cd로 이루어진 금속 군으로부터 선택된 금속과 액체 암모니아를 포함하는 전기 도금 용액에 공작물의 노출 표면을 접촉시키고,
    전기 도금 용액 내의 선택된 금속이 공작물의 노출 표면에 선택된 속도로 부착되게 하고,
    공작물의 노출 표면에 선택 금속이 선택 두께로 부착되면 잔류 전기 도금 용액을 제거하고 공작물 노출 표면을 암모니아에서 세척하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, Cu를 선택 금속으로서 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 0Kg/㎠g ≤p ≤24.6Kg/㎠g(0psig ≤p ≤350psig)의 범위에서 선택된 압력 p와 -78℃ ≤ T ≤90℃ 범위에서 선택된 온도에서 전기 도금 부착 공정을 수행하고, 상기 전기 도금 용액 내에 전기 도전성 판을 마련하고, 상기 공작물 노출 표면과 전기 도전성 판 사이에 적어도 0.3볼트의 선택 전압차 ΔV를 15초 ≤Δt ≤300초 범위에서 선택된 시간 간격 동안 제공하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 전기 도금 부착 공정의 적어도 일부 동안에 공작물 표면을 가로지르는 축을 중심으로 하여 공작물을 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 공작물이 반도체 재료를 포함하도록 공작물을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 금속을 제어 가능하게 부착하는 방법.
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