KR100822615B1 - 반도체 소자의 금속배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 알루미늄을 이용한 다마신 공정으로 금속 배선을 형성할 때 더미 영역에 비금속 물질을 이용하여 더미 패턴을 형성하여 CMP 공정시 슬러리 및 클리닝 용액에 의해 알루미늄막 표면에 산화막이 형성되는 것을 방지하여 균일한 연마 공정을 실시함으로써 파짐 현상을 억제할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 개시한다.
금속 배선, 알루미늄, 다마신, 파짐
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 CMP 장치의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
200 : 반도체 기판 201 : 제1 트렌치
202 : 제2 트렌치 203 : 금속막
204 : 비금속막 205 : 희생양극막
본 발명은 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 알루미늄을 이용한 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 초고집적, 고기능 및 축소화에 따라 금속배선 재료로 비저항이 낮아서 RC 지연 시간에 대해 유리하고, EM(electromigration) 및 SM(stressmigration)에 대한 저항성이 우수한 물질이 요구되고 있다. 이에 부합할 수 있는 가장 적합한 재료로 널리 사용되고 있는 알루미늄 대신에 구리가 최근에 관심의 대상이 되고 있다.
구리를 금속배선 재료로 이용하는 이유는, 알루미늄의 녹는점이 660 ℃인 반면에 구리의 녹는점은 1080 ℃로서 비교적 높을 뿐만 아니라, 비저항이 1.7 μΩ㎝로서 2.7 μΩ㎝인 알루미늄보다 낮기 때문이다. 이와 같이 구리배선의 우수성으로 인하여 반도체 소자의 금속배선으로 적용하기 위한 노력이 계속되고 있다. 그러나 구리 배선은 건식 식각이 어렵고, 대기 중에서 쉽게 부식되며, 구리 원자가 절연막으로 쉽게 확산되는 등의 문제를 지니고 있어서, 실용화에 상당한 어려움을 지니고 있다. 이를 개선하고 실용화하기 위하여 싱글 다마신 공정(Single damascene process) 또는 듀얼 다마신 공정(Dual Damascene process)을 적용하고 있다.
그러나 구리는 확상 특성이 높기 때문에 반드시 구리 공정과 비구리 공정을 분리하여 진행하여 별도의 구리 전용 배선을 구성하여야 하므로 투자비가 증가하게 된다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(100)을 소정 깊이 식각하여 트렌치(102)를 형성한다.
도 1b를 참조하면, 반도체 기판(100)의 트렌치(102)를 포함한 전체 구조 상에 알루미늄막(104)을 형성한다. 이 후 화학적 기계적 연마 공정(CMP ; Chemical Mechanical Polishing)을 진행한다. 이때, 알루미늄막(104)의 표면부는 산화가 진행되어 알루미늄 산화막(106)이 형성되는데 이를 표현하면 다음과 같다.
Al + 슬러리 + 클리닝 용액 → 알루미늄 산화막
이는 금속 알류미늄은 슬러리 및 클리닝 용액에 의하여 연마 표면에서 알루미늄 산하막(106)으로 변한다. 즉 금속 알루미늄이 연마되는 것이 아니라 도1 c와 같이 알루미늄 산화막(106)이 연마되며, 이때 알루미늄 산화막이 형성되는 표면은 균일하지 않아 연마 공정시 국부적으로 제거되면서 파짐 현상이 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 알루미늄을 이용한 다마신 공정으로 금속 배선을 형성할 때 더미 영역에 비금속 물질을 이용하여 더미 패턴을 형성하여 CMP 공정시 슬러리 및 클리닝 용액에 의해 알루미늄막 표면에 산화막이 형성되는 것을 방지하여 균일한 연마 공정을 실시함으로써 파짐 현상을 억제할 수 있는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법은 반도체 요소가 형성된 반도체 기판 상에 금속 배선을 형성하기 위한 다마신 패턴 및 더미 다마신 패턴을 형성하는 단계와, 상기 다마신 패턴을 금속막으로 채우는 단계와, 상기 더미 다마신 패턴을 비금속막으로 채우는 단계, 및 상기 비금속막으로부터 전자가 상기 금속막으로 공급되도록 화학적 기계적 연마 공정을 실시하는 단계를 포함한다.
상기 금속막은 알루미늄을 사용하여 형성한다. 상기 비금속막은 Zn, K, Ca, Na 중 하나를 이용하여 형성한다.
상기 금속막을 형성한 후 상기 화학적 기계적 연마 공정을 진행하기 이전에 상기 금속막상에 상기 금속막의 산화를 방지하기 위한 희생양극막을 형성한다. 상기 희생양극막은 아연도금막을 사용하여 형성한다.
상기 화학적 기계적 연마 공정은 식각제로 (NH4)2S2O8 + H2O2 를 사용한다. 상기 화학적 기계적 연마 공정 후 클리닝 공정을 진행하여 불순물을 제거한다. 상기 클리닝은 상기 비금속막에 의해 클리닝 액체에 전자를 잃게 되거나 금속막에 전자를 공급하여 상기 금속막이 산화되는 것을 방지한다.
상기 화학적 기계적 연마 공정은 웨이퍼를 연마하는 패드와 상기 웨이퍼를 고정시키는 홀더에 전류를 인가하여 상기 웨이퍼에 전자를 공급하여 상기 금속막이 산화되는 것을 방지한다. 홀더는 전도성 폴리머로 이루어진다. 상기 전류는 -5V 내지 1.0V이다. 상기 전류는 직류 또는 교류이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허청구범위에 의해서 이해되어야 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 소자 영역과 더미 영역으로 정의된 반도체 기판(200)을 식각하여 소자 영역에 제1 트렌치(201), 및 더미 영역에 제2 트렌치(202)를 형성한다.
도 2b를 참조하면, 제1 트렌치(201)를 포함한 소자 영역에 금속막(203)을 형성하고, 제2 트렌치(202)를 포함한 더미 영역에 비금속막(204)을 형성한다. 금속막(203)은 알루미늄을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 금속막(203)을 형성한 후, 금속막(203) 표면의 산화를 방지하기 위하여 희생양극막(205)을 형성하는 것이 바람직하다. 희생양극막(205)은 아연도금막으로 형성하는 것이 바람직하다. 비금속막(204)은 Zn, K, Ca, Na 중 하나를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
도 2c를 참조하면, 화학적 기계적 연마 공정(CMP ; Chemical Mechanical Polishing)을 진행하여 금속막(203)이 제1 트렌치(201)에 잔류하도록 하여 금속 배선을 형성한다. 이때, 더미 영역의 비금속막(204)도 동시에 연마된다. 화학적 기계적 연마 공정(CMP) 진행시 알루미늄보다 전자 친화도가 낮은 비금속막(204)에 의해 연마 식각제에 전자를 잃게 되거나 금속막(203)에 전자를 공급하게 된다. 따라서, 금속막(203)이 식각제에 포함되어 있는 산소에 전자를 잃는 것을 방지하여 산화를 방지한다. 화학적 기계적 연마 공정(CMP)은 슬러리로 (NH4)2S2O8 + H2O2 를 사용하는 것이 바람직하다.
이 후, 클리닝 공정을 진행하여 잔류하는 불순물을 제거한다. 이때 비금속막(204)에 의해 클리닝 액체에 전자를 잃게 되거나 금속막(203)에 전자를 공급하게 된다. 따라서, 클리닝 액체에 의해 산화되는 것을 방지한다. 클리닝 공정은 HF를 이용하여 실시하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 CMP 장치의 구성도이다.
상술한 도 2c와 같이 화학적 기계적 연마 공정(CMP)을 실시할 때, 도 3과 같이 웨이퍼(304)를 고정시키는 홀더(306) 및 웨이퍼(304)의 표면을 연마하는 패드(302)에 전압을 인가하여 웨이퍼(304)에 전류를 공급하여 준다. 이로 인하여 금속막(203)이 화학적 기계적 연마 공정(CMP)시 전자를 잃어 산화되는 것을 방지할 수 있다. 이때 홀더(306) 및 패드(302)에 -5V 내지 1.0V의 전류를 공급하는 것이 바람직하다. 또한 전류는 직류 또한 교류로 공급할 수 있다. 또한 패드(302)는 전 류를 인가하기 위하여 전도성 폴리머로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 더미 영역의 비금속막(204)과 화학적 기계적 연마 공정(CMP)시 전자를 공급함으로써, 금속막(203)의 표면에 알루미늄 산화막이 형성되는 것을 방지하여 화학적 연마량 보다 기계적 연마량을 증가시켜 금속막(203) 표면의 국부적인 파짐 발생을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따르면, 알루미늄을 이용한 다마신 공정으로 금속 배선을 형성할 때 더미 영역에 비금속 물질을 이용하여 더미 패턴을 형성하여 CMP 공정시 슬러리 및 클리닝 용액에 의해 알루미늄막 표면에 산화막이 형성되는 것을 방지하여 균일한 연마 공정을 실시함으로써 파짐 현상을 억제할 수 있다.
Claims (12)
- 반도체 요소가 형성된 반도체 기판 상에 금속 배선을 형성하기 위한 다마신 패턴 및 더미 다마신 패턴을 형성하는 단계;상기 다마신 패턴을 금속막으로 채우는 단계;상기 더미 다마신 패턴을 비금속막으로 채우는 단계; 및상기 비금속막으로부터 전자가 상기 금속막으로 공급되도록 화학적 기계적 연마 공정을 실시하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속막은 알루미늄을 사용하여 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 비금속막은 Zn, K, Ca, Na 중 하나를 이용하여 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속막을 형성한 후 상기 화학적 기계적 연마 공정을 진행하기 이전에 상기 금속막상에 상기 금속막의 산화를 방지하기 위한 희생양극막을 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 희생양극막은 아연도금막을 사용하여 형성하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 화학적 기계적 연마 공정은 식각제로 (NH4)2S2O8 + H2O2 를 사용하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 화학적 기계적 연마 공정 후 클리닝 공정을 진행하여 불순물을 제거하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 클리닝은 상기 비금속막에 의해 클리닝 액체에 전자를 잃게 되거나 금속막에 전자를 공급하여 상기 금속막이 산화되는 것을 방지하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 화학적 기계적 연마 공정은 웨이퍼를 연마하는 패드와 상기 웨이퍼를 고정시키는 홀더에 전류를 인가하여 상기 웨이퍼에 전자를 공급하여 상기 금속막이 산화되는 것을 방지하는 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 홀더는 전도성 폴리머로 이루어진 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 전류는 -5V 내지 1.0V인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 전류는 직류 또는 교류인 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법.
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