KR100869044B1 - 구리 및 텅스텐을 포함하는 반도체 장치 도전성 구조체들의폴리싱에 있어서 고정 연마제 폴리싱 패드들과 함께사용하기 위한 슬러리 및 폴리싱 방법들 - Google Patents

구리 및 텅스텐을 포함하는 반도체 장치 도전성 구조체들의폴리싱에 있어서 고정 연마제 폴리싱 패드들과 함께사용하기 위한 슬러리 및 폴리싱 방법들 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 장치 구조체의 구리 도전성 구조체와 인접한 배리어층을 실질적으로 동시에 폴리싱하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 실질적으로 연마제가 없는 슬러리와 함께 고정 연마제 폴리싱 패드를 사용하는 것을 포함하며, 이 슬러리 내에서는 텅스텐 같은 배리어층의 재료가 제거되는 속도와 실질적으로 같거나, 그 보다 빠른 속도로 구리가 제거되게 된다. 이 슬러리는 배리어층의 재료가 산화되는 속도와 실질적으로 동일한 속도로, 또는 그 보다 빠른 속도로 구리를 산화시키도록 조성된다. 따라서, 구리와 배리어층 재료는 슬러리 내에서 실질적으로 동일한 산화 에너지를 갖거나, 슬러리 내에서의 배리어층 재료의 산화 에너지가 구리의 것 보다 클 수 있다. 반도체 장치 구조체상의 구리 도전성 구조체 및 인접한 배리어 구조체를 폴리싱하는 시스템도 기술되어 있다.
슬러리, 고정 연마제 폴리싱 패드, 구리 도전성 구조체, 배리어 구조체, 산화 에너지, 폴리싱 속도

Description

구리 및 텅스텐을 포함하는 반도체 장치 도전성 구조체들의 폴리싱에 있어서 고정 연마제 폴리싱 패드들과 함께 사용하기 위한 슬러리 및 폴리싱 방법들{Slurry for use with fixed-abrasive polishing pads in polishing semiconductor device conductive structures that include copper and tungsten and polishing methods}
도 1은 종래의 슬러리가 구리 및 텅스텐을 동시에 제거하기 위해 사용될 때, 반도체 장치의 구리 구조체 아래에 있는 텅스텐 배리어층의 영역들의 분리를 예시하는 전자현미경 사진.
도 2 내지 도 5는 구리와 배리어 재료를 실질적으로 동일한 속도로 반도체 장치 구조체로부터 실질적으로 동시에 제거시키는 폴리싱 방법의 예시적 실시예를 예시하는 개략도.
도 6은 본 발명의 방법을 실시하기 위해 고정 연마제 폴리싱 패드와 슬러리를 채용하는 예시적 실시예의 개략도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 반도체 장치 구조체 12: 기판
14: 오목부 16: 활성면
18: 배리어층 20: 구리층
40: 고정 연마제 폴리싱 패드
본 발명은 일반적으로 화학 기계적 폴리싱(chemical-mechanical polishing) 또는 화학 기계적 평탄화 방법들에 유용한 슬러리들에 관한 것으로서, 특히 구리 및 인접한 텅스텐 배리어(barrier)를 포함하는 반도체 장치들의 전기 도전성 구조체들을 폴리싱하거나 또는 평탄화하는데 사용되는 슬러리들에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 구리 및 텅스텐으로 형성된 구조체들을 거의 동시에 폴리싱하거나 평탄화하기 위한 방법들에 관한 것이다.
CMP
본 기술 분야에서 모두 "CMP(chemical-mechanical polishing)"로 칭해지는 화학 기계적 폴리싱 및 화학 기계적 평탄화는, 장치의 제조 중에 반도체 재료의 기판의 표면으로부터 재료를 평탄화하거나 제거하기 위해, 화학적 및 기계적 작용제들의 조합 사용을 통상적으로 포함하는 폴리싱 기술들이다. 하나 이상의 산화제들, 연마제들, 착화제들(complexing agents), 억제제들을 포함하는 통상적인 슬러리인 화학 성분은, 폴리싱되거나 평탄화(즉, 적어도 부분적으로 제거되는)되는 하나 이상의 재료층들의 표면을 산화시킨다. 폴리우레탄 또는 아크릴과 같은 재료로부터 형성되는 폴리싱 패드는 슬러리와 함께 사용되고, 슬러리에 존재하는 연마제와 조합하여, 반도체 구조체의 표면으로부터 상기 층 또는 층들을 기계적으로 제거하게 한다. 연마제 전용 폴리싱 및 평탄화, 즉 재료를 제거하기 위한 활성적인 화학제를 사용하지 않는 폴리싱 및 평탄화는 환경적인 측면에서 볼 때 보다 효과적으로 되는 것이다. 그래서, 본원에서 사용되는 "CMP"라는 용어는 연마제 전용(abrasive-only)(즉, 엄밀히 기계적인) 폴리싱 방법들 및 장치와 같은 것을 포함한다.
종래의 CMP 패드는 원형 및 평면형이며, 평탄화되거나 또는 폴리싱될 구조체들 또는 층들이 형성된 반도체 기판들[즉, 실리콘, 갈륨, 비화물(arsenide), 인듐 인화물(indium phosphide) 등]보다 더 큰 치수를 가진다. 기판에 형성된 하나 이상의 층들 또는 구조체들을 폴리싱함에 있어서, 상기 기판과 종래의 CMP 패드는 서로에 대하여 회전하고, 상기 기판의 위치는 패드의 폴리싱 표면에 대하여 연속적으로 이동함으로써, 기판 위에 형성된 하나 이상의 층들 또는 구조체들을 폴리싱하는데 상기 패드의 서로 다른 영역들이 사용된다.
소위 "웨브(web)" 형이라고 칭하는 다른 폴리싱 형태에서, 상기 패드는 길고 평면인 형상을 가진다. 반도체 기판에 형성된 하나 이상의 층들 또는 구조체들을 폴리싱하기 위하여 "미가공(fresh)" 영역을 제공하도록 공급 릴로부터 권취 릴(take-up reel)로 측방향으로 이동된다. 유사하게, 소위 "벨트(belt)" 형이라고 칭하는 유사한 새로운 폴리싱 형태에서, 패드는 폴리싱 재료의 벨트 또는 연속적인 루프로 구성된다. 상기 "웨브" 및 "벨트" 형태에서, 상기 반도체 기판은 상기 패드와 접촉하게 될 때 회전하거나 또는 공전하게 된다. "미가공" 폴리싱 표면이 요구되거나 요망될 때 상기 패드는 이동하게 된다.
고정 연마제(fixed-abrasive) 폴리싱 패드로 공지된 새로운 형태의 폴리싱 패드가 반도체 기판 상에 형성된 층을 폴리싱하거나 또는 평탄화하기 위하여 사용 될 수 있다. 재래식, 웨브 또는 벨트 형태들로 실시될 수 있는 고정 연마제 폴리싱 패드는 통상적으로 아크릴 재료로 형성되고, 연마제 재료들의 입자들이 매설된다. 상기 패드와 매설된 연마제들은 CMP 공정의 기계적인 부분에 효과를 준다. 제조 중에 반도체 장치의 표면 상에서 하나 이상의 층들을 평탄화하거나 또는 폴리싱하기 위한 고정 연마제 폴리싱 패드의 사용 동안, 상기 연마제 재료는 패드의 폴리싱 표면에 노출된다. 또한, 몇몇의 연마제 재료는 패드의 폴리싱 표면에 노출된다. 패드 내에 연마제 입자들을 함유한 결과로서, 화학-기계적 폴리싱 또는 화학-기계적 평탄화의 화학적 부분에 영향을 주기 위해 사용되는 화학적 슬러리들은, 종래의 연마제 없는 패드들이 이용될 때 흔히 요구되는 연마제들을 포함할 필요가 없다.
구리 도전성 구조체
반도체 장치에서 도전성 재료로서의 구리의 사용 또한 지속적으로 증가되고 있다. 그러나, 반도체 장치에서 구리가 사용될 때, 상기 구리 및 인접한 구조체들 또는 층들 사이에는 통상적으로 배리어층이 사용된다. 상기 배리어층은, 둘 다 구리를 포함하는 반도체 장치들에서 전기 단락을 야기할 수 있는 구리 규화물의 형성은 물론, 인접한 층들 또는 구조체들 내로 상기 구리의 확산을 방지한다. 탄탈은 구리 배리어로서 유용한 재료의 예이다. 탄탈이 사용될 때, 구리가 배치(예를 들면 트렌치)되는 어떠한 특징들을 포함하는 반도체 장치는 탄탈층과 정렬된다. 그 다음에, 상기 탄탈은 통상적으로 얇은 구리층으로 커버되고, 물리적 증착("PVD") 방법에 의하여 종종 형성된다. 그 다음, 상기 얇은 구리층은 전기 도금 방법에 의 하여 도전성 라인과 같이 구리의 구조체 형성을 위한 소위 "시드 층(seed layer)"으로 작용한다.
일단 상기 탄탈과 구리층이 형성되면, 분리된 탄탈-구리의 도전성 구조체를 서로로부터 이격시키는 것이 필요하다. CMP 공정들은 제조되는 반도체 장치의 활성 표면으로부터 상기 구조체 사이의 탄탈과 구리를 제거시키기 위하여 사용된다. 구리의 CMP 공정에 사용되는 슬러리는 약 7.0의 pH를 통상적으로 가진다. 이러한 많은 슬러리는 산화제로서 과산화수소(H2O2)를 포함한다. 과산화수소가 하이드록시 프리 래디컬(hydroxy free radical)(OH)을 쉽게 발생시키기 때문에, 과산화수소는 매우 강한 산화제이다. 그러나, 탄탈은 거의 화학적으로 불활성이다. 그래서, 구리를 제거하는 CMP 슬러리의 산화제는 탄탈을 효과적으로 산화시키지 않고, 그래서 탄탈을 적절하고 효과적으로 제거시키지 못한다. 이와 유사하게, CMP 공정에 의하여 탄탈을 제거하는데 유용한 슬러리들은 구리를 제거하는 데에는 효과적이지 못하다. 결과적으로, 종래의 CMP 공정이 반도체 장치의 탄탈-구리 도전성 구조체를 분리시키기 위하여 사용될 때에는, 2개의 분리된 슬러리가 사용되어야 한다.
반도체 장치에서 구리의 도전성 구조체용 배리어 재료로서 탄탈 대신에 텅스텐이 사용된다. 그럼에도 불구하고, 공지된 구리의 CMP 슬러리가 CMP 텅스텐과 구리가 거의 동시에 사용될 때, 상기 텅스텐 배리어층은 구리보다 빠른 비율로 분해되거나 또는 제거될 수 있다. 이것은, 하기의 화학식에 의해 나타내는 바와 같이, 텅스텐(W)이 구리(Cu)보다 더 쉽게 산화되기 때문에, 적어도 부분적으로 이루어진 다.
W + 2H2O →4H+ + 4e- + WO2 E0 = 0.12;
Cu →Cu2 + + 2e- E0 = -0.34
그래서, 종래의 슬러리에서, 구리 및 텅스텐은 동일한 산화제에 동시에 노출될지라도, 상기 텅스텐은 통상적으로 먼저 산화된다. 결과적으로, 도전성 구조체들이 제조되는 반도체 장치 구조체들의 인접한 부분들과 구리의 도전성 구조체들 사이에 배리어 재료가 위치되어야 하는 위치들에 갭이 형성될 수 있다.
이러한 현상은 도 1의 전자 현미경 사진에 도시되는데, 상기 도 1에서는, 반도체 장치 구조체(10)가 약 7의 pH를 가지는 구리의 CMP 슬러리와, 알루미나의 고정 연마제 폴리싱 패드를 사용하는 CMP 이후에 반도체 장치 구조체(10)의 기판(12)의 활성적인 표면(16)에 형성된 오목부(14)에 배치되는 구리층(20)과 하부에 위치된 텅스텐 배리어층(18)의 부분을 포함한다. 일단 배리어층(18)과 구리층(20)사이의 경계면(19)이 CMP 공정 동안 노출될 때, 배리어층(18)의 텅스텐은 산화되고 구리층(20)의 인접한 구리보다 더 빠른 속도로 용해되어, 구리층(20)의 구리와 기판(12)의 인접한 영역 사이에 갭(21)을 남겨둘 뿐만 아니라, 구리층(20)의 구리가 기판(12)의 보호되지 않은 인접한 영역들과 접촉하고 가능하다면, 상기 인접한 영역들 내로 확산하도록 바람직하지 않게 허용한다.
상기 발명자들은 CMP 공정에 유용하고, 텅스텐의 산화 또는 용해를 유발하지 않으면서 구리 및 텅스텐을 효과적으로 폴리싱하거나 평탄화시키는 슬러리를 인식하지 못하였다.
본 발명은 고정 연마제 폴리싱 패드와 슬러리를 사용하여 구리 도전성 구조체와 인접한 배리어층을 실질적으로 동시에 화학 기계적 폴리싱하는 방법을 포함하며, 이 슬러리는 구리 도전성 구조체 및 그에 인접한 배리어층을 실질적으로 동시에 폴리싱하기 위해 고정 연마제 폴리싱 패드들과 함께 사용할 수 있다.
본 발명의 방법은 실질적으로 연마제가 없는 액체 폴리싱 조성물과 함께 고정 연마제 폴리싱 패드를 채용하는 것을 포함하며, 이 실질적으로 연마제가 없는 액체 폴리싱 조성물은 본 명세서에서 실질적으로 연마제가 없는 슬러리, 또는 더 간단하게는 슬러리라 칭한다. 이 슬러리는 텅스텐 같은 배리어층의 재료와 구리를 실질적으로 동일한 속도로 산화시키도록 조성된다. 따라서, 본 발명의 슬러리 구체화 기술에서, 구리 및 배리어 재료의 산화 에너지는 실질적으로 동일하다. 슬러리에서, 텅스텐 같은 배리어 재료의 산화 에너지 또는 산화 전위는 구리의 산화 에너지, 또는, 산화 전위의 약 0.20V 이상 내지 약 0.25V 이하까지의 범위이다. 배리어 재료가 구리와 실질적으로 동일한 속도 또는 구리보다 느린 속도로 슬러리에 의해 산화되기 때문에, 구리 도전성 구조체와 인접한 배리어층을 실질적으로 동시에 폴리싱하기 위해 이렇게 조성된 슬러리를 사용함으로써 배리어층의 분리를 방지한다. 고정 연마제 폴리싱 패드와 함께 사용할 때, 본 발명의 슬러리는 슬러리가 구리를 제거하는 속도와 대략 동일하게, 또는, 약 10배 느린 수준까지인 속도, 적합하게는, 슬러리가 구리를 제거하는 속도 보다 약 2 내지 4배 느린 속도로 텅스텐 같은 배리어 재료를 제거한다.
본 발명의 방법에 유용한 슬러리들은 하나 이상의 산화제, 하나 이상의 착화제 및 하나 이상의 억제제를 포함한다. 적어도, 산화제, pH 조절제 및 억제제의 상대적인 양은 구리 구조체와, 텅스텐으로 형성된 배리어층 같은 인접한 다른 구조체의 실질적인 동시 폴리싱을 촉진하도록 균형화된다. 따라서, 슬러리는 상대적인 양의 산화제, 착화제 및 억제제가 구리와, 텅스텐 같은 배리어 재료를 실질적으로 동일한 속도로 산화시키도록, 또는, 구리와 배리어 재료의 산화 에너지가 슬러리 내에서 실질적으로 동일하도록 조성된다. 또한, 슬러리의 pH는 실질적으로 동일한 속도의 구리 및 텅스텐 같은 배리어 재료의 산화를 제공하도록 최적화된다.
또한, 본 발명은 반도체 장치의 구리 도전성 구조체와 인접한 배리어층을 실질적으로 동시에 폴리싱하기 위한 시스템을 포함한다. 이런 시스템은 고정 연마제 폴리싱 패드와, 실질적으로 연마제가 없는 슬러리를 포함하며, 이 실질적으로 연마제가 없는 슬러리 내의 구리와 배리어층의 재료는 실질적으로 동일한 속도로 산화되거나, 또는 실질적으로 동일한 산화 에너지를 갖는다.
하기의 상세한 설명, 첨부 도면 및 첨부된 청구항의 고찰을 통해, 본 기술 분야의 숙련자들은 본 발명의 다른 특징 및 장점을 명백히 알 수 있을 것이다.
본 발명의 요지를 채용하는 방법이 도 2 내지 도 5에 예시되어 있다. 도 2 를 참조하면, 그 활성면(16)내에 형성된 오목부(14)를 포함하는 기판(12)을 포함하는 반도체 장치 구조체(10)가 도시되어 있다. 구리가 반도체 장치 구조체(10)의 인접한 절연 영역내로 확산하는 것을 방지하는 텅스텐과 같은 재료의 배리어층(18)이 오목부(14)의 표면(15) 및 활성면(16)상에 위치되어 있다. 구리층(20)은 배리어층(18) 위에 형성되어 그와 접촉한다. 또한, 구리층(20)이 실질적으로 오목부(14)를 충전한다. 기판(12)이 오목부(14), 배리어층(18) 및 구리층(20) 아래에 다양한 다른 구조체들을 포함할 수 있지만, 단순화를 위해서, 도 2 내지 도 5에 도시된 반도체 장치 구조체(10)에는 어떠한 부가의 구조체도 예시되어 있지 않다.
구리층(20)의 도전성 구조체의 형성시, 오목부(14) 내에 위치되지 않은 배리어층(18) 및 구리층(20)의 부분은 반도체 장치 구조체(10)로부터 반드시 제거되어야 한다. 이미 언급한 바와 같이, 구리층의 불필요한 부분을 제거하기 위해 일반적으로 CMP 프로세스가 사용된다. 도 3을 참조하면, 슬러리(30)는 구리층(20) 위에 인가된다. 그 후, 재래식 폴리싱 패드, 웨브형 폴리싱 패드, 벨트형 폴리싱 패드 또는 본 기술 분야에 공지된 소정의 다른 폴리싱 패드 형태로 구현될 수 있는 고정 연마제 폴리싱 패드(40)가 구리층(20)과 마찰 접촉하게 되어[예를 들면, 반도체 장치 구조체(10) 또는 폴리싱 패드(40)의 회전에 의해] 슬러리(30)와 함께 구리층(20)을 제거한다. 슬러리(30)의 억제제 성분(32)은 구리층(20)의 오목 영역(22)을 충전하여 구리층(20)의 보다 높은 영역(24)의 재료가 제거될 때까지 오목 영역(22)으로부터의 재료의 제거를 방지한다.
결국, 활성면(16)상에 배설된 배리어층(18)의 영역이 도 4에 도시된 바와 같 이, 구리층(20)을 통해 노출된다. 이 시점에서, 슬러리(30)와 고정 연마제 폴리싱 패드(40)는 실질적으로 동일한 속도로 구리층(20)의 구리와 배리어층(18)의 재료 또는 재료들을 제거한다.
배리어층(18)은 슬러리(30)와 고정 연마제 폴리싱 패드(40)를 사용한 지속적 폴리싱에 의해 활성면(16)으로부터 제거된다. 배리어층(18)이 활성면(16)으로부터 실질적으로 제거되고, 오목부(14)내에 잔류하는 구리층(20)의 부분의 표면(26)이 도 5에 도시된 바와 같이 실질적으로 활성면(16)의 평면 내에 위치되면, 폴리싱 공정이 종결된다. 도 5에 예시된 바와 같이, 배리어층(18)의 나머지 부분은 실질적으로 오목부(14)를 라인화(line)하고, 기판(12)의 인접부로부터 구리층(20)의 나머지 부분을 분리시킨다.
구리 및 인접한 배리어층(18)의 재료 또는 재료들(예를 들면, 텅스텐)이나, 다른 구조체를 CMP에 의해 실질적으로 동일한 속도로 제거하기 위해서, 슬러리(30)는 구리 및 인접한 배리어층(18)의 재료 또는 재료들을 실질적으로 동일한 속도로 산화시키도록 조성된다. 달리 말하면, 구리 및 인접한 배리어층(18)의 재료 또는 재료들(예를 들면, 텅스텐)은 슬러리(30)내에서 실질적으로 동일한 산화 에너지를 갖는다. 결과적으로, 층(18, 20) 사이의 경계면(19)이 슬러리(30)에 노출될 때, 배리어층(18)의 재료 또는 재료들은 구리층(20)의 구리가 반도체 장치 구조체(10)로부터 분리 또는 제거되는 것보다 현저히 높은 속도로 반도체 장치 구조체(10)로부터 분리 또는 제거되지 않는다. 본 발명의 범주를 제한하지 않는, 단지 예를 들면, 슬러리(30)내의 산화 에너지 또는 산화 전위는 슬러리(30)내에서 구리의 산화 에너지 또는 산화 전위의 약 0.20V 이상 내지 약 0.25V 이하의 범위인 것이 적합하다. 슬러리(30)는, 슬러리(30)가 고정 연마제 폴리싱 패드가 채용될 때, 슬러리(30)가 구리를 제거하는 속도와 대략 동일한, 또는, 그 보다 약 10배 느린 속도로 텅스텐 같은 배리어 재료를 제거하는 것이 적합하며, 슬러리(30)가 구리를 제거하는 속도 보다 약 2배 내지 약 4배 느린 것이 보다 적합하다.
도 2 내지 도 5를 계속 참조하면, 슬러리(30)는 미네소타 세인트 포올의 3M 컴퍼니에서 제조되는 아크릴 고정 연마제 폴리싱 패드 같은 고정 연마제 폴리싱 패드(40)와 연계하여 사용된다. 이런 고정 연마제 폴리싱 패드(40)는 알루미나(Al2O3), 이산화 티타늄(TiO2), 이산화 규소(SiO2) 및 이산화 세륨(CeO2)을 비제한적으로 포함하는 미립자 연마제로 충만될 수 있다. 통상적으로, 고정 연마제 폴리싱 패드(40)내의 연마제들은 반도체 장치 구조체(10)의 폴리싱 동안 그로부터 유리될 수 있다. 따라서, 슬러리(30)는 연마제를 포함할 필요가 없으며, 실질적으로 연마제가 없는 것이 적합하며, 슬러리(30)는 구리층(20)의 보다 높은 영역(24)이 실질적으로 동일 평면까지 하향 제거될 때까지, 구리층(20)의 오목 또는 하부 영역(22)이 제거되는 것을 방지하는 억제제 성분(32)을 포함하는 것이 적합하다. 또한, 슬러리(30)는 산화제 성분을 포함하며, 이는 구리층(20)의 구리와 배리어층(18)의 재료 또는 재료들(예를 들면, 텅스텐)을 산화시키며, 그래서, 이들 재료들이 화학적으로 연화되고, 그에 의해, 고정 연마제 폴리싱 패드(40)에 의한 반도체 장치 구조체(10)로부터의 그 기계적 제거를 촉진한다. 부가적으로, 슬러리(30) 는 하나 이상의 착화제를 포함하며, 이 착화제는 제거되는 층(18, 20)의 이온(예를 들면, 구리층(20)으로부터의 구리 이온)과 착화되어, 이들 반응 이온의 분리를 촉진하여, 이들 반응 이온이 층(18, 20)이 산화되는 위치로부터 멀리 이동되게 한다. 결과적으로, 슬러리(30)에 의한 재료층(18, 20)의 지속적 산화는 최적의 속도로 이루어질 수 있고, 따라서, 층(18, 20)의 재료가 반도체 장치 구조체(10)로부터 제거되는 속도도 최적화될 수 있다.
슬러리(30)의 산화제 성분으로서 유용한 산화제의 예는 과산화수소, 칼륨 요오드산염, 칼륨 과망간산염, 암모니아, 기타 아민 화합물, 암모늄 화합물, 질산염 화합물, 및 그 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 암모늄 화합물은 암모늄 과황산염 및 암모늄 몰리브데이트를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 질산염 화합물은 철 질산염, 질산 및 칼륨 질산염을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 산화제 성분은 슬러리(30)의 약 0.1 내지 약 20 중량%를 포함하는 것이 적합하다. 슬러리(30)는 약 0.1 내지 5.0 중량%의 산화제 성분을 포함하는 것이 적합하다. 슬러리(30)의 중량의 약 3 내지 약 5%를 구성하는 칼륨 요오드산염 산화제 성분이 보다 적합하다.
슬러리(30)의 하나 이상의 착화제는 글리신, 암모늄 구연산염, 암모늄 인산염, 암모늄 초산염 및 그 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 슬러리(30)는 약 1 내지 약 15 중량%의 하나 이상의 착화제를 포함하는 것이 적합하다. 하나 이상의 착화제가 슬러리(30)의 중량의 약 3 내지 약 5%를 구성하는 것이 보다 적합하다. 예를 들면, 슬러리(30)는 슬러리(30)의 중량 대비 0.1M(몰) 농도의 폴 리에틸렌 글리콜(PEG)을 포함하는 약 1%의 착화제 글리신을 포함할 수 있다. 다른 예를 들면, 슬러리(30)는 약 3 중량%의 암모늄 초산염을 포함할 수 있다.
슬러리(30)의 억제제 성분(32)은 폴리싱 중에 구리의 부식을 방지한다. 억제제 성분은 벤젠트리아졸(BTA), 메르캅토벤조티아졸, 및 톨리트리아졸과 같은 아졸과, 메틸아민 및 디에틸아민과 같은 아민과, 피리딘, 퀴놀린, 및 디사이클로헥사민 질산염과 같은 고리 화합물(ring compound), 뿐만 아니라 칼륨 규산염, 암모늄 붕산염, 암모늄 인산염, 및 칼륨 중크롬산염과 같은 다른 화합물, 또는 상기 부식 억제제들의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다. 억제제 성분(32)은 슬러리(30)의 약 0.05 내지 2 중량 %로 구성될 수 있지만, 억제제 성분(32)은 슬러리(30)의 약 0.05 내지 0.2 중량 %를 포함하는 것이 적합하다. 예를 들면, 슬러리(30)는 약 0.1 중량 %의 BTA를 포함할 수 있다.
슬러리(30)는 약 2 내지 6 범위의 pH를 가질 수 있지만, 슬러리(30)의 pH는 약 3 내지 5 범위인 것이 적합하며, 보다 적합하게는 약 4이다. 본원에서 pH 조절제로서 또한 칭하는 하나 이상의 완충제가, 당 기술 분야에 공지된 바와 같이, 슬러리(30)의 pH를 소정 레벨로 조절하기 위해 사용될 수 있다. 슬러리(30)에 사용될 수 있는 예시적인 완충제는, 칼륨 수소 프탈레이트, 암모늄 아세테이트, 암모늄 수산염, 암모늄 카바메이트, 암모늄 인산염, 암모늄 수소 인산염, 암모늄 2산화 인산염, 2염기 암모늄 구연산염, 3염기 암모늄 구연산염, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 초산, 인산, 황산이, 본 발명의 요지를 구체화하는 슬러리(30)에 사용될 수 있는 다른 pH 조절제의 예이다. 적합하게는, pH 조절제는, 폴리싱되는 층 또는 층들 하부에 위치하는 절연체[예를 들면, 보로포스포실리케이트 글래스(BPSG), 포스포실리케이트 글래스(PSG), 또는 보로실리케이트 글래스(BSG)]를 상당히 에칭하지 않고 소정 범위 또는 소정값으로 슬러리(30)의 pH를 조절할 수 있다. 한정적이지는 않지만, 초산은 슬러리(30)의 pH를 조절하는데 사용되며 하부의 글래스 절연체를 에칭하지 않는 완충제의 일례이다.
게다가, 슬러리(30)는, 슬러리(20)의 체적의 약 1% 내지 15%, 보다 적합하게는 슬러리(30)의 약 1 중량 % 내지 2 중량 %를 포함할 수 있는 계면 활성제 성분을 포함할 수 있다. 계면 활성제 성분은 예를 들면, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 에테르, 글리세롤, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 올레일 에테르, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
침전제(thickener)가 또한 소정의 점도(예를 들면, 주위 온도에서 약 10 내지 20cps)를 슬러리(30)에 부여하도록 슬러리(30)에 포함될 수 있다. 슬러리(30)에 포함될 수 있는 예시적인 침전제는, 미국 코네티컷주 소재의 유니온 카바이드 오브 댄버리(Union Carbide of Danbury)로부터 이용 가능한 폴리옥스(POLYOX), 및 미국 오하이오주 비.에프. 굿리치 오브 클리블랜드(B.F. Goodrich of Cleveland)로부터 이용 가능한 카르보폴(CARBOPOL)을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
물이 슬러리(30)의 균형제(balance)로서 사용될 수 있다.
슬러리(30)의 성분들의 특정량은, 구리층(20)에 의해 실질적으로 동시에 폴리싱되는, 텅스텐과 같은 배리어층(18)의 배리어 재료와 실질적으로 동일한 속도로 구리가 전자를 방출하는 슬러리(30) 조성물을 동등화(identifying)함으로써 결정될 수 있다. 달리 말하면, 슬러리(30)는, 텅스텐과 같은 구리 및 배리어 재료가 내부에 실질적으로 동일한 산화 에너지를 갖거나 내부에서 실질적으로 동일한 속도로 산화되도록 조성될 수 있다. 적합하게는, 슬러리(30)내의 텅스텐 또는 다른 배리어 재료의 산화 에너지는 슬러리(30)내의 구리의 산화 에너지의 약 0.20V 이상 내지 약 0.25V 이하의 범위 내에 있다. 상기 슬러리(30)의 조성물은 실질적으로 동일한 속도로 반도체 장치 구조체(10)로부터 텅스텐과 같은 구리 및 배리어 재료의 제거를 촉진할 수 있다.
이러한 특징을 갖는 슬러리(30) 조성물은, 텅스텐과 같은, 슬러리(30)내의 구리 및 배리어 재료의 개방 회로 전위를 측정하는 것과 같은 당 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같은 방식으로 결정될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 방법에 따른 구리 및 인접한 배리어 재료의 실질적인 동시 폴리싱을 수행하기 위한 폴리싱 시스템(50)이 도시되어 있다. 폴리싱 시스템(50)은 고정 연마제 폴리싱 패드(40)를 지지하거나 지탱하는 폴리싱 장치(42)와, 반도체 장치 구조체(10)를 유지하고 상기 반도체 장치 구조체를 고정 연마제 폴리싱 패드(40)와 마찰 접촉시키며 적합하게는 고정 연마제 폴리싱 패드(40)에 대해 반도체 장치 구조체(10)를 회전시키도록 구성된 기판 지지체(44)를 구비한다. 폴리싱 시스템(50)은 또한 슬러리 어플리케이터(47)를 구비한다. 폴리싱 장치(42)는 웨브형 폴리싱 장치로서 도 6에 도시되어 있지만, 벨트형 및 재래식 회전형 폴리싱 장치를 포함하는 다른 공지된 형태의 폴리싱 장치가 본 발명의 요지를 구체화하는 폴리싱 시스템에 대안적으로 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
재래식, 회전형 CMP 장치, 웨브형 CMP 장치, 및 벨트형 CMP 장치를 포함하는 임의의 공지된 CMP 장치는 폴리싱 시스템(50)의 폴리싱 장치(42), 기판 지지체(44), 및 슬러리 어플리케이터(47)를 포함할 수 있다. 고정 연마제 폴리싱 패드(40)는, 임의의 공지된 패드 유형(예를 들면, 재래식, 웨브형 또는 벨트형)의, 3M 캄파니로부터 이용 가능한 아크릴 고정 연마제 폴리싱 패드와 같은 임의의 공지된 고정 연마제 폴리싱 패드를 유사하게 구비할 수 있다.
폴리싱 시스템(50)의 사용시, 화학 기계적 폴리싱되는 하나 이상의 층들을 상부에 구비하는 하나 이상의 반도체 장치 구조체(10)는 기판 지지체(44)에 고정된다. 필요하다면, 고정 연마제 폴리싱 패드(40)는 또한 폴리싱 장치(42)에 고정된다. 슬러리(30)는 반도체 장치 구조체(10)와 고정 연마제 폴리싱 패드(4) 중 하나 또는 모두 상에 슬러리 어플리케이터(47)에 의해 도입된다. 슬러리(30)가 고정 연마제 폴리싱 패드(40)에 적용되면, 반도체 장치 구조체(10)와 고정 연마제 폴리싱 패드(40) 중 하나 또는 모두는 실질적으로 연속적으로 측방향으로 이동하며(예를 들면 회전 또는 진동 또는 다른 측면간 이동) CMP 프로세스를 실행하기 위해 서로 마찰 접촉한다. 예를 들면, 웨브형 또는 벨트형 폴리싱 장치가 사용될 때, 상기 장치는 반도체 장치 구조체(10)를 전진시킬 수 있지만[예를 들면, 반도체 장치 구조체(10)를 지지축 둘레로 회전시킴], 폴리싱 패드는 실질적으로 정지되어 유지된다.
하나 이상의 층들(18, 20)(도 2 내지 도 5)의 소정 부분이 반도체 장치 구조체(10)로부터 제거되면, 반도체 장치 구조체(10)는 고정 연마제 폴리싱 패드(40)로부터 이격되어 이동된다. 반도체 장치 구조체(10)상에 잔류하는 슬러리(30)는 공지된 프로세스에 의해 그로부터 세척되거나 다른 방식으로 제거된다. 다음, 당 기술 분야에 공지된 바와 같이, 후속의 제조 프로세스가 반도체 장치 구조체(10)상에 수행될 수 있다. 폴리싱 패드(40)는 반도체 장치 구조체(10)를 폴리싱하는데 사용되지 않은 새로운 패드 세그먼트를 제공하도록 증분식으로 이동할 수 있다. 폴리싱 패드(40)는 그와 함께 폴리싱되는 반도체 장치 구조체(10)를 가로지르는 거리(예를 들면, 직경) 보다 작은 거리만큼 이동할 수 있다. 적합하게는, 폴리싱 패드(40)는, 반도체 장치 구조체(40)를 균일하게 폴리싱하고 폴리싱 패드(40)의 사용 수명을 최대화하기 위해, 반도체 장치 구조체(10)를 가로지르는 최대 거리의 최대 약 1%인 거리만큼 이동한다. 일례로서, 하나 이상의 20cm(8in) 웨이퍼를 폴리싱하는데 폴리싱 패드(40)를 사용한 후, 폴리싱 패드(40)는 각각의 웨이퍼 또는 웨이퍼 세트의 폴리싱 작업 사이에 1/2 내지 3/4cm(예를 들면, 약 0.635cm) 만큼 증분식으로 이동할 수 있다.
본 발명에 따른 폴리싱은 임의의 적절한 폴리싱 온도에서 수행될 수 있지만, 슬러리(30)와 고정 연마제 폴리싱 패드(40)에 의한 폴리싱은 종래의 폴리싱 프로세스의 온도 보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 요지를 구체화하는 폴리싱 방법은 실온(예를 들면, 약 23 내지 27℃) 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 보다 저온에서 수행될 때 폴리싱이 결함을 거의 발생시키지 않는다는 것을 발견하였다. 그러나, 종래의 슬러리의 연마제 성분들은 용해성을 유지하지 않으므로, 저온에서 이러한 슬러리를 통해 균일하게 분산된다.
상기 설명은 다수의 상세들을 포함하지만, 이는 본 발명의 범주를 한정하는 것으로서 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 몇몇 적합한 실시예의 설명을 제공하는 것으로서만 해석되어야 한다. 유사하게, 본 발명의 다른 실시예는 본 발명의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않는 범위에서 변형될 수 있다. 상이한 실시예들로부터의 특징들은 조합되어 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 상기 설명에 의해서보다는 첨부된 청구범위 및 그의 법적 등가물에 의해서만 지시되며 한정된다. 본 발명의 청구범위의 의미 및 범주에 속하는 본 발명의 모든 부가, 생략 및 변경은 본 발명에 포함된다.
본 발명에 의하면, CMP 공정에 유용하고, 텅스텐의 산화 또는 용해를 유발하지 않으면서 구리 및 텅스텐을 효과적으로 폴리싱하거나 평탄화시키는 슬러리를 제공할 수 있다.

Claims (25)

  1. 화학-기계적 폴리싱 공정들에 사용하기 위한 슬러리에 있어서:
    칼륨 요오드산염을 포함하는 산화제;
    벤젠트리아졸을 포함하는 억제제; 및
    착화제를 포함하고,
    상기 슬러리에서의 텅스텐의 산화 에너지가 상기 슬러리에서의 구리의 산화 에너지의 0.20V 이상 내지 상기 슬러리에서의 구리의 산화 에너지의 0.25V 이하의 포함 범위 내에 있는, 슬러리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    3% 내지 5% 중량의 상기 칼륨 요오드산염을 포함하는, 슬러리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    0.1% 중량의 상기 벤젠트리아졸을 포함하는, 슬러리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    0.1% 중량의 상기 벤젠트리아졸을 포함하는, 슬러리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 착화제는 글리신을 포함하는, 슬러리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    1% 중량의 상기 글리신을 포함하는, 슬러리.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 착화제는 폴리에틸렌 글리콜을 더 포함하는, 슬러리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    0.1M 폴리에틸렌 글리콜을 포함하는, 슬러리.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 착화제는 폴리에틸렌 글리콜을 더 포함하는, 슬러리
  10. 제 9 항에 있어서,
    0.1M의 상기 폴리에틸렌 글리콜을 포함하는, 슬러리.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 착화제는 암모늄 아세테이트를 포함하는, 슬러리.
  12. 제 11 항에 있어서,
    3% 중량의 암모늄 아세테이트를 포함하는, 슬러리.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2 내지 6pH를 갖는, 슬러리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    3 내지 5pH를 갖는, 슬러리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    4pH를 갖는, 슬러리.
  16. 삭제
  17. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    실내 온도에서 10센티푸아즈 내지 20센티푸아즈의 점도를 갖는, 슬러리.
  18. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제, 상기 억제제 및 상기 착화제를 포함하는 화학 폴리싱 구성요소들로 이루어지는, 슬러리.
  19. 폴리싱 시스템에 있어서:
    고정 연마제 폴리싱 패드; 및
    제 18 항에 따른 슬러리를 포함하는, 폴리싱 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 고정 연마제 폴리싱 패드는 알루미나(Al2O3), 이산화 티타늄(TiO2), 이산화 실리콘(SiO2), 및 이산화 세륨(CeO2) 중 적어도 하나를 포함하는 미립자 연마제를 포함하는, 폴리싱 시스템.
  21. 삭제
  22. 반도체 디바이스 구조의 표면을 폴리싱하는 방법으로서, 상기 표면은 구리를 포함하는 도전성 구조체와, 상기 도전성 구조체에 인접한 텅스텐 배리어층을 포함하는, 상기 폴리싱 방법에 있어서:
    상기 도전성 구조체의 구리가 폴리싱되는 속도와 동일한 속도 또는 상기 도전성 구조체의 구리가 폴리싱되는 속도보다 더 느린 속도로 상기 배리어층의 텅스텐을 폴리싱하기 위해, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 슬러리 및 폴리싱 패드의 사용을 포함하는, 폴리싱 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 산화제, 상기 억제제 및 상기 착화제를 포함하는 화학 폴리싱 구성요소로 이루어지는 슬러리 및 고정 연마제 폴리싱 패드의 사용을 포함하는, 폴리싱 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 슬러리는 4pH를 갖는, 폴리싱 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 슬러리에서의 텅스텐의 산화 에너지는 상기 슬러리에서의 구리의 산화 에너지의 0.20V 이상 내지 상기 슬러리에서의 구리의 산화 에너지의 0.25V 이하의 포함 범위 내에 있는, 폴리싱 방법.
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