KR100886257B1 - Method For Fabricating Copper Damascene - Google Patents
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Abstract
보이드 발생을 억제하여 신뢰성이 높은 구리 배선을 제조할 수 있는 구리 다마신 형성 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 구리 다마신 형성 방법은 기판(310) 상에 제1 절연층(320)을 형성하는 단계; 하부 트렌치(324)를 형성하기 위하여 제1 절연층(320)을 선택적으로 식각하는 단계; 하부 트렌치(324)에 제1 구리층(330)을 채우는 단계; 제1 절연층(322) 및 제1 구리층(330) 상에 제2 절연층(340)을 형성하는 단계; 비아홀(344) 및 상부 트렌치(346)를 형성하기 위하여 제2 절연층(340)을 선택적으로 식각하는 단계; 및 비아홀(344) 및 상부 트렌치(346) 상에 제2 구리층(350)을 채우는 단계를 포함한다. 특히, 본 발명은 제1 절연층(320)을 선택적으로 식각하는 단계에서 식각되지 않은 일부 절연층(326)이 하부 트렌치(324) 상에 남아 있는 상태에서 하부 트렌치(324)에 제1 구리층(330)을 채우는 것을 특징으로 한다.A copper damascene formation method capable of suppressing void generation and producing a highly reliable copper wiring is disclosed. Copper damascene formation method according to the invention comprises the steps of forming a first insulating layer 320 on the substrate 310; Selectively etching the first insulating layer 320 to form the lower trench 324; Filling the lower trench 324 with the first copper layer 330; Forming a second insulating layer 340 on the first insulating layer 322 and the first copper layer 330; Selectively etching the second insulating layer 340 to form the via holes 344 and the upper trenches 346; And filling the second copper layer 350 on the via hole 344 and the upper trench 346. In particular, the present invention provides a first copper layer in the lower trench 324 with a portion of the non-etched insulating layer 326 remaining on the lower trench 324 in the step of selectively etching the first insulating layer 320. 330 is filled.
금속 배선, 신뢰성, 구리 다마신, 배선 결함, 보이드 Metal wiring, reliability, copper damascene, wiring defect, void
Description
도 1은 종래의 구리 다마신 형성 방법을 나타내는 도면.1 is a view showing a conventional method for forming copper damascene.
도 2는 종래의 구리 다마신 형성 방법을 나타내는 도면.2 is a view showing a conventional method for forming copper damascene.
도 3은 구리 도금층의 실시간 결정 성장 과정을 나타내는 도면. 3 is a diagram illustrating a real time crystal growth process of a copper plating layer.
도 4는 구리 도금층의 미세 조직을 나타내는 도면.4 shows the microstructure of a copper plating layer.
도 5는 본 발명에서 구리 도금층의 결정립 삼중점 발생을 억제하는 메커니즘을 나타내는 모식도.Figure 5 is a schematic diagram showing a mechanism for suppressing the generation of grain triple point of the copper plating layer in the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 다마신 형성 방법을 나타내는 도면.6 is a view showing a copper damascene formation method according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing
310: 실리콘 웨이퍼310: silicon wafer
320, 340: 제1 및 제2 절연층320, 340: first and second insulating layers
330, 350: 제1 및 제2 구리층330 and 350: first and second copper layers
324, 346: 하부 및 상부 트렌치324, 346: lower and upper trenches
326: 절연체 구조물326: insulator structure
344: 비아홀344: Via Hole
본 발명은 구리 다마신 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배선 결함을 초래하는 보이드의 형성을 억제함으로써 신뢰성이 높은 구리 배선을 제조할 수 있는 구리 다마신 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
반도체는 하나의 칩 안에 집적된 회로를 적층하여 형성하는데, 근래에 들어 반도체의 고집적화 추세에 따라 디자인 룰(Design Rule)이 점점 엄격해지고 있는 실정이다. 이에 따라 반도체 제조 과정에서 다층 배선 형성 공정은 그 중요도가 한층 더 높아져 소자의 수율과 신뢰성을 결정짓는 주요한 요소가 되고 있다. Semiconductors are formed by stacking integrated circuits on a single chip. In recent years, design rules have become increasingly strict according to the high integration trend of semiconductors. As a result, the process of forming a multi-layer wiring in semiconductor manufacturing has become even more important, and has become a major factor in determining yield and reliability of devices.
한편, 반도체의 고집적화 추세에 따라 트랜지스터간의 간격이 줄어들면서 RC 지연(resistance capacitance delay) 문제가 중요해지면서 기존의 배선 재료로 사용하여 왔던 알루미늄 보다 전기저항이 보다 낮은 구리가 새로운 배선 재료로 각광받고 있다. 그러나, 구리는 알루미늄에 비하여 건식 식각이 어렵다는 치명적인 단점이 있어서 배선 재료로서 적용이 제한되어 왔다. 하지만, 상기와 같은 구리의 문제점은 구리 다마신 공정이 개발됨으로써 해결되었고 그 결과 구리가 반도체의 배선 재료로서 채용되는 경우가 점점 증가하고 있다. Meanwhile, with the trend of higher integration of semiconductors, as the gap between transistors decreases, the problem of RC delay (resistance capacitance delay) becomes important, and copper, which has lower electrical resistance than aluminum, which has been used as a conventional wiring material, is spotlighted as a new wiring material. However, copper has a fatal disadvantage that it is difficult to dry etch compared to aluminum, so that its application as a wiring material has been limited. However, such a problem of copper has been solved by the development of a copper damascene process, and as a result, copper is increasingly employed as a wiring material for semiconductors.
구리 다마신 공정이란 실리콘 웨이퍼 상에 미리 절연체의 트렌치 패턴을 형성해 놓고 상기 트렌치에 전기도금법을 이용하여 구리를 채워 넣은 후에 상기 트렌치 이외의 영역에 형성된 필요 없는 구리는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)로 제거하는 방법으로서, 구리의 건식 식각 공정을 사용하지 않고서도 구리 배선을 형 성할 수 있는 방법이다.In the copper damascene process, a trench pattern of an insulator is formed on a silicon wafer in advance, and copper is filled in the trench by using an electroplating method, and then unnecessary copper formed in a region other than the trench is removed by CMP (Chemical Mechanical Polishing). As a method, copper wiring can be formed without using the dry etching process of copper.
하지만 구리 다마신 공정은 구리 배선 상에 보이드(void)가 발생하는 문제점을 가지고 있다. 보이드가 만들어지는 주된 이유는 배선 형성 후 이어지는 후속 열처리 공정에 의한 써멀 버짓(thermal budget)이 누적되어 야기되는 열응력 때문인 것으로 알려져 있다. 이와 같은 보이드는 구리 배선의 저항을 증가시키거나 심지어는 구리 배선을 단락시키는 등의 구리 배선의 신뢰성을 심각하게 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 구리 배선의 신뢰성을 향상시키기 위한 다양한 시도가 있어 왔다. However, the copper damascene process has a problem in that voids are generated on the copper wiring. It is known that the main reason for the voids is due to the thermal stress caused by the accumulation of thermal budget by the subsequent heat treatment process following the wiring formation. Such voids cause a serious decrease in the reliability of the copper wiring, such as increasing the resistance of the copper wiring or even shorting the copper wiring. Accordingly, various attempts have been made to improve the reliability of copper wiring.
도 1은 미국특허 제6,737,351호에 개시되어 있는 구리 배선의 신뢰성 향상 방법을 나타내는 도면이다. 도 1의 방법은 구리막에 잔존하는 과포화 상태의 원자 공공(vacancy)이 비아홀 패턴에 의해 응력의 집중이 발생하는 영역으로 응력 구배를 통해 확산되고 응집되어 보이드가 형성된다는 이론에 근거한 것으로서, 비아홀과 접하는 영역의 주변 부분을 최대한 차단하여 주변 영역으로부터의 원자 공공의 유입을 막아 보이드의 발생을 억제하는 방법이다. 도시한 바와 같이, 도 1의 방법은, 선폭이 큰 하층 패턴(110)과 그 상단으로 선폭이 좁은 상부패턴(120)이 형성되고 상하층의 전기적 연결을 위해 층간을 관통하는 비아홀(130)이 형성되어 있는 구조에서, 하부 패턴(110)의 비아홀(130)과 접하는 부분에서 나타나는 원자 공공(vacancy)의 확산에 의한 보이드의 발생을 최소화 하기 위하여 하부 패턴(110)의 비아홀(130)과 접하는 영역의 주변 부분을 최대한 차단하여 원자 공공의 유입을 억제할 수 있는 절연 버퍼부(150, 160)를 설치하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 도 1의 방법은 기본적으로 절연 버퍼부를 필요로 하기 때문에 배선 설계시 매뉴얼 작업이 필요하여 공정 자동화에 어려움이 있으며, 혹시 매뉴얼 작업에 의해 잘못된 패턴이 형성되어 사용하게 되는 경우 공정 시간 및 공정 비용을 높이는 문제점이 있다.1 is a view showing a method of improving the reliability of the copper wiring disclosed in US Patent No. 6,737,351. The method of FIG. 1 is based on the theory that the supersaturated atomic vacancy remaining in the copper film is diffused and aggregated through a stress gradient to a region where stress concentration is caused by a via hole pattern, thereby forming voids. It is a method of suppressing the generation of voids by blocking the inflow of the atomic vacancy from the peripheral area as much as possible by blocking the peripheral part of the contact area. As shown in FIG. 1, in the method of FIG. 1, a
도 2 역시 미국특허 제6,737,351호에 개시되어 있는 또 다른 구리 배선의 신뢰성 향상 방법을 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 도 2의 방법은 선폭이 작은 상부 패턴(120)에 두 개의 비아홀(130, 140)을 제작하고 두 개의 비아홀(130, 140)이 동시에 선폭이 큰 하부 패턴(110)과 접촉할 수 있도록 하여, 하나의 비아홀이 전기적으로 단락이 되어도 다른 남아 있는 비아홀을 통해 통전성이 유지될 수 있도록 하는 방법이다. 그러나, 도 2의 방법은 두 개의 비아홀을 형성하기 위한 공정상의 번거로움 등이 문제점으로 지적되고 있다.2 is also a view showing a method of improving the reliability of another copper wiring disclosed in US Patent No. 6,737,351. As shown in FIG. 2, the method of FIG. 2 manufactures two via
그 외에도 알루미늄 배선의 경우와 같이 구리 대신에 구리-알루미늄 합금을 배선 재료로 사용하는 방법도 제안되어 왔지만, 이 방법 역시 공정 비용이 증가하고 구리-알루미늄에 대한 CMP가 어렵고 배선 비저항이 커지는 문제점이 있다.In addition, a method of using a copper-aluminum alloy as a wiring material instead of copper, as in the case of aluminum wiring, has also been proposed, but this method also has a problem in that the process cost increases, CMP is difficult for copper-aluminum, and wiring resistivity becomes large. .
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구리 배선 상에 보이드의 형성을 억제하여 신뢰성이 높은 구리 배선을 제조할 수 있는 구리 다마신 형성 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a copper damascene formation method capable of producing a highly reliable copper wiring by suppressing the formation of voids on the copper wiring as a solution to the conventional problems as described above. have.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 구리 다마신 형성 방법은 트렌치를 형성하기 위하여 절연층을 선택적으로 식각하는 단계; 및 상기 트렌치에 구리를 채우는 단계를 포함하며, 상기 절연층을 선택적으로 식각하는 단계에서 식각되지 않은 일부 절연층이 상기 트렌치 상에 남아 있는 상태에서 상기 트렌치에 상기 구리를 채우는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the copper damascene forming method according to the present invention comprises the steps of selectively etching the insulating layer to form a trench; And filling copper in the trench, wherein the copper is filled in the trench with a portion of the non-etched insulating layer remaining on the trench in the selective etching of the insulating layer.
그리고, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 구리 다마신 형성 방법은 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 단계; 하부 트렌치를 형성하기 위하여 상기 제1 절연층을 선택적으로 식각하는 단계; 상기 하부 트렌치에 제1 구리층을 채우는 단계; 상기 제1 절연층 및 상기 제1 구리층 상에 제2 절연층을 형성하는 단계; 비아홀 및 상부 트렌치를 형성하기 위하여 상기 제2 절연층을 선택적으로 식각하는 단계; 및 상기 비아홀 및 상기 상부 트렌치 상에 제2 구리층을 채우는 단계를 포함하며, 상기 제1 절연층을 선택적으로 식각하는 단계에서 식각되지 않은 일부 절연층이 상기 하부 트렌치 상에 남아 있는 상태에서 상기 하부 트렌치에 상기 제1 구리층을 채우는 것을 특징으로 한다.And, in order to achieve the above object, the copper damascene forming method according to the present invention comprises the steps of forming a first insulating layer on the substrate; Selectively etching the first insulating layer to form a lower trench; Filling the lower trench with a first copper layer; Forming a second insulating layer on the first insulating layer and the first copper layer; Selectively etching the second insulating layer to form a via hole and an upper trench; And filling a second copper layer on the via hole and the upper trench, wherein the lower portion of the lower trench is left in the lower trench with a portion of the non-etched insulating layer remaining on the lower trench in the selective etching of the first insulating layer. The trench is filled with the first copper layer.
또한, 상기 제1 및 제2 구리층을 채우는 단계 이전에 장벽 금속(barrier metal)층과 시드(seed)층을 차례로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method may further include sequentially forming a barrier metal layer and a seed layer before filling the first and second copper layers.
상기 장벽 금속층은 Ta, TaN, TaAlN, TaSiN, TaSi2, Ti, TiN, WN, TiSiN 중의 어느 하나로 구성되는 단일층 또는 이들의 조합으로 구성되는 복수층으로 이루어질 수 있다.The barrier metal layer may be formed of a single layer composed of any one of Ta, TaN, TaAlN, TaSiN, TaSi2, Ti, TiN, WN, TiSiN, or a plurality of layers composed of a combination thereof.
상기 장벽 금속층의 두께는 50 내지 1,000Å 범위일 수 있다.The barrier metal layer may have a thickness in the range of 50 to 1,000
상기 시드층은 Cu, Pt, Au, Ag, Ni을 포함하는 금속 또는 이들의 합금일 수 있다.The seed layer may be a metal including Cu, Pt, Au, Ag, Ni, or an alloy thereof.
상기 시드층의 두께는 100 내지 5,000Å 범위일 수 있다.The seed layer may have a thickness in the range of 100 to 5,000 microns.
상기 제1 및 제2 구리층은 전기도금법을 이용하여 형성될 수 있다.The first and second copper layers may be formed using an electroplating method.
또한, 상기 제1 및 제2 구리층을 채우는 단계 이후에 상기 제1 및 제2 구리층의 일부를 CMP(Chemical Mechanical Polishing)로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include removing a portion of the first and second copper layers by chemical mechanical polishing (CMP) after the filling of the first and second copper layers.
또한, 상기 제1 및 제2 구리층의 일부를 CMP(Chemical Mechanical Polishing)로 제거하는 단계 이전에 상기 제1 및 제2 구리층을 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include annealing the first and second copper layers before removing a portion of the first and second copper layers by chemical mechanical polishing (CMP).
상기 제1 및 제2 구리층은 온도 100 내지 300℃, 시간 1 내지 3,600분 범위 내에서 어닐링할 수 있다.The first and second copper layers may be annealed at a temperature of 100 to 300 ° C. and for a time of 1 to 3,600 minutes.
상기 식각되지 않은 일부 절연층은 상기 비아홀 부근에 배치될 수 있다.The non-etched insulating layer may be disposed near the via hole.
상기 식각되지 않은 일부 절연층은 적어도 한 개 이상의 절연체 구조물을 포함하며, 상기 구조물은 상기 비아홀 주위의 일부를 둘러쌀 수 있다.The non-etched portion of the insulating layer may include at least one insulator structure, and the structure may surround a portion around the via hole.
상기 구조물은 상기 제1 구리층의 결정립이 소정의 방향으로 성장하는 것을 억제하는 역할을 할 수 있다.The structure may serve to suppress the growth of the crystal grains of the first copper layer in a predetermined direction.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명은 본 발명의 발명자가 구리 다마신 공정에서 구리 배선 상에 보이드가 발생되는 원인이 상술한 바와 같은 비아홀 패턴에 의한 응력 집중 현상에 의한 것이라기 보다는, 트렌치 내에서 구리 도금층이 성장할 때 구리 도금층의 결 정립의 삼중점이 형성되는 현상에 의한 것이라는 점을 착안하여 도출된 것이다. 다시 말하여, 본 발명자는 구리 도금층 성장시 형성되는 결정립의 삼중점이 보이드가 되고 이 보이드가 비아홀 내부에 놓여지게 되면 구리 배선의 결함이 발생하는 것으로 보고, 삼중점의 형성을 억제할 수 있다면 보이드의 발생 역시 억제할 수 있다는 점을 착안하여 본 발명에 이르게 된 것이다.First of all, the present inventors have found that the cause of voids on the copper wiring in the copper damascene process is not caused by the stress concentration phenomenon caused by the above-described via hole pattern, but when the copper plating layer is grown in the trench. This is derived from the idea that the triple point of grain size of the copper plating layer is formed. In other words, the present inventors regard that the triple point of the crystal grains formed during the growth of the copper plating layer becomes a void, and when the void is placed inside the via hole, defects in the copper wiring are generated, and generation of voids is possible if the formation of the triple point can be suppressed. The present invention has been made in view of the fact that it can be suppressed.
즉, 구리 다마신 공정을 통해 구리 배선을 형성하는 경우에는, 절연층을 선택 식각하여 트렌치를 만들고 구리 도금을 통해 트렌치를 채우게 되는데, 이때 도금 직후의 구리 결정립의 사이즈는 수십 nm 정도로 트렌치의 선폭에 따라 큰 차이가 없지만, 구리 도금층의 후속 열처리를 진행하게 되면 트렌치의 선폭에 따라 구리 결정립의 성장 거동이 달라져서, 그 결과 구리 결정립의 삼중점 형성 양상도 달라진다는 것이다. 여기서, 결정립의 삼중점이란 서로 다른 세 방향에서 성장해 온 결정립이 서로 만나는 부분을 말한다.That is, in the case of forming a copper wiring through a copper damascene process, the insulating layer is selectively etched to form a trench, and the trench is filled through copper plating. Although there is no significant difference, the subsequent heat treatment of the copper plated layer, the growth behavior of the copper grains varies depending on the line width of the trench, and as a result, the triple point formation of the copper grains is also changed. Here, the triple point of crystal grains means a portion where crystal grains which have grown in three different directions meet each other.
이에 더하여, 본 발명자는 선폭이 작은 트렌치 내에서 구리 도금층이 성장하는 경우에는 구리의 결정립 성장 방향이 특정 방향으로 제한을 받기 때문에 결정립의 삼중점이 형성되지 않아서 보이드의 발생이 어렵다는 점도 발견하였다. 즉, 구리 다마신 공정에서 선폭이 작은 트렌치와 비아홀이 만나는 부분에서는 보이드에 의한 배선 결함이 생기지 않는다는 점을 관찰할 수 있었다. In addition, the present inventors also found that when the copper plating layer grows in a trench having a small line width, the grain growth direction of the copper is limited in a specific direction, so that triple points of the crystal grains are not formed, so that generation of voids is difficult. That is, in the copper damascene process, it was observed that wiring defects caused by voids did not occur at the portion where the trench and the via hole having a small line width met.
이와 같은 결과는 종래의 알루미늄 배선 형성의 경우에 선폭이 작은 패턴과 비아홀이 만나는 부분에서 보이드에 의한 배선 결함이 많이 발생했던 것과는 상반된 결과이다. 이와 같이 반대의 결과가 나오는 데에는 두 가지 이유가 있다. 먼 저, 알루미늄 배선의 경우 물리적 기상 증착법에 의해 알루미늄층을 형성하고 이를 열처리하여 알루미늄 결정립을 성장시킨 다음에 패터닝을 하게 되므로, 기본적으로 알루미늄 결정립의 구조가 구리의 경우와는 달리 선폭의 크기에 영향을 받지 않기 때문이다. 또한, 배선 형성후 패시베이션(passivation) 처리를 하게 되는데 패시베이션에 의한 열응력이 선폭이 작은 패턴에서 더 잘 생기기 때문이다.This result is in contrast with that in the case of the conventional aluminum wiring formation, a large number of wiring defects caused by voids are generated at a portion where a pattern having a small line width and a via hole meet. There are two reasons for this opposite result. First, in the case of aluminum wiring, an aluminum layer is formed by physical vapor deposition and heat-treated to grow aluminum grains, and then patterned. Therefore, the structure of aluminum grains affects the size of line widths unlike copper. Because do not receive. In addition, the passivation process is performed after the wiring is formed because the thermal stress caused by the passivation is more likely to be generated in the pattern having the smaller line width.
상술한 바와 같은 구리 다마신 공정에서 보이드 성장의 메커니즘은 도 3 및 도 4와 같은 실험 결과를 통하여 확인할 수 있다.The mechanism of void growth in the copper damascene process as described above can be confirmed through experimental results as shown in FIGS. 3 and 4.
도 3a 및 도 3b는 구리 도금층의 결정 성장 거동을 관찰한 결과를 나타내는 도면이다. 구리 도금층의 결정 방위는 전자 후산란 회절도형(electron backscattered diffraction)을 분석함으로써 관찰할 수 있다. 도면에서 각각의 색깔은 결정의 수직 방향의 방위를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 붉은색은 {5 1 1}, 푸른색은 {1 1 1}, 군청색은 {5 7 13}에 해당하며, {5 1 1}에 대해 {1 1 1} 및 {5 7 13}은 각각 쌍정 결정립의 관계를 가지고 있다. 3A and 3B show the results of observing the crystal growth behavior of the copper plating layer. The crystal orientation of the copper plating layer can be observed by analyzing electron backscattered diffraction. Each color in the figure represents the orientation of the crystal in the vertical direction. As shown, red corresponds to {5 1 1}, blue corresponds to {1 1 1}, ultramarine blue corresponds to {5 7 13}, and {1 1 1} and {5 7 for {5 1 1} 13} each have a twin grain relationship.
도 3a 및 도 3b에서 I ~ VIII는 구리 도금층의 결정 성장 방향을 표시한 것으로서, 표 1에 I ~ VIII 방향에 대한 결정 방위를 측정한 결과를 나타내었다. 표 1에서 ND, GD, TD 및 TD'는 각각 성장 중인 결정립의 수직 방향(normal direction), 겉보기 성장 방향(apparent growth direction), 성장시 관찰된 횡단 방향(transverse direction), ND 및 GD에 의해 계산된 횡단 방향(calculated transverse direction)을 의미한다. 표 1에 표시한 바와 같이, 대부분의 경우에서 TD는 <1 1 0> 방향이고, 결정 성장 방향이 <1 1 1> 방향을 가정하면 해당 ND면에 전사되는 방향이 GD가 됨을 알 수 있는데, 이로써 결정 성장 방향이 <1 1 1> 임을 알 수 있다.In FIGS. 3A and 3B, I to VIII indicate crystal growth directions of the copper plating layer, and Table 1 shows the results of measuring crystal orientations in the I to VIII directions. In Table 1, ND, GD, TD and TD 'are calculated by the normal direction, the apparent growth direction, the transverse direction observed during growth, ND and GD, respectively It means a calculated transverse direction. As shown in Table 1, in most cases, the TD is in the <1 1 0> direction, and assuming that the crystal growth direction is the <1 1 1> direction, it can be seen that the direction transferred to the corresponding ND plane becomes GD. This indicates that the crystal growth direction is <1 1 1>.
[표 1]TABLE 1
이는 도 3c를 통하여 확인할 수 있다. 도 3c는 구리 결정의 ND면 방향이 <5 1 1>, <1 1 1>인 경우 이를 편의상 <1 0 0> 및 <1 1 1>로 가정하고, 나타날 수 있는 GD 및 TD를 나타낸 도면이다. 결정의 성장면이 <1 1 1> 방향으로 가정하였을 때 {1 0 0} 면에서는 <1 1 0>으로 결정 성장 방향으로 <1 1 1> 방향이 {1 0 0}면에 전사(projection)되어 나타나며, {1 1 1}면에서는 결정 성장 방향이 <1 1 2>로 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 두 경우에서 TD가 <1 1 0> 임을 알 수 있다.This can be confirmed through FIG. 3C. 3C is a diagram illustrating GD and TD that may appear when the ND plane directions of the copper crystals are <5 1 1> and <1 1 1>, for convenience, as <1 0 0> and <1 1 1>. . If the growth plane of the crystal is assumed to be in the <1 1 1> direction, it is <1 1 0> in the {1 0 0} plane, and the <1 1 1> direction in the crystal growth direction is in the {1 0 0} plane. In the {1 1 1} plane, it can be seen that the crystal growth direction is represented by <1 1 2>. Also, it can be seen that in both cases, the TD is <1 1 0>.
이상을 종합하여 볼 때, 구리 결정의 성장은 전체적으로 해당 결정립에서 <1 1 1> 방향을 향하여 진행하는 것으로 볼 수 있다. 특히, 쌍정 입계면이 발생하는 경우는 결정 성장 방향(<1 1 1> 방향)에 60도 회전 관계를 갖는 Σ3 쌍정 입계면이 형성되는 것을 관찰할 수 있었고, 이러한 쌍정 입계면을 통해 결정 성장이 이루어지는 경우 결정 성장의 진행 방향을 예측할 수 있다.Taken together, it can be seen that the growth of the copper crystal proceeds toward the <1 1 1> direction as a whole. In particular, when twin grain boundaries occur, it can be observed that Σ3 twin grain boundaries have a 60 degree rotational relationship in the crystal growth direction (<1 1 1> direction). If so, it can predict the direction of crystal growth.
도 4는 선폭이 큰 트렌치(10㎛ x 10㎛)에 구리 도금을 형성할 때 발생하는 보이드 주변의 미세조직을 관찰한 결과를 나타내는 도면이다. 도 4에서 맨 우측의 사진이 구리 도금층의 결정립 계면을 나타낸 것으로서, 이로부터 보이드 성장의 메커니즘을 확인할 수 있다. 이때, 검정색 선으로 표시된 부분이 결정립 계면이고 하얀색 선으로 표시된 부분이 쌍정 입계면이며, 쌍정 입계면에 수직으로 화살표(사진에서 하얀색 화살표)를 연결하면 구리 결정 성장의 과정을 추적하는 것이 가능하다.FIG. 4 is a view showing the results of observing the microstructure around the voids generated when copper plating is formed in trenches having a large line width (10 μm × 10 μm). 4 shows the grain interface of the copper plating layer on the far right, from which the mechanism of void growth can be confirmed. At this time, the portion indicated by the black line is the grain boundary interface and the portion indicated by the white line is the twin grain boundary surface, and it is possible to track the progress of copper crystal growth by connecting an arrow (white arrow in the photo) perpendicular to the twin grain boundary surface.
이와 같은 실험 결과로부터 결정립 계면은 서로 다른 방향에서 성장되어 온 결정립들이 만나는 부분에서 형성되고, 결정립 삼중점은 서로 다른 세 방향에서 성장되어 온 결정립이 만나는 부분에서 형성되며, 결정립 삼중점에서 보이드가 발생되는 것임을 알 수 있다(도 4의 맨 우측 사진에서 짙은 푸른색의 보이드 영역은 서로 다른 3 가지 방향의 하얀색 화살표가 만나는 지점임). 이상을 종합하여 볼 때, 특정한 방향으로의 구리 결정의 성장을 차단하게 되면 결정립 삼중점이 형성되는 것을 억제할 수 있어 그 결과 보이드의 발생 역시 억제할 수 있음을 예상할 수 있다.From these experimental results, the grain boundary is formed at the point where the grains that have been grown in different directions meet, and the grain triple point is formed where the grains which have been grown in three different directions meet, and the void is generated at the grain triple point. It can be seen (in the far right picture of FIG. 4, the dark blue void region is the point where the white arrows of three different directions meet). Taken together, it can be expected that when the growth of copper crystals in a specific direction is blocked, grain triplets can be suppressed, and as a result, generation of voids can also be suppressed.
도 5는 도 4의 실험 결과를 바탕으로 하는 결정립의 삼중점 형성 억제 모델을 나타내는 도면이다. 이 모델은 본 발명의 근간을 이루는 것으로서 기본적인 원리는 다음과 같다. 즉, 도 4로부터 알 수 있듯이, 특정한 방향으로의 구리 결정의 성장을 차단하게 되면 결정립 삼중점이 형성이 억제되므로, 구리 배선 형성시 특정한 방향으로의 구리 결정의 성장을 차단할 수 있는 구조물을 설치하게 되면 보이드의 발생을 억제할 수 있다는 것이다. 이때, 상기 구조물은 보이드 발생이 잘 되는 영역, 즉 구리 다마신 공정에서 보이드의 발생 확률이 높은 선폭이 큰 트렌치와 비아홀이 접하는 영역 부근에 설치하는 것이 바람직하다.FIG. 5 is a diagram illustrating a triple point formation inhibition model of grains based on the experimental results of FIG. 4. This model forms the basis of the present invention. The basic principle is as follows. That is, as can be seen from Figure 4, when the growth of the copper crystals in a particular direction is blocked, since the formation of grain triple point is suppressed, when the structure is formed to block the growth of copper crystals in a particular direction when forming the copper wiring It is possible to suppress the occurrence of voids. In this case, the structure is preferably installed in a region where voids occur well, that is, in a region where the trench and the via hole having a large line width having a high probability of void generation in the copper damascene process are in contact with each other.
이에 도 5는 비아홀 부근에 특정한 방향으로의 구리 결정의 성장을 차단할 수 있는 구조물의 설치 모델을 나타내고 있다. 5 shows a model for installing a structure that can block the growth of copper crystals in a specific direction near the via hole.
도 5a를 참조하면, 먼저 비아홀(230)의 사이즈를 직경 0.2㎛의 정사각형으로 가정하고(비아홀의 마스크의 실제 형상은 원이 아니고 정사각형임), 다시 이를 한 칸(210)으로 하여 바둑판과 같은 기본 프레임을 상정한다. 이어서, 비아홀이 접촉하는 부분을 기준으로 한 칸 정도 띄워, 3칸 정도 길이(예를 들어, 0.6㎛)를 갖는 차단 구조물(250)을 설치하면 비아홀(230)의 접촉 부분으로부터 차단 구조물(250)을 향하는 방향으로의 구리 결정 성장을 차단할 수 있게 되는 것이다. 한편, 차단 구조물의 재질은 전체적인 구리 다마신 공정을 감안할 때 실리콘 산화물과 같은 절연체로 하는 것이 바람직하며, 이에 대해서는 하기에서 상세하게 설명하도록 한다.Referring to FIG. 5A, first, the size of the via
보다 확실하게 특정 방향으로의 구리 성장을 억제하기 위해서는 차단 구조물의 개수 및 형태를 변경할 수 있다. 도 5b를 참조하면, 비아홀(230)을 기준으로 좌우측 2 개의 방향을 차단하는 두 개의 독립된 구조물(250)을 설치할 수 있다. 또한, 도 5c를 참조하면, 비아홀(230)을 기준으로 상측과 좌측 2개의 방향을 차단하는 한 개의 구조물(250)을 설치할 수 있다. 또한, 도 5d를 참조하면, 비아 홀(230)을 기준으로 상측과 좌우측 3 개의 방향을 차단하는 한 개의 구조물(250)을 설치할 수 있다. 이외에도 다양한 개수와 형태의 구조물을 비아홀 부근에 설치하여 특정 방향으로의 구리 성장을 억제할 수 있다.To more reliably inhibit copper growth in a particular direction, the number and shape of the barrier structures can be changed. Referring to FIG. 5B, two
도 6은 본 발명의 일시예에 따른 구리 다마신 형성 방법을 나타낸 도면으로서, 도 5에서 설명한 삼중점 형성 억제 모델을 구리 다마신 공정에 적용한 경우이다. 도시한 바와 같이, 본 실시예는 구리 다마신 공정 중 듀얼 다마신(dual damascene) 공정을 예로 들어 도 5의 모델을 적용한 경우이지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 싱글 다마신(single damascene) 공정에 적용하는 것도 가능하다. 듀얼 다마신 및 싱글 다마신 공정은 이미 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.FIG. 6 is a view illustrating a copper damascene formation method according to one embodiment of the present invention, in which the triple point formation suppression model described in FIG. 5 is applied to a copper damascene process. As shown, this embodiment is a case of applying the model of FIG. 5 by taking a dual damascene process of the copper damascene process as an example, but is not necessarily limited thereto and is applied to a single damascene process. It is also possible. Dual damascene and single damascene processes are well known in the art and thus a detailed description thereof will be omitted herein.
도 6a를 참조하면, 실리콘 웨이퍼 기판(310) 상에 제1 절연층(320)을 형성한다. 제1 절연층(320)에는 선폭이 큰 하부 트렌치가 형성된다. 제1 절연층(320)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6A, a first insulating
도 6b를 참조하면, 통상적인 포토 리소그래피 공정을 사용하여 제1 절연층(320)을 선택적으로 식각함으로써 제1 절연 패턴층(322)을 형성한다. 제1 패턴층(322)에 의해 선폭이 큰 하부 트렌치(324)가 만들어진다. 하부 트렌치(324)의 폭은 1㎛ 내지 100㎛로, 깊이는 0.1㎛ 내지 3㎛의 범위로 할 수 있다. 통상적인 포토 리소그래피 공정은 이미 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.Referring to FIG. 6B, the first
한편, 제1 절연층(320)을 선택적으로 식각하는 과정에서 상술한 바와 같은 특정 방향으로의 구리 성장을 억제할 수 있는 구조물(326)이 형성된다. 즉, 본 발명에서 구조물(326)은 하부 트렌치 형성 단계에서 하부 트렌치와 동시에 형성되므로, 구조물(326) 설치에 따라 추가적으로 부가되는 공정은 없다. 따라서, 구조물(326)의 재질은 제1 절연층(320) 및 제1 절연 패턴층(322)의 재질과 동일하게 되며, 구조물(326)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.Meanwhile, in the process of selectively etching the first insulating
도 6i는 도 6b의 단계를 마친 후의 하부 트렌치(324) 패턴에 대한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 하부 트렌치(324) 내에는 향후 비아홀이 형성될 위치를 기준으로 좌우 양측에 2 개의 독립된 구조물(326)이 설치되어 있으며, 이는 상술한 바 있는 도 5b의 모델을 적용한 경우에 해당한다.FIG. 6I is a top view of the
도 6c를 참조하면, 하부 트렌치(324)에 제1 구리층(330)을 채운다. 제1 구리층(330)은 전기도금(electroplating)법을 이용하여 형성할 수 있다. 제1 도금층(330)의 두께는 최소한 하부 트렌치(324)를 완전히 채우는 정도가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 도금층(330)의 두께는 하부 트렌치(324) 높이 이상이 되도록, 통상 하부 트렌치(324) 높이의 120 내지 150% 정도로 도금하는 것이 적절하다.Referring to FIG. 6C, a
한편, 하부 트렌치(324)에 제1 구리층(330)을 채우기 전에 하부 트렌치(324) 상에 장벽 금속(barrier metal; 미도시)층과 시드(seed; 미도시)층을 차례로 형성할 수 있다. 여기서, 장벽 금속층은 제1 구리층(330)의 구리 원자가 실리콘 웨이퍼 기판(310)으로 확산되는 현상을 방지하는 역할을 하고, 시드층은 전기도금법으로 제1 구리층(330)을 형성할 때 전극의 역할을 한다. 이때, 장벽 금속층은 Ta, TaN, TaAlN, TaSiN, TaSi2, Ti, TiN, WN, TiSiN 중의 어느 하나로 구성되는 단일층 또는 이들의 조합으로 구성되는 복수층으로 이루어질 수 있으며, 장벽 금속층의 두께는 50 내지 1,000Å 범위일 수 있다. 또한, 시드층은 Cu, Pt, Au, Ag, Ni을 포함하는 금속 또는 이들의 합금일 수 있으며, 시드층의 두께는 100 내지 5,000Å 범위일 수 있다. 또한, 장벽 금속층 및 시드층은 물리적 기상 증착법 또는 화학적 기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.Meanwhile, a barrier metal layer and a seed layer may be sequentially formed on the
도 6d를 참조하면, 불필요한 제1 구리층(330), 즉 하부 트렌치(322)의 높이를 초과하여 형성된 제1 구리층(330)을 제거한다. 제1 구리층(330)은 CMP(Chemical Mechanical Polishing)법을 이용하여 제거할 수 있다. 제1 구리층(330)의 제거 과정에서 제1 절연 패턴(322) 상에 형성되어 있는 장벽 금속층과 시드층을 같이 제거할 수 있다.Referring to FIG. 6D, the unnecessary
도 6j는 도 6d의 단계를 마친 후의 하부 트렌치(324) 패턴에 대한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 하부 트렌치(324) 내에는 향후 비아홀이 형성될 위치를 기준으로 좌우 양측에 2 개의 독립된 구조물(326)이 설치되어 있으며, 그 외의 하부 트렌치(3240) 공간에는 제1 금속층(330)이 채워져 있는 것을 알 수 있다.6J is a top view of the
한편, CMP를 이용하여 제1 구리층(330)을 제거하기 전에 제1 구리층(330)을 어닐링할 수 있다. 어닐링 온도는 100 내지 300℃, 어닐링 시간은 1 내지 3,600분 범위일 수 있다.Meanwhile, before removing the
도 6e를 참조하면, 제1 절연 패턴(322) 및 제1 구리층(330) 상에 제2 절연층(340)을 형성한다. 제2 절연층(340)에는 비아홀 및 선폭이 작은 상부 트렌치가 형성된다. 제2 절연층(340)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6E, a second insulating
도 6f를 참조하면, 통상적인 포토 리소그래피 공정을 사용하여 제2 절연층(340)을 선택적으로 식각함으로써 제2 절연 패턴층(342)을 형성한다. 제2 절연 패턴층(342)에 의해 비아홀(344) 및 선폭이 작은 상부 트렌치(346)가 만들어진다. 그 결과, 특정 방향으로의 구리 성장을 억제할 수 있는 구조물(326)은 비아홀(344) 부근에 배치되어 비아홀(344) 주위의 일부를 둘러싸게 된다. 비아홀(324)의 폭은 0.01㎛ 내지 0.5㎛로, 깊이는 0.1㎛ 내지 5㎛의 범위로 할 수 있다. 또한, 상부 트렌치(326)의 폭은 0.01㎛ 내지 100㎛로, 깊이는 0.1㎛ 내지 1㎛의 범위로 할 수 있다.Referring to FIG. 6F, the second
도 6g를 참조하면, 비아홀(324) 및 상부 트렌치(326)에 제2 구리층(350)을 채운다. 제2 구리층(350) 역시 전기도금법을 이용하여 형성할 수 있다. 제2 도금층(350)의 두께는 최소한 비아홀(324) 및 상부 트렌치(326)를 완전히 채우는 정도가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 따라서, 제2 도금층(350)의 두께는 상부 트렌치(326) 높이 이상이 되도록, 통상 상부 트렌치(326) 높이의 120 내지 150% 정도로 도금하는 것이 적절하다.Referring to FIG. 6G, the
도 6h를 참조하면, 불필요한 제2 구리층(330), 즉 상부 트렌치(346)의 높이를 초과하여 형성된 제2 구리층(350)을 제거한다. 제2 구리층(350) 역시 CMP법을 이용하여 제거할 수 있다. Referring to FIG. 6H, the unnecessary
한편, 제1 구리층(330)과 마찬가지로 제2 구리층(350) 역시 도 6g 단계 전에 장벽 금속층과 시드층을 형성할 수 있으며, 도 6h 단계 전에 제2 구리층(350)을 어 닐링할 수 있다. 장벽 금속층과 시드층 형성 조건 및 어닐링 조건은 제1 구리층의 경우와 동일하다. 아울러, 도 6h 단계에서 제2 절연 패턴(342) 상에 형성되어 있는 장벽 금속층과 시드층도 같이 제거할 수 있다.Meanwhile, like the
이로써 보이드 발생이 억제되는 구리 배선을 형성할 수 있는 구리 다마신 공정이 완성된다. 즉, 본 발명은 도금을 통해 트렌치 패턴에 채워진 구리층이 초기 미세 결정립(직경이 수십 nm 정도)에서 조대 결정립(직경이 수㎛ 이상)으로 성장을 할 때 비아홀과 연결되는 주변 부분에 설치된 구조물 패턴에 의해 구리 결정립의 재결정 성장 방향을 조절함으로써(즉, 특정 방향의 구리 결정립의 성장을 억제함으로써), 결정립계의 삼중점의 형성을 억제할 수 있도록 한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 구리 다마신 형성 방법은 구리 배선의 결함(보이드) 발생을 억제하여 구리 배선의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Thereby, the copper damascene process which can form the copper wiring by which void generation is suppressed is completed. That is, the present invention is a structure pattern installed in the peripheral portion connected to the via hole when the copper layer filled in the trench pattern through plating grows from the initial fine grain (about tens of nm in diameter) to coarse grain (diameter of several μm or more) By controlling the recrystallization growth direction of the copper crystal grains (that is, suppressing the growth of the copper crystal grains in a specific direction), it is possible to suppress the formation of the triple point of the grain boundary. Therefore, the copper damascene formation method which concerns on this invention can suppress the generation | occurrence | production of the defect (void) of a copper wiring, and can improve the reliability of a copper wiring.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been shown and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and various modifications made by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Modifications and variations are possible. Such modifications and variations are intended to fall within the scope of the invention and the appended claims.
본 발명에 따르면, 구리 다마신 형성시 구리 배선 상에 보이드가 발생하는 현상을 억제하여 신뢰성이 높은 구리 배선을 제조할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of suppressing a phenomenon in which voids are generated on a copper wiring when copper damascene is formed, thereby producing a highly reliable copper wiring.
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