KR101204666B1 - 웨이퍼 구리 도금 장비 및 방법 - Google Patents

Abstract

전해질이 담길 용기와, 용기 상측을 닫고 전해질에 대면되게 웨이퍼를 도입하는 천정부, 웨이퍼에 대면되게 도입되는 구리 애노드(anode), 및 용기의 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 분리하게 도입되고, 용기 내에 공급되는 전해질이 용기 내에서 차올라 웨이퍼의 중앙부에서부터 접촉하게 중앙부부터 열어주는 조리개부를 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비 및 이를 이용한 도금 방법을 제시한다.

Description

웨이퍼 구리 도금 장비 및 방법{Method and apparatus for plating Cu layer on wafer}

본 발명은 반도체 소자 기술에 관한 것으로, 특히, 웨이퍼(wafer)에 구리를 도금하는 장비 및 방법에 관한 것이다.

반도체 소자를 구성하는 회로 패턴들이 미세화되고, 반도체 소자의 동작이 고속화됨에 따라, 구리 배선의 적용이 점차 증가하고 있다. 메모리(memory) 반도체 소자 또는 비메모리 반도체 소자에 구리 배선이 채용됨에 따라, 반도체 소자가 집적되는 웨이퍼 상에 구리를 전기 도금하는 장비 및 방법의 개발에 많은 노력이 이루어지고 있다.

전기 도금법으로 구리 박층을 웨이퍼에 도포하기 위해서, 구리를 함유하고 있는 전해질 속에 웨이퍼 표면을 접촉시켜야 한다. 이때 웨이퍼 표면에 균일하게 전해질이 닿지 않으면, 표면의 오염 등에 기인한 구리층 내 결함 또는 불량 현상들이 유발되게 된다. 이를 억제하기 위해서 웨이퍼를 전해질에 접촉시킬 때, 웨이퍼를 회전하면서 또는 웨이퍼를 기울이면서, 또는 웨이퍼 표면을 탈이온수(DIW) 등으로 세정하면서, 웨이퍼를 전해질에 접촉시키는 방법들이 고려될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 웨이퍼와 전해질 용액이 접촉하는 초기 시점에 발생하는 기포 또는 이물질 등에 기인한 결함들이 관측되고 있다. 이러한 결함들은 구리층 내에 유발될 수 있으며, 스월 결함(swirl defect) 또는 피트 라인(line of pit)으로 알려져 있다. 따라서, 이러한 결함들의 발생을 억제하며 웨이퍼 상에 구리층을 전기 도금하는 방법 및 이에 이용될 장비의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 웨이퍼 상에 구리층을 도금할 때, 구리층 내의 결함 발생을 억제할 수 있는 도금 장비 및 방법을 제시하고자 한다.

본 발명의 일 관점은, 전해질이 담길 용기; 상기 용기 상측을 닫고 상기 전해질에 대면되게 웨이퍼를 도입하는 천정부; 상기 웨이퍼에 대면되게 도입되는 구리 애노드(anode); 및 상기 용기의 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 분리하게 도입되고, 상기 용기 내에 공급되는 상기 전해질이 상기 용기 내에서 차올라 상기 웨이퍼의 중앙부에서부터 접촉하게 중앙부부터 열어주는 조리개부를 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비를 제시한다.

상기 웨이퍼를 회전시키는 회전부를 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비를 제시한다.

상기 용기의 바닥을 관통하여 상기 전해질이 바닥에서 상기 천정부 방향으로 공급되게 하는 전해질 공급관을 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비를 제시한다.

상기 용기의 하부 공간에 대응되는 상기 용기의 측벽 부분을 관통하여 도입되어 상기 전해질을 배출하는 제1드레인 포트(drain port); 및 상기 제1드레인 포트 상측에 상기 상부 공간에 대응되는 상기 용기의 측벽 부분을 관통하여 도입된 제2드레인 포트를 더 포함하고, 상기 제1드레인 포트는 상기 조리개부가 조여져 상기 하부 공간과 상기 상부 공간이 분리된 상태에서 상기 하부 공간에 공급된 상기 전해질을 배출하고, 상기 제2드레인 포트는 상기 조리개부가 열려 상기 하부 공간과 상기 상부 공간이 교통된 상태에서 상기 상부 공간에까지 공급된 상기 전해질을 배출하는 웨이퍼 구리 도금 장비를 제시한다.

상기 용기의 상부 공간에 대응되게 도입되어 상기 웨이퍼의 표면을 세정하는 세정액을 제공하는 세정액 공급관을 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비를 제시한다.

상기 용기의 하부 공간 내에 도입되어 상기 구리 애노드와 상기 웨이퍼 사이를 분리하는 멤브레인(membrane)을 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비를 제시한다.

본 발명의 다른 일 관점은, 상기 웨이퍼 구리 도금 장비의 상기 조리개부를 조여 상기 용기의 상부 공간과 하부 공간을 차단시키는 단계; 상기 용기의 하부 공간 내에 전해질을 채우는 단계; 상기 웨이퍼를 상기 천정부에 장착하여 도입하는 단계; 상기 조리개부를 중앙부부터 일부 열어주어 상기 전해질이 상기 상부 공간으로 차올라 상기 웨이퍼의 중앙부에 먼저 접촉하게 하는 단계; 상기 전해질이 상기 웨이퍼 표면 전체에 접촉하게 상기 조리개부를 더 열어주는 단계; 및 상기 전해질이 상기 용기의 상부 공간을 채워 상기 웨이퍼의 표면 전체와 접촉한 이후에 상기 구리 애노드에 전압을 인가하여 상기 웨이퍼 표면에 구리층을 도금하는 단계를 포함하는 웨이퍼 구리 도금 방법을 제시한다.

상기 조리개부가 조여진 상태에서 상기 웨이퍼를 1rpm 내지 1000rpm으로 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 조리개부가 조여진 상태에서 상기 웨이퍼 표면에 세정액을 제공하여 세정하는 단계; 및 상기 제공된 세정액을 상기 상부 공간으로부터 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 웨이퍼 상에 구리층을 도금할 때 구리층 내의 결함 발생을 억제할 수 있는 도금 장비 및 방법을 제시할 수 있다.

도 1 내지 3은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 구리 도금 장비를 보여주는 도면들이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 구리 도금 방법을 보여주는 도면들이다.

본 발명의 실시예는 구리층을 웨이퍼 상에 도금할 때, 구리층 내에 결함이 유발되는 것을 억제할 수 있는 도금 장비 및 방법을 제시한다. 스월 결함 또는 피트 라인으로 알려진 구리층 내의 결함은, 발생된 결함들은 웨이퍼 가장자리로부터 중심쪽으로 원호 형상을 이루며 배열되는 것으로 관측되고 있다. 이러한 관측 결과로부터 구리층 내에 발생된 결함은, 웨이퍼가 전해질에 접촉할 때 웨이퍼의 가장자리(edge)에 존재할 수 있는 결함 소스(source), 예컨대, 기포, 파티클(particle)이나 이물질이 웨이퍼 외부로 제거되지 못하고, 도금 중에 점차 점차 웨이퍼 중심으로 옮겨가면서 발생되는 현상으로 해석될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 도금 초기에 웨이퍼의 중심에 우선적으로 전해질을 접촉시키고 연후에 순차적으로 가장자리쪽으로 전해질이 점차 접촉되게 함으로써, 기포 또는 이물과 같은 결함 소스들을 중심으로부터 가장자리 바깥 외부로 이동되게 유도한다. 이에 따라, 도금 과정에서 결함을 유발할 수 있는 결함 소스가, 도금 초기에 웨이퍼 외부로 제거될 수 있어, 구리 도금층 내에 결함이 유발되는 것을 유효하게 억제할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 구리 도금 장비는, 구리 도금 과정이 진행될 공정 용기(100) 및 공정 용기(100) 상측을 닫고 웨이퍼(200)를 도입하는 천정부(101)를 포함하여 구성된다. 용기(100)에는 구리 도금을 위한 전해질(102)이 담기고, 전해질(102)에 구리층이 형성될 표면이 대면되게 웨이퍼(200)가 장착된다. 도금 중 웨이퍼(200)를 1rpm 내지 1000rpm으로 회전시키기 위해서, 장착된 웨이퍼(200)를 회전시키는 회전부(210)를 더 포함할 수 있다. 용기(100) 내로 전해질(102)을 제공하기 위해서 전해질 공급관(140)이 용기(100) 바닥(103)을 관통하게 도입된다. 공정 용기(100)의 바닥(103)에는 웨이퍼(200)에 대면되게 구리 애노드(Cu anode: 130)가 도입된다. 구리 애노드(130)와 웨이퍼(200) 사이에 전압이 인가되고, 전해질(102)을 매개로 구리가 웨이퍼(200) 표면에 도금되게 된다. 이때, 전해질(102) 내에는 전해질의 이동되는 멤브레인(membrane: 150)이 도입된다.

공정 용기(100)의 내부 공간을 하부 공간(110) 및 상부 공간(120)으로 분리하게 조리개부(160)가 도입된다. 조리개부(160)는 도 2 및 도 3에 제시된 바와 같이, 카메라(camera)의 조리개와 같이 개폐 작동을 하게 구성된다. 조리개부(160)는다수 개의 조리개 낱장(plate: 161)들이 겹쳐지게 구성될 수 있다. 즉, 조리개 낱장(161)들은 도 2에 제시된 바와 같이, 조리개부(160)가 조임 상태일 때 중앙부에 모여 상부 공간(120)과 하부 공간(110)을 차단한다. 또한, 도 3에 제시된 바와 같이, 조리개부(160)가 열린 상태일 때, 중앙부부터 외측 가장자리부로 열려 열린 공간(163)이 중앙부로부터 원주 방향으로 점차 커지게 한다. 이와 같은 조리개부(160)의 구성은 카메라 조리개와 유사하게 구성될 수 있으며, 각각의 조리개 낱장(161)은 반원형 판재로 구성되고, 하나의 고정축을 중심으로 수평 방향으로 낱장(161)이 이동하여 조리개부(160)의 조임 작용 및 열림 작용을 구현하게 된다.

조리개부(160)에 의해서 구분되는 용기(100) 내의 하부 공간(110)에 대응되는 용기(100)의 측벽(105) 부분에 제1드레인 포트(drain port: 171)가 관통하게 도입된다. 전해질 공급관(140)으로 공급된 전해질(102)이 조리개부(160)가 닫혀 격리된 하부 공간(110) 내에서만 순환되도록, 제1드레인 포트(171)를 통해 전해질(102)이 배출된다. 하부 공간(110)은 조리개부(160)에 의해 고립된 상태이므로, 전해질(102)은 제1드레인 포트(171)를 통해서만 배출되며, 하부 공간(110)에서 순환하게 된다. 제1드레인 포트(171) 상측에 상부 공간(120)에 대응되는 용기(100)의 측벽(105) 부분에 제2드레인 포트(173)가 도입된다. 조리개부(160)가 열려 전해질(102)이 상부 공간(120)으로 차오르게 될 때, 즉, 상부 공간(120)과 하부 공간(110)이 교통되어 전해질(102)이 웨이퍼(200) 표면에 접촉하게 될 때, 전해질(102)은 내부 공간(110, 120) 전체에 순환되고, 제2드레인 포트(173)을 통해 배출된다.

한편, 도금 전 웨이퍼(200)의 표면 세정을 위한 세정액을 공급하는 세정액 공급관(172)이, 상부 공간(120)에 대응되는 용기(100)의 측벽(105)을 관통하게 도입될 수 있다. 세정액 공급관(172)을 통해 탈이온수 또는 황산, 과산화수소수, 질산 등을 포함하는 세정액이 상부 공간(120)으로 제공되어, 도금전 웨이퍼(200) 표면 세정을 수행한다. 이러한 도금 전 세정에 의해서, 웨이퍼(200) 표면에의 도금 불량을 억제할 수 있다. 도금 전 세정은 웨이퍼(200) 표면의 이물질을 제거하고, 웨이퍼(200) 표면에 전해질(102)이 보다 잘 접촉할 수 있게 표면을 개질하는 역할을 한다. 이때, 조리개부(160)는 조인 상태, 즉, 닫힌 상태로 상부 공간(120)과 하부 공간(110)은 분리 또는 격리된 상태이므로, 세정액은 상부 공간(120)에만 유입되고 제2드레인 포트(173)을 통해 외부로 배출되게 된다. 따라서, 세정액이 하부의 전해질(102)은 혼입되는 것을 억제할 수 있어, 세정액 혼입에 따른 전해질(102)의 열화 또는 전해질 농도 변화 등을 억제할 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 구리 도금 방법은, 먼저, 조리개부(160)를 조여 용기(100)의 상부 공간(120)과 하부 공간(110)을 차단 격리시킨다. 용기(100)의 하부 공간(110) 내에 전해질(102)을 공급하여 채운다. 이때, 채워진 전해질(102)은 제1드레인 포트(171)로만 배출되어 순환되게 된다. 하부 공간(110) 내에만 전해질(102)이 순환되게 준비 단계를 수행한 후, 도금될 웨이퍼(200)를 천정부(200)에 장착한다. 균일한 도금을 위해 회전부(210)를 통해 웨이퍼(200)를 1rpm 내지 1000rpm 정도 회전시킨다.

도 5를 참조하면, 웨이퍼(200)가 회전하는 상태에서 조리개부(160)를 열어준다. 조리개부(160)를 중앙부부터 일부 열어주면, 열린 통로로 하부 공간(110)으로부터 상부 공간(120)으로 전해질(102)이 차오르게 된다. 이때, 열린 공간이 조리개부(160)의 중앙부에 국한되므로, 상부 공간(102)으로 올라온 전해질 부분(106)은 조리개부(160)의 중앙부에 대응되는 웨이퍼(200) 중앙부에 먼저 접촉하게 된다. 이때, 웨이퍼(200) 표면에는 세정에도 불구하고 이물질이 존재할 수 있고, 또한, 웨이퍼(200) 표면과 전해질(102)의 초기 접촉에 의해 유발되는 기포가 존재할 수 있다.

도 6을 참조하면, 조리개부(160)을 좀 더 열어주면 웨이퍼(200)의 표면에 접촉하는 전해질 부분(108)은 웨이퍼(200) 중심으로부터 가장자리 방향으로 확장되게 된다. 조리개부(160)의 열린 공간이 점차 확장되면서 전해질 부분(108)이 점차 웨이퍼(200) 가장자리 부분 방향으로 확장되며 접촉하게 된다. 웨이퍼(200)의 회전과 전해질 부분(108)의 확장에 의해 초기 접촉 시 유발되는 기포나 이물질은 웨이퍼(200) 중앙부로부터 가장자리 방향으로 이동되게 된다.

도 7을 참조하면, 조리개부(160)을 완전히 열어 전해질(102)이 용기(100)의 상부 공간(120)을 완전히 채우게 한다. 이에 따라, 웨이퍼(200)의 표면 전체에 전해질(102)이 확장되어 접촉되게 된다. 전해질(102)의 초기 접촉 시 유발된 기포나 이물질은 접촉 부분의 확장에 따라 웨이퍼(200)의 가장자리 바깥 외부로 이탈 제거되므로, 웨이퍼(200) 표면은 기포나 이물질과 같은 결함 소스가 제거된 깨끗한 상태에서 전해질(102)과 접촉 상태를 유지하게 된다.

이후에, 구리 애노드(130)와 웨이퍼(200)에 전압을 인가하면, 전해질(102)을 매개로 구리 이온의 이동 및 도금에 의해서 웨이퍼(200) 상에 구리층이 전기 도금된다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 구리 도금 장비 및 이를 이용한 도금 방법은, 전기 도금 시 발생되는 결함을 유효하게 억제할 수 있다. 또한, 웨이퍼 구리 도금 장비의 용기(100) 내에서 웨이퍼(200) 표면의 세정을 수행할 수 있어, 결함을 보다 유효하게 억제할 수 있다. 이때, 웨이퍼(200) 표면의 세정에도 불구하고, 조리개부(160)에 의해 차단 고립된 용기(100)의 하부 공간(110)에만 전해질(102)이 준비되고, 세정액은 상부 공간(120)에서만 유입되고 배출되므로, 세정액과 전해질(102)의 혼입을 유효하게 억제할 수 있다. 따라서, 세정액과 전해질(102)의 혼입에 따른 전해질(102)의 열화 및 이에 따른 도금 불량을 유효하게 억제할 수 있다.

100...용기 110...하부 공간
120...상부 공간 130...구리 애노드
150...멤브레인 160...조리개부
200...웨이퍼

Claims (9)

1. 전해질이 담길 용기;
   상기 용기 상측을 닫고 상기 전해질에 대면되게 웨이퍼를 도입하는 천정부;
   상기 웨이퍼에 대면되게 도입되는 구리 애노드(anode);
   상기 용기의 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 분리하게 도입되고, 상기 용기 내에 공급되는 상기 전해질이 상기 용기 내에서 차올라 상기 웨이퍼의 중앙부에서부터 접촉하게 중앙부부터 열어주는 조리개부;
   상기 용기의 하부 공간에 대응되는 상기 용기의 측벽 부분을 관통하여 도입되어 상기 전해질을 배출하는 제1드레인 포트(drain port); 및
   상기 제1드레인 포트 상측에 상기 상부 공간에 대응되는 상기 용기의 측벽 부분을 관통하여 도입된 제2드레인 포트를 포함하고,
   상기 제1드레인 포트는 상기 조리개부가 조여져 상기 하부 공간과 상기 상부 공간이 분리된 상태에서 상기 하부 공간에 공급된 상기 전해질을 배출하고,
   상기 제2드레인 포트는 상기 조리개부가 열려 상기 하부 공간과 상기 상부 공간이 교통된 상태에서 상기 상부 공간에까지 공급된 상기 전해질을 배출하는 웨이퍼 구리 도금 장비.
   
2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 웨이퍼를 회전시키는 회전부를 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비.
   
3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 용기의 바닥을 관통하여 상기 전해질이 바닥에서 상기 천정부 방향으로 공급되게 하는 전해질 공급관을 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비.
   
4. 삭제
5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 용기의 상부 공간에 대응되게 도입되어 상기 웨이퍼의 표면을 세정하는 세정액을 제공하는 세정액 공급관을 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비.
   
6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 용기의 하부 공간 내에 도입되어 상기 구리 애노드와 상기 웨이퍼 사이를 분리하는 멤브레인(membrane)을 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비.
7. 전해질이 담길 용기, 상기 용기 상측을 닫고 상기 전해질에 대면되게 웨이퍼를 도입하는 천정부, 상기 웨이퍼에 대면되게 도입되는 구리 애노드(anode), 상기 용기의 내부 공간을 상부 공간 및 하부 공간으로 분리하게 도입되는 조리개부, 상기 용기의 하부 공간에 대응되는 상기 용기의 측벽 부분을 관통하여 도입되어 상기 전해질을 배출하는 제1드레인 포트(drain port); 및 상기 제1드레인 포트 상측에 상기 상부 공간에 대응되는 상기 용기의 측벽 부분을 관통하여 도입된 제2드레인 포트를 포함하는 웨이퍼 구리 도금 장비의
   상기 조리개부를 조여 상기 용기의 상부 공간과 하부 공간을 차단시키는 단계;
   상기 용기의 하부 공간 내에 전해질을 채우는 단계;
   상기 웨이퍼를 상기 천정부에 장착하여 도입하는 단계;
   상기 조리개부를 중앙부부터 일부 열어주어 상기 전해질이 상기 상부 공간으로 차올라 상기 웨이퍼의 중앙부에 먼저 접촉하게 하는 단계;
   상기 전해질이 상기 웨이퍼 표면 전체에 접촉하게 상기 조리개부를 더 열어주는 단계;
   상기 전해질이 상기 용기의 상부 공간을 채워 상기 웨이퍼의 표면 전체와 접촉한 이후에 상기 구리 애노드에 전압을 인가하여 상기 웨이퍼 표면에 구리층을 도금하는 단계; 및
   상기 제1드레인 포트로 상기 조리개부가 조여져 상기 하부 공간과 상기 상부 공간이 분리된 상태에서 상기 하부 공간에 공급된 상기 전해질을 배출하고,
   상기 제2드레인 포트로 상기 조리개부가 열려 상기 하부 공간과 상기 상부 공간이 교통된 상태에서 상기 상부 공간에까지 공급된 상기 전해질을 배출하는 단계를 포함하는 웨이퍼 구리 도금 방법.
   
8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제7항에 있어서,
   상기 조리개부가 조여진 상태에서 상기 웨이퍼를 1rpm 내지 1000rpm으로 회전시키는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 방법.
   
9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제7항에 있어서,
   상기 조리개부가 조여진 상태에서 상기 웨이퍼 표면에 세정액을 제공하여 세정하는 단계; 및
   상기 제공된 세정액을 상기 상부 공간으로부터 배출하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 구리 도금 방법.

Images