KR19980032145A - 알루미늄 구리 합금의 화학기계적 연마시 구리 도금을 방지하는 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 장치의 표면에서 구리의 역도금(plating back)을 억제하는 억제제를 포함하는 화학기계적 연마(polishing)용 조성물이다. 억제제는 반도체 장치에의 알루미늄-구리 합금의 사용을 용이하게 한다.
Description
본 발명은 반도체 칩용 화학기계적 연마(polishing) 조성물, 더 구체적으로는 구리 및 구리 합금을 함유하는 금속의 화학기계적 연마를 위한 조성물 및 방법에 관한 것이다.
하나의 웨이퍼(wafer)상에서 다수의 반도체 칩이 만들어진다. 반도체 칩은 각각 금속 배선(wiring) 패턴에 의해 상호연결된 전도성 터미널(terminal)을 갖는 장치의 나열이다. 초고밀도 집적 회로(Very Large Scale Integration, VLSI)를 갖는 칩에서, 이러한 금속 배선 패턴은 다층상이다. 각 배선 층은 절연재 층에 의해 다른 전도층과 분리된다. 상이한 배선 층간의 상호연결은 절연재 층을 통해 에칭(etching)된 정공(바이아스, vias)을 통해 이루어진다.
VLSI 칩의 배선폭이 줄어들고 배선 층 수가 증가함에 따라, 각 층의 표면 불규칙층은 후속 층으로 옮겨져 각 후속 층의 표면이 훨씬 더 불규칙적으로 된다. 이러한 불규칙성은 불규칙 표면에 형성된 형태를 변형시켜 수평 정렬이 어려워진다. 일부 경우에, 이러한 변형이 심하여 의도하는 형태를 적절히 복제(인쇄)하거나 기존 수준에 수준을 일치시키는 것이 거의 불가능하게 된다. 표면 불규칙성을 감소시키는 한 방법은 전도성 물질로 바이아스를 충전시킨 후(즉, 바이아스에 스터드(stud)를 형성한 후), 표면에 배선 패턴을 인쇄하는 것이다. 그러나, 스터드를 사용한 후라도, 표면위의 도드라진 배선 형태는 여전히 후속 층 표면이 불규칙하도록 만든다. 따라서, 높은 치수 및 기하학적 정확도를 얻기 위해, 다양한 수준에서 거의 완벽하게 편평한 표면, 또는 평면을 생성하기 위해 사용되는 기법들이 개발되었다. 이들 기법들은 당해 분야에서 평탄화(planarization) 기법이라고 공지되어 있다.
이러한 평탄화 기법은 켐-메크 연마(chem-mech polishing) 또는 CMP로 공지된 화학기계적 연마법이다. CMP는 연마 입자를 함유하는 슬러리를 웨이퍼 표면에 적용한 후, 표면을 연마 패드로 연마하는 것을 포함한다. 슬러리중의 첨가제는 물질과 화학반응하고, 이를 연화시킬 수 있으며, 다음에 연화된 물질중 가장 높은 구조물(feature)을 연마 입자에 의해 제거한다.
배선은 종종 알루미늄 또는 그의 합금으로 이루어지는데, 이는 알루미늄의 낮은 전기저항성, 이산화규소에의 우수한 부착성, 패턴화의 용이성 및 고순도 때문이다. 알루미늄의 단점은 칩이 작동하는 동안 알루미늄의 전기이동(electomigration)이 일어난다는 것이다. 전기이동은 작동중에 발생한 전장에서 알루미늄이 확산됨으로써 초래된다. 전기이동은 전류에 의해 생성된 열로 인한 온도 구배에 의해 증가된다. 알루미늄 금속은 전기이동에 의해 얇아진 결과 완전히 분리되어, 회로에 개방구가 생긴다. 그 결과 칩이 손상된다. 이 문제는 VLSI에서 더 심각한데, 그 이유는 금속 선이 서로 더 긴밀하게 위치되도록 금속 선이 얇기 때문이다. 더 얇은 선은 넓은 선보다 빨리 분리되어 더 빨리 손상될 것이다.
알루미늄 구리 합금은 알루미늄의 전기이동에 의해 초래된 문제들중 일부를 최소화할 수 있는 선택이다. 불행하게도 CMP시, 구리 이온이 생성되어 연마 패드상에 축적됨과 동시에 웨이퍼 표면의 알루미늄 또는 다른 금속에 역도금(plating back)됨으로써 웨이퍼 표면을 불규칙스럽고 편평치 못하게 하며, CMP의 목적을 좌절시킨다. 재부착된 구리는 또한 바람직하지 않게 패턴 치수를 변화시키고, 웨이퍼의 구조물 사이에 가교를 형성하여 전류를 단락시키는 원인이 된다.
따라서, CMP시 구리의 역도금을 감소시키는 CMP 조성물 및 방법에 대한 요구가 크다.
본 발명은 표면에 구리 또는 구리-함유 합금을 포함하는, 웨이퍼와 같은 반도체 장치의 표면을 연마하기 위한 화학기계적 연마(CMP) 조성물 및 그 방법을 제공한다. 조성물은 연마시 제거된 구리가 표면에 역도금되는 것을 억제하는 구리 부착 억제제, 및 CMP 슬러리에 통상 존재하는 다른 성분을 포함한다. 억제제는 벤젠, 피리딘, 피라진, 벤조퀴논 및 멜라민 고리로 이루어진 그룹에서 선택된 방향족 6원 고리, 및 방향족 고리내에 있거나 이와 공액결합된 질소, 산소 및 황원자로 이루어진 그룹에서 선택된 2개 이상의 헤테로원자를 갖는 방향족 유기 화합물이다.
공정에서, 억제제-함유 CMP 조성물을 표면에 적용하고 표면을 연마한다.
본 발명의 다수의 다른 이점 및 특징은 바람직한 태양에 대한 하기의 상세한 설명 및 특허청구의 범위를 보면 쉽게 알 수 있을 것이다.
표면에 구리 또는 구리-함유 합금을 갖는 반도체 장치를 화학기계적으로 연마(CMP)하는데 적합한 조성물은 CMP하는 동안 표면에 구리가 역도금되는 것을 억제하는 구리 부착 억제제를 포함한다. 역도금이 억제되는 구리의 출처는 연마시 표면으로부터 제거되는 구리 또는 구리-함유 합금이다.
본원에 사용된 여러 문법적 형태의 반도체 장치란 용어는 불완전 및 완전 상태의 반도체 장치를 나타내며, 웨이퍼상에서 제조되고 있는 장치를 포함한다.
억제제는 벤젠, 피리딘, 피라진, 벤조퀴논 및 멜라민 고리로 이루어진 그룹에서 선택된 방향족 6원 고리, 및 방향족 고리내에 있거나 이와 공액결합된 질소, 산소 및 황원자로 이루어진 그룹에서 선택된 2개 이상의 헤테로원자를 갖는 방향족 유기 화합물이다. 조성물의 화학적 공격성은 질화, 산화 또는 커플링(coupling)과 같은 반응을 일으켜 다른 화합물을 형성하고, 이는 억제제를 화학적으로 변화시켜 조성물에 첨가될 때의 억제제와는 다른 화합물로 되게 한다. 이러한 화학적으로 변화된 억제제는 억제제란 용어 및 상술한 억제제에 포함되며, 단 화학적으로 변화된 억제제는 여전히 역도금을 억제할 수 있어야 한다.
억제제는 방향족 고리내에 있거나 이와 공액결합된 2개 이상의 헤테로원자를 갖는 방향족 고리 화합물인(헤테로방향족 고리를 비롯하여) 유기 화합물이다. 방향족 고리는 바람직하게는 벤젠 고리이지만, 또 다르게는 나프탈렌 고리 또는 피리딘, 피라진 또는 다른 헤테로방향족 고리일 수도 있다. 헤테로원자는 바람직하게는 방향족 고리와 공액결합된 전자쌍을 갖는 질소, 산소 또는 황원자이다.
헤테로원자는 아미노 또는 이미노 기, 하이드록실 기, 퀴논의 케토 기, 또는 헤테로환상 고리(예: 트리아졸, 티아졸 또는 티아디아졸 고리)의 일부일 수도 있다.
바람직하게는, 억제제는 헤테로환상 고리, 예컨대 5원의 헤테로환상 고리에 융합된 벤젠 또는 벤조 고리를 가지며, 예로서 구조식의 벤조트리아졸이 특히 효과적이다. 벤젠 핵이, 예컨대 하이드록실, 알콕시, 아미노, 니트로, 또는 알킬 기를 함유하는 치환된 벤조트리아졸 또한 할로-치환된 벤조트리아졸과 같이 효과가 있다. 사용가능한 다른 트리아졸 화합물로는 나프탈렌 트리아졸 및 나프탈렌 비스트리아졸이 있다.
구조식의 벤조푸록산 및 치환된 벤조푸록산(예: 니트로-, 하이드록시-, 알콕시-, 아미노-, 알킬- 또는 할로-벤조푸록산)도 억제제로 사용할 수 있다. 다른 억제제로는 구조식의 벤조티아디아졸, 치환된 벤조티아디아졸, 벤조티아졸 및 치환된 벤조티아졸이 있으며 여기에는 구조식의 벤조티아졸도 포함된다(여기에서, R은 수소이거나 또는 알킬, 하이드록시, 알콕시, 아미노, 머캅토, 알킬 설파이드 또는 다른 기, 예컨대 2-머캅토 벤조티아졸임). 구조식(여기에서, R은 전술한 벤조티아졸의 R과 같은 가변기임)의 벤즈이미다졸 및 치환된 벤즈이미다졸도 벤젠 고리에 치환체를 갖는 벤즈이미다졸과 같이 억제제이다. 구조식(여기에서, R은 전술한 벤조티아졸의 R과 같은 가변기임)의 벤족사졸, 치환된 벤족사졸, 및 핵치환된 벤족사졸도 이용가능한 억제제이다.
2개 이상의 치환기가 아미노, 니트로, 하이드록시 및 알콕시 기 중에서 선택되는 이치환 및 다치환된 벤젠이 적합한데, 그 예로서 o-페닐렌 디아민, o-아미노 페놀, m-페닐렌 디아민, 카테콜, 디니트로벤젠을 들 수 있다. 이와 유사하게, 이치환 및 다치환된 나프탈렌(예: 테트라아미노 나프탈렌)도 적합하다. o- 및 p-벤조퀴논 및 이들의 일아민 및 이아민이 적합하며, 방향족 고리 시스템에 하나 이상의 헤테로원자를 함유하는 헤테로방향족 화합물(예컨대, 헤테로치환된 피리딘, 피라진, 치환된 피라진 및 멜라민)도 적합하다.
헤테로 기 이외에, 방향족 고리는 알킬, 할로알킬, 하이드록시알킬, 아미노알킬, 알케닐, 아르알킬, 케토알킬, 카복시알킬, 알케닐, 아르알킬, 폴리옥시알킬렌, 포스포노알킬, 설포알킬 등을 비롯한 다양한 다른 기에 의해 치환될 수도 있다. 필수 방향족 핵이, 그 안에 존재하거나 그와 공액결합된 헤테로원자와 함께 존재한다면, 다른 단 하나의 필수적인 요건은 억제제가 바람직하게 조성물에 가용성이어야 한다는 것이다. 이것은 일반적으로 분자의 크기에 어떤 제한이 있음을 뜻한다. 억제제는 탄소원자 총 3개 내지 25개, 바람직하게는 4개 내지 20개, 가장 바람직하게는 5개 내지 18개, 전형적으로는 6개 내지 15개(예컨대, 6개 내지 10개)를 함유할 수 있다. 그러나, 당해 분야의 숙련자라면 이러한 규칙에 많은 예외가 있음을 분명히 알 것이다. 예를 들어, 폴리옥시알킬렌 화합물은 다양한 분자량으로 구할 수 있지만, 조성물에서는 더 작은 단위로 분해될 수도 있다. 일반적으로 알킬 또는 알콕시 치환체는 탄소원자 1개 내지 4개를 가지며, 그 예는 메틸, 메톡시, 에틸, 에톡시, 부틸 또는 부톡시 기이다.
대표적인 억제제 및 이들의 구조식은 다음과 같다:
억제제는 구조식(여기에서, X, Y 및 Z 원자들 중 하나 이상은 헤테로원자이고, 바람직하게는 질소 및/또는 황이고, 더 바람직하게는 X, Y 및 Z 중 하나 이상은 질소임)를 갖는 것으로 기술할 수 있다.
본 발명에 사용된 억제제의 예로는 고체인 벤조트리아졸, 벤조티아졸 및 벤즈이미다졸 화합물을 들 수 있다. 이들은 다음과 같은 유형의 이환상, 방향족, 질소함유 고리 구조를 갖는 유기 화합물이다:
이환상 고리 구조는 치환체가 억제제의 역도금 억제 특성을 간섭하지 않는 한 각종 치환체로 치환될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 실시에 유용한 전형적인 벤조트리아졸, 벤조티아졸 및 벤즈이미다졸 화합물로는 구조식[여기에서, R1, R2, R3, R4및 R5는 각각 독립적으로 수소원자 또는 알킬(예컨대, C1-C4알킬)임]; 구조식[여기에서, R6, R7, R8및 R9는 각각 독립적으로 수소원자 또는 알킬(예컨대, C1-C4알킬)이고, R10은 수소, 알킬(예컨대, C1-C4알킬), 또는 바람직하게는 --SH임]; 및 구조식[여기에서, R11, R12, R13, R14및 R15는 각각 독립적으로 수소원자 또는 알킬(예컨대, C1-C4알킬)이고, R16은 수소, 알킬(예컨대, C1-C4알킬), 또는 바람직하게는 --SH임]에 따른 화합물들을 포함한다.
바람직한 벤조트리아졸, 벤조티아졸 및 벤즈이미다졸 화합물의 예로는 벤조트리아졸, 토틸트리아졸, 2-머캅토벤조티아졸, 나트륨 톨릴트리아졸 및 나트륨 2-머캅토벤조티아졸, 2-머캅토벤즈이미다졸 및 나트륨 2-머캅토벤즈이미다졸이 있다.
바람직한 억제제는 하이드록시-, 아미노-, 이미노-, 카복시, 머캅토, 니트로- 및 알킬-치환된 벤조트리아졸(여기에서, 알킬 및 알콕시 치환체는 탄소원자 1개 내지 약 20개를 가짐)이다.
억제제는 구리의 역도금을 감소시키기에 유효한 양으로 존재하는데 역도금은 웨이퍼 표면을 불규칙적이고 편평하지 않게 만들며, 패턴 치수를 변화시키거나 또는 웨이퍼상의 구조물 사이에 가교를 형성한다. 바람직하게는, 억제제는 조성물에 조성물 1리터당 약 0.25 내지 약 5g의 양으로 존재한다.
조성물은 억제제외에 연마제, 물 등과 같은 다른 통상적인 성분을 포함하여 슬러리로 된다. 또한, 조성물은 산화제, pH 값을 조절할 수 있는 화합물(산, 염기 및 완충액) 및 계면활성제를 함유할 수도 있다. 조성물은 표면에 도포하기 전에는 구리가 실질적으로 없다.
통상적인 성분은 바람직하게는 다음과 같은 범위로 존재한다: 조성물의 전체 중량을 기준으로 약 5 내지 약 15중량%(wt%)의 연마제; 잔여량의 물(바람직하게는 증류수 또는 탈이온수).
억제제가 첨가될 수 있는 통상의 조성물은 후지미(Fujimi), 솔루션즈 테크날러지(Solutions Technology), 로델(Rodel), 캐보트 코포레이션(Cabot Corporation) 및 다른 회사로부터 각 회사의 상표명으로 구입할 수 있다.
공정에서는, 억제제를 표면에 적용하고 표면을 연마한다. 공정을 수행하기 위해 사용된 설비는 통상적인 것이다.
하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 제공한 것이지 제한하려는 것은 아니다.
실시예: 화학기계적 연마 조성물
본 발명의 화학기계적 연마 조성물은 벤조트리아졸 1g/ℓ, 실리카 7.5wt% 및 탈이온수를 조성물의 전체 중량을 이루는 양으로 적합한 용기에 혼합하면서 도입하여 실질적으로 균질한 조성물을 생성시킴으로써 제조할 수 있다.
이 조성물 및 방법에 의해 구리 또는 구리-함유 합금을 함유하는 금속을 포함하는 반도체 장치 표면을 CMP함으로써, 연마중에 표면으로부터 제거된 구리의 역도금을 최소화하거나 제거하고, 그와 연관된 문제들, 예를 들어 웨이퍼 표면의 불규칙화 및 비평탄화, 패턴 치수의 변화, 또는 웨이퍼상의 구조물간의 가교 형성을 최소화하거나 제거한다. 구리는 전형적으로 비교적 미량으로 존재하며, 다른 금속과 합금되거나 합금되지 않을 수 있다. 알루미늄-구리 합금을 반도체 장치에 사용하여 이들 두 금속의 이점을 이용하면서도 이들의 단점을 감소시킬 수 있다. 허용되지 않는 구리가 금속의 입자 경계에 존재할 수도 있다.
현재 전술한 이점은 억제제가 구리의 역도금에 대해 갖는 효과 때문에 얻어진다고 이론화하였다. 또한, 방법도 이점을 얻는데 기여한다고 이론화하였다.
본 조성물 및 방법은 특히 구리 또는 구리-함유 합금(예: 알루미늄 구리 합금)을 포함하는 반도체 장치의 층을 CMP하여 반도체 장치 표면을 평탄화함으로써 반도체 장치의 제조, 특히 상이한 층상에 있는 구조물들의 정렬을 용이하게 한다.
지금까지 상세하게 기술된 특정 태양에 의해 본 발명을 기술하였다. 그러나, 이들 태양은 예시의 목적으로 제시한 것이지 본 발명을 이들로 반드시 제한시키려는 것은 아니다. 당해 분야의 숙련자라면 본 개시내용으로부터 하기 특허청구범위의 요지 및 범주에 포함되는 변형 및 변화를 쉽게 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 반도체 장치 표면에의 구리의 역도금을 방지하는 억제제를 구리의 역도금을 억제하기에 유효한 양으로 포함하는 조성물을 사용하여, 구리 또는 구리-함유 합금을 함유하는 금속의 화학기계적 연마시 구리의 역도금을 감소시킨다.
Claims (14)
- 반도체 장치의 층 표면에의 구리의 역도금(plating back)을 방지하는 억제제를 구리의 역도금을 억제하기에 유효한 양으로 포함하는, 반도체 장치의 층 표면에 구리 또는 구리-함유 합금을 함유하는 금속의 화학기계적 연마(polishing)에 사용하기에 적합한 조성물.
- 제 1 항에 있어서,유효량의 억제제가 조성물 1리터당 약 0.25 내지 약 5g의 양인 조성물.
- 제 1 항에 있어서,억제제가 벤젠, 피리딘, 피라진, 벤조퀴논 및 멜라민 고리로 이루어진 그룹에서 선택된 방향족 6원 고리, 및 방향족 고리내에 있거나 이와 공액결합된 질소, 산소 및 황원자로 이루어진 그룹에서 선택된 2개 이상의 헤테로원자를 갖는 방향족 유기 화합물인 조성물.
- 제 1 항에 있어서,억제제가 하이드록시-, 아미노-, 이미노-, 카복시, 머캅토, 니트로- 및 알킬-치환된 벤조트리아졸(이 때, 알킬 및 알콕시 치환체는 탄소원자를 1개 내지 약 20개 가짐)로 이루어진 그룹에서 선택되는 조성물.
- 제 1 항에 있어서,억제제가 벤조트리아졸인 조성물.
- 제 5 항에 있어서,유효량의 벤조트리아졸이 조성물 1리터당 약 0.25 내지 약 5g의 양인 조성물.
- 제 1 항에 있어서,반도체 표면에 적용되기 전에는 구리를 실질적으로 포함하고 있지 않는 조성물.
- 제 1 항에 따른 조성물을 사용하여 제조한 반도체 장치.
- 반도체 표면으로의 구리의 역도금을 억제하기에 유효한 양의 벤조트리아졸을 포함하는, 반도체 장치의 표면의 구리 또는 구리-함유 합금의 화학기계적 연마에 사용하기에 적합한 조성물.
- 제 9 항에 있어서,유효량의 벤조트리아졸이 조성물 1리터당 약 0.25 내지 약 5g의 양인 조성물.
- 벤젠, 피리딘, 피라진, 벤조퀴논 및 멜라민 고리로 이루어진 그룹에서 선택된 방향족 6원 고리, 및 방향족 고리내에 있거나 이와 공액결합된 질소, 산소 및 황원자로 이루어진 그룹에서 선택된 2개 이상의 헤테로원자를 갖는 방향족 유기 화합물인, 조성물중의 구리 부착 억제제를 반도체 표면에 적용하는 단계; 및 억제제를 갖는 반도체 표면을 연마하는 단계를 포함하는, 반도체 장치 표면에 구리 또는 구리-함유 합금을 함유하는 금속을 화학기계적으로 연마하는 방법.
- 제 11 항에 있어서,억제제가 조성물 1리터당 약 0.25 내지 약 5g의 억제제를 포함하는 조성물중에 있는 방법.
- 제 11 항에 있어서,억제제가 벤조트리아졸인 방법.
- 제 11 항에 따른 방법을 사용하여 제조한 반도체 장치.
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