KR20000044860A

KR20000044860A - 구리 박막의 화학기계적 연마 방법

Info

Publication number: KR20000044860A
Application number: KR1019980061363A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 박상균
Original assignee: 김영환; 현대전자산업 주식회사
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2000-07-15
Also published as: KR100549332B1

Abstract

본 발명은 다마신(damascene) 공정으로 구리 금속 배선을 형성할 때, 구리 박막의 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 방법에 관한 것으로, 비아 콘택홀 및 트렌치를 갖는 다마신 패턴이 매립되도록 구리 박막이 증착된 웨이퍼가 제공되고, 구리 박막에 양(+)의 전류를 인가하기 위한 전극이 구비되고, 슬러리(slurry)에 음(-)의 전류를 인가하기 위해 연마 패드에 전극이 구비되고, 증착된 구리 박막의 표면이 연마 패드 위의 슬러리에 접촉한 상태에서 구리 박막에 양(+)의 전류를, 연마 패드를 통해 슬러리에 음(-)의 전류를 인위적으로 인가하여 화학기계적 연마 공정을 수행하고, 화학기계적 연마 공정으로 구리 박막을 연마한 후 기계적 연마를 중지하고 단지 전해연마에 의해 표면 마무리 작업을 하고, 이후 세정 공정을 거쳐 구리 금속 배선을 형성하므로써, 구리 박막의 화학적 연마 특성이 증대되어 결국 화학기계적 연마 공정에서 구리 박막의 연마 속도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구리 박막 위의 미세한 돌출부위를 선택적으로 먼저 용해시킬 수 있어 슬러리 연마제에 의해 발생하는 표면 거칠기(scratch)와 같은 결함들을 추가적으로 제거할 수 있는 구리 박막의 화학기계적 연마 방법에 관하여 기술된다.

Description

구리 박막의 화학기계적 연마 방법

본 발명은 다마신(damascene) 공정으로 구리 금속 배선을 형성할 적용되는 구리 박막의 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 방법에 관한 것으로, 특히 구리 박막과 슬러리(slurry) 사이에 전류를 인위적으로 인가하는 전해연마법으로 구리 박막을 연마하므로써, 구리 박막의 연마 속도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구리 박막 위의 미세한 돌출부위를 선택적으로 먼저 용해시킬 수 있어 슬러리 연마제에 의해 발생하는 표면 긁힘(scratch)과 같은 결함들을 추가적으로 제거할 수 있는 구리 박막의 화학기계적 연마 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 소자가 고집적화, 고속화 되어감에 따라 금속 배선 재료로 구리가 널리 사용되고 있으며, 구리를 사용한 금속 배선 형성시 다마신(damascene) 기술 및 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 기술을 이용하고 있다. 이러한 화학기계적 연마 기술을 이용하여 구리다층배선(Cu multilevel interconnect)을 형성하는 공정은 층간 절연막에 비아 콘택홀 및 트렌치로 된 다마신 패턴을 형성한 다음, 배리어 메탈층과 구리 박막을 증착하고, 이후, 화학기계적 연마 공정을 통해 층간 절연막 상부에 있는 모든 금속 박막을 제거하는 방법으로 이루어진다. 현재 개발중인 구리 화학기계적 연마용 슬러리는 pH 범위가 슬러리 제조사에 따라 산성, 중성, 알칼리성에 이르기까지 다양하다. 그러나, 일반적으로 구리는 타 금속에 비하여 전 pH 영역에서 비교적 안정하고, 특히 중성과 알칼리성 범위의 수용액에서는 다양한 형태의 부동태 피막이 형성되어 구리 용해에 의한 연마 속도가 현저히 감소하게 되고, 층간 절연막이 드러났을 때 슬러리의 OH^-이온과 산화막의 수산화물(hydrate) 반응에 의해 층간 절연막의 연마 속도가 증가하여 금속 대 층간 절연막의 연마 선택비가 저하될 우려가 있다. 산성의 슬러리 영역에서도 슬러리 내의 H⁺농도에 따라 구리가 내식성을 띄게 되어 구리의 연마 속도가 저하 될 수 있다. 이 두 가지 경우 연마 공정은 화학적 효과가 미미한 단순히 기계적 연마의 양상을 띄게 되어 웨이퍼 표면에 심각한 표면 긁힘(scratch)과 같은 결함들을 유발시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 구리 박막의 화학기계적 연마 공정에서 슬러리의 화학적 효과를 강화시켜, 구리 박막의 연마 속도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구리 박막 위의 미세한 돌출부위를 선택적으로 먼저 용해시킬 수 있어 슬러리 연마제에 의해 발생하는 표면 긁힘(scratch)과 같은 결함들을 제거할 수 있는 구리 박막의 화학기계적 연마 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구리 박막의 화학기계적 연마 방법은 제 1 전극이 구비된 구리 박막이 증착된 웨이퍼와 제 2 전극이 구비된 연마 패드가 제공되는 단계; 상기 웨이퍼에 증착된 구리 박막의 표면을 상기 연마 패드 위의 슬러리에 접촉시키는 단계; 상기 제 1 전극을 통해 상기 웨이퍼에 증착된 구리 박막에 양(+)의 전류가 인가되도록 하고, 상기 제 2 전극을 통해 상기 연마 패드 위의 슬러리에 음(-)의 전류가 인가되도록 한 상태에서 화학기계적 연마 공정에 의해 구리 박막을 연마하는 단계; 및 구리 박막을 연마한 후, 기계적 연마를 중지하고 전해연마에 의해 구리 박막의 표면의 결함을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구리 박막의 화학기계적 연마 방법을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11: 구리 박막이 증착된 웨이퍼 12: 제 1 전극

21: 슬러리 31: 연마 패드

32: 제 2 전극

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구리 박막의 화학기계적 연마 방법을 설명하기 위한 도면이다.

비아 콘택홀 및 트렌치를 갖는 다마신 패턴이 매립되도록 구리 박막이 증착된 웨이퍼(11)가 제공된다. 웨이퍼(11)에 증착된 구리 박막에 양(+)의 전류를 인가하기 위해 제 1 전극(12)이 구비된다. 슬러리(slurry; 21)에 음(-)의 전류를 인가하기 위해 연마 패드(31)에 제 2 전극(32)이 구비된다. 제 2 전극(32)은 연마 공정시 제 2 전극(32)이 연마되는 것을 방지하면서 슬러리(21)에 음(-)의 전류가 인가되도록 연마 패드(31)의 표면에 골을 형성하고, 백금(Pt)과 같이 전도성이 우수한 물질로 골을 매립하여 형성된다. 웨이퍼(11)에 증착된 구리 박막의 표면이 연마 패드(31) 위의 슬러리(21)에 접촉시킨다. 이러한 상태에서 웨이퍼(11)에 증착된 구리 박막에 제 1 전극(12)을 통해 양(+)의 전류를 인가하고, 연마 패드(31)의 제 2 전극(32)을 통해 슬러리(21)에 음(-)의 전류를 인가하여 화학기계적 연마 공정을 수행한다. 화학기계적 연마 공정으로 웨이퍼(11)에 증착된 구리 박막을 연마한 후, 기계적 연마를 중지하고 단지 전해연마만으로 구리 박막의 표면 거칠기와 같은 결함 등을 제거한다. 구리 박막이 증착된 웨이퍼(11)를 연마 패드(31)로부터 분리시킨 후, 스크러버(scrubber)에서 세정 공정을 거쳐 다마신 패턴 내에 구리 금속 배선의 표면에 부동태 피막이 생성되도록 한다.

상기에서, 슬러리(21)는 pH4 이하의 것을 사용한다. 화학기계적 연마 공정 시에 제 1 전극(12)과 제 2 전극(32)에 인가되는 전류의 크기, 공급 주기, 슬러리의 양 등은 구리 박막의 두께에 따라 변화시켜 구리 박막의 연마를 최적화 시킨다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 화학적으로 안정한 구리 박막의 용해 속도를 증가시키기 위한 방안으로 새로운 슬러리 성분의 개발 없이 기존의 슬러리를 사용하되, 구리 박막과 슬러리 사이에 인위적으로 전류를 공급하여 연마 속도를 증가시킬 수 있는 구리의 전해연마법을 이용하는 기술이다. 이러한 기술적 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.

산성 수용액에서 구리의 평형용해반응은 하기의 반응식(1), (2), (3)으로 나타낼 수 있다.

Cu <=> Cu⁺+ e^-(-2 < pH < 5)-----------------------------(1)

Cu <=> Cu²⁺+ 2e^-(-2 < pH < 2)---------------------------(2)

Cu₂O + 2H⁺<=> 2Cu²⁺+ H₂O + 2e^-(2.2 < pH < 3.8)---------(3)

구리의 산화는 하기의 반응식(4)에 나타낸 용존산소의 환원반응에 의해 진행된다.

O₂+ H₂O + 4e^-= 4OH^-------------------------------------(4)

구리가 증착된 웨이퍼의 표면이 연마 패드 위의 슬러리에 접촉한 상태에서 구리 박막을 (+)로, 연마 패드 위의 슬러리에 백금(Pt)과 같은 전극을 접촉하여 (-)로 한 상태에서 인위적으로 전류를 인가하게 되면 상기 반응식(1), (2), (3)에서 반응의 방향은 구리 이온이 박막에서 슬러리로 용해되는 오른쪽으로 진행되어 구리의 연마 속도가 증가하게 된다. 구리 박막의 연마후 패턴 지역에서 구리는 기계적 연마 없이 단지 전해연마만으로 표면의 거칠기(surface roughness)를 개선한다. 사용되는 슬러리는 구리가 이온의 형태로 용해되도록 하기 위해 이온 상태의 구리 용해가 가능한 영역인 pH 4 이하가 되도록 한다. 슬러리 내의 산화제의 농도와 인가 전류의 양은 구리의 용해가 가능하도록 반응의 평형 전위가 0.1V 이상이 되도록 조절한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 다마신 공정으로 구리 금속 배선을 형성할 때 적용하는 구리 박막의 화학기계적 연마 공정을 구리 박막에 양(+)의 전류를 인가하고 슬러리에 음(-)의 전류를 인가한 상태에서 실시하므로, 구리 박막의 화학적 연마 특성이 증대되어 결국 화학기계적 연마 공정에서 구리 박막의 연마 속도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전해연마법에 의해 구리 박막 위의 미세한 돌출부위를 선택적으로 먼저 용해시킬 수 있어 슬러리 연마제에 의해 발생하는 표면 긁힘과 같은 결함들을 제거할 수 있다.

Claims

제 1 전극이 구비된 구리 박막이 증착된 웨이퍼와 제 2 전극이 구비된 연마 패드가 제공되는 단계;

상기 웨이퍼에 증착된 구리 박막의 표면을 상기 연마 패드 위의 슬러리에 접촉시키는 단계;

상기 제 1 전극을 통해 상기 웨이퍼에 증착된 구리 박막에 양(+)의 전류가 인가되도록 하고, 상기 제 2 전극을 통해 상기 연마 패드 위의 슬러리에 음(-)의 전류가 인가되도록 한 상태에서 화학기계적 연마 공정에 의해 구리 박막을 연마하는 단계; 및

구리 박막을 연마한 후, 기계적 연마를 중지하고 전해연마에 의해 구리 박막의 표면의 결함을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구리 박막의 화학기계적 연마 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 슬러리는 pH4 이하의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 구리 박막의 화학기계적 연마 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 전극은 백금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 구리 박막의 화학기계적 연마 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 전극은 연마 공정시 제거되는 것을 방지하기 위하여 상기 연마 패드의 표면에 골을 형성한 후, 상기 골 내부에 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 구리 박막의 화학기계적 연마 방법.