KR20010051992A - 결함 감소를 위해 평탄화처리된 구리 세정 방법 - Google Patents
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- Preventing Corrosion Or Incrustation Of Metals (AREA)
Abstract
결함 형성 및 표면의 부식을 최소화시키기 위한 조성물 및 부식 방지액을 사용하여 구리 또는 구리 합금 기판 표면을 처리하는 방법에 있어서, 1개 이상의 킬레이트화제, 약 3 내지 약 11의 pH를 생성하는 pH 조절제, 및 탈이온수를 포함하는 조성물을 제공하는 단계, 및 부식 방지액을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 조성물은 환원제 및/또는 부식 방지제를 더 포함한다. 본 발명은 상기 조성물로 상기 기판 표면을 처리하기 전에 상기 부식 방지액을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 개선된 평면성 및 감소된 결함을 갖는 반도체 장치의 구리(Cu) 및/또는 구리 합금 금속화에 관한 것이다. 본 발명은 신뢰성이 개선된 서브미크론 디자인 픽춰 및 높은 도전율의 배선 구조를 갖는 고속 집적 회로를 제조하는데 응용가능하다.
초대규모 집적 회로 배선과 관련하여 고밀도 및 고성능을 위한 단계적인 필요조건에 부합하는 배선 기술의 변화가 요구되고 있다. 이러한 단계적인 필요조건은 낮은 RC(저항 및 커패시턴스) 배선 패턴, 특히 서브미크론 비아, 콘택 및 트렌치가 소형화됨에 따라 높은 어스펙트비의 제공과 관련하여 만족시키기는 어렵다.
종래의 반도체 장치는 전형적으로는 도핑된 단결정성 실리콘의 반도체 기판, 및 연속적으로 형성된 다수의 층간 유전체층과 도전성 패턴을 포함한다. 집적 회로는 상호배선 공간에 의해 분리된 도전성 라인, 및 다수의 배선 라인을 포함하는 다수의 전도성 패턴을 포함하여 형성된다. 전형적으로, 상이한 층상에 있는 도전성 패턴은 비아 홀을 충진시키는 도전성 플러그에 의해 전기적으로 연결되어 있고, 반면, 콘택 홀을 충진시키는 전도성 플러그는 소스/드레인 영역처럼 반도체 기판상의 활성 영역과 전기적으로 접촉되어 있다. 도전성 라인은 반도체 기판을 중심으로 대체로 수평하게 연장되는 트렌치에 형성된다. 5 이상의 금속화 레벨을 포함하는 반도체 "칩"은 점점 서브미크론 레벨로 장치 기하학 구조가 축소되고 있다.
비아 홀을 충진시키는 도전성 플러그는 전형적으로 1개 이상의 도전성 패턴을 포함하는 도전층 상에 유전체층을 증착시키고, 종래의 포토리소그라피 및 에칭 기술에 의해 유전층을 통과하는 개구부를 형성하며, 텅스텐(W)과 같은 도전성 물질로 개구부를 충진시키는 단계에 의해 형성된다. 일반적으로 층간 유전체층의 표면상에서 과잉 도전성 물질은 화학 기계적 연마(CMP) 기술에 의해 제거된다. 이러한 방법으로는 다마신 기술이 공지되어 있고 기본적으로 층간 유전체층에 개구부를 형성하고 금속으로 개구부를 충진시키는 단계를 수반한다. 듀얼 다마신 기술은 상부 트렌치 부분과 연통되는 저부 콘택 또는 비아홀 부분을 포함하는 개구부를 형성하는 단계를 수반한다. 전체 개구부는 도전성 라인과 전기적 접촉으로 도전성 플러그를 동시에 형성하도록 전형적으로 금속의 도전성 물질로 충진된다.
구리(Cu) 및 구리 합금은 배선 금속화에서 알루미늄(Al)을 대신하는 대체 물질로 상당한 관심의 대상이 되고 있다. 구리 및 구리 합금은 상대적으로 값이싸며, 처리하기가 쉽고, 알루미늄보다 낮은 고유 저항을 갖는다. 또한, 구리 및 구리 합금은 텅스텐(W)과 비교하여 개선된 전기적 특성을 갖고 있으며, 구리 및 구리 합금은 도전성 배선 뿐만 아니라 도전성 플러그로서 사용하는데 있어 바람직한 금속을 이룬다.
구리 및 구리 합금 플러그 및 배선을 형성하기 위한 방법은 다마신 구조의 사용을 포함한다. 그러나, 이산화 실리콘과 같은 유전체층 물질을 통과하는 구리의 확산으로 인해, 구리 배선 구조를 위한 확산 배리어층이 구리 또는 구리 합금 배선 구조 사이에 제공되어 유전체 물질을 둘러싼다. 전형적인 확산 배리어 금속은 구리 및 구리 합금에 대해 탄탈(Ta), 탄탈 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄-텅스텐(TiW), 텅스텐(W), 텅스텐 질화물(WN), 티타늄-티타늄 질화물(Ti-TiN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 탄탈 실리콘 질화물(TaSiN) 및 실리콘 질화물을 포함한다. 구리를 캡슐화시키는 이러한 배리어물질의 사용은 구리와 층간 유전체층 사이의 인터페이스로 제한되는 것이 아니라, 다른 금속과 마찬가지로 인터페이스를 포함한다.
종래의 CMP 기술에서, 웨이퍼 캐리어 어셈블리는 CMP 장치에서의 연마 패드와 접촉되어 회전한다. 연마 패드는 회전 턴테이플 또는 플래턴(platen) 상에 장착되거나, 또는 외부 구동력에 의해 구동되는 고정 연마 테이블 위에서 움직인다. 일반적으로 웨이퍼는 연마 패드에 대해 웨이퍼에 제어가능한 압력을 가하는 캐리어 상에 장착된다. 따라서, CMP 장치는 웨이퍼 및 연마 패드 사이에 힘을 가하면서 화학적 및 기계적 활동도 모두에 영향을 주는 반응성 용액에서 연마제 입자를 갖거나 또는 갖지 않는 화학적 연마제를 분산시키면서 각각 얇은 반도체 웨이퍼의 표면과 연마 패드 사이에 연마 또는 러빙(rubbing) 동작을 한다.
부식, 스크래치(scratch), 핏팅(pitting) 및 내재된 연마 입자와 같은 표면 결함을 크게 발생시키지 않고 CMP에 의해 다마신 인레이(inlay)로, 구리 또는 구리 합금 표면을 평탄화시키는 것은 매우 어렵다. 구리 또는 구리 합금 픽춰의 조밀한 어레이는 다마신 기술에 의해 실리콘 산화물층과 같은 유전체층에 형성되며 트렌치는 초기에 형성된다. 탄탈(Ta), 또는 탄탈 질화물(TaN)과 같은 탄탈을 함유한 층의 배리어층이 트렌치의 노출된 표면상에 그리고 유전층의 상부 표면상에 일정하게 증착된다. 다음에 전기도금, 무전해 도금(electroless plating), 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)에 의해, 약 8,000Å 내지 약 18,000Å 두께를 갖는 배리어층상에 구리 또는 구리 합금이 증착된다.
다음 과집된 구리 또는 구리 합금을 제거하기 위해 CMP가 행해지고 배리어층을 제거하기 위해 화학제 및 연마제 입자의 혼합물을 사용하여 배리어층 제거에 의해 수반되는 배리어층 상에서 스톱핑(stopping)이 행해지거나, 또는 유전체층 바로 아래로 CMP가 행해진다. 과집된 구리 또는 구리 합금은 기판 표면 상에 형성된 픽춰를 충진시키는데 요구되는 양을 초과하여 기판상에 증착된 물질이다. 유전체 물질에서의 스크래치와 같은 결함을 제거하고 다마신 개구부를 충진시키는 구리 또는 구리 합금을 남겨두고 유전체 물질을 보다 평탄화시키기 위해 유전체층 표면상에서 버퍼링을 선택적으로 행한다. 듀얼 다마신을 충진시키는 구리 또는 구리 합금은 집중된 표면 결함을 갖는 노출된 상부 표면을 갖는다. 이러한 결함으로는 부식, 예를 들면 부식 얼룩, 마이크로스크래치, 마이크로핏팅 및 표면 연마 입자를 포함한다. 구리 및 구리 합금 웨이퍼는 산화물 또는 질화물과 같은 유전체 물질보다 평탄화 과정동안 스크래치되는 경향이 큰 것으로 나타났다. 구리 및 구리 합금 표면은 부식되기가 쉽고 낮은 수성의 pH에서 보호되기 어렵다. 종래의 웨이퍼 세정만으로는 이러한 결함을 완전히 제거할 수 없다. 구리 또는 구리 합금의 평탄화를 위한 종래의 방법은 평탄화에서 수반되는 높은 결함수로 인해 문제시된다. 이러한 표면 결함은 깊이가 서브 미크론 범위로 축소되는 장치 기하학 구조에서 장치 성능 및 신뢰성에 불리한 영향을 미친다. 따라서, 표면 결함의 양이 감소된 구리 및 구리 합금의 평탄화를 가능케하는 방법이 요구된다.
본 발명은 표면 결함 및 표면 부식이 감소된 구리 및 구리 합금과 같은 평탄화 금속을 포함하는 기판 표면을 평탄화시키는 방법 및 조성물(composition)을 제공한다.
또한, 본 발명은 구리 또는 구리 합금을 포함하는 기판 표면을 처리하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 1개 이상의 킬레이트화제(chelating agent), 약 3 내지 약 11의 pH 산출하기 위한 pH 조절제, 탈이온수를 포함하는 조성물을 기판에 제공하고, 부식 방지액을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 부식 방지 및/또는 환원제를 더 포함하는 조성물을 사용할 수 있다. 상기 방법은 또한 조성물을 사용하여 기판 표면을 처리하기 이전에 부식 방지액으로 기판 표면을 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일면에서, 본 발명은 상부면 및 1개 이상의 개구부를 갖는 유전체층, 및 상기 개구부 및 상기 유전체층의 상부면의 내층을 이루는 배리어층, 및 상기 개구부와 상기 유전체층을 충진시키는 구리 또는 구리 합금을 포함하는 기판 표면을 평탄화시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은 구리 또는 구리 합금을 포함하는 노출된 기판 표면을 남겨두고 구리 또는 구리 합금층 및 배리어를 제거하는 단계, 및 1개 이상의 킬레이트화제(chelating agent), 약 3 내지 약 11의 pH를 생성하기 위한 pH 조절제, 탈이온수를 포함하는 조성물을 노출된 기판 표면에 제공하고, 부식 방지액을 제공함으로써 구리 또는 구리 합금을 포함하는 노출된 기판 표면을 처리하는 단계를 포함한다. 상기 조성물은 부식 방지제 및/또는 pH 조절제를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 구리 또는 구리 합금층을 제거한 후 그리고 노출된 기판 표면을 화학적으로 처리하기 이전에 배리어층을 제거하는 제거 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 조성물을 제공하기 이전에 부식 방지액으로 기판 표면을 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1 내지 4는 본 발명의 실시예에 따른 방법의 공정 단계를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부호에 대한 부호의 설명 *
10 : 유전체층 11 : 개구부
12 : 배리어층 13 : 구리층
개시된 본 발명의 실시예는 부식, 스크래치, 핏팅 및 내재된 연마제 입자와 같은 결함이 크게 감소된 픽춰를 포함하는 구리 또는 구리 합금을 갖는 기판 표면의 효과적이도 효율적인 평탄화 방법을 개시하며, 이는 깊이가 서브미크론 범위인 크기의 픽춰를 갖는 신뢰성있는 배선 패턴에 대한 요구사항을 만족시킨다. 본 발명에서 사용되는 것처럼, 구리 또는 구리 합금은 구리에 기초한 합금, 예를 들면 약 80wt% 이상의 구리를 함유한 구리를 기초한 합금 뿐만 아니라 고순도 원소의 구리를 포함한다.
본 명세서에서 개시된 본 발명의 CMP 및 배리어층 제거를 수반하는 계획적인 다단계 공정에서 바람직하게 사용된다. 본 발명의 실시예의 다단계 방법은 표면 결함이 감소된 기판 표면을 남겨두고 구리 또는 구리 합금층 및 배리어층의 CMP 제거 단계 동안 기판 표면을 처리하여 산화 작용 및 CMP 공정을 행하여 기판 표면에서 결함의 형성을 야기시킬 수 있는 다른 공정으로부터 보호된다. 기판 표면의 처리는 기판 표면에 형성된 픽춰를 포함하는 구리 또는 구리 합금과 같이, 처리된 기판의 얇은 표면층을 제거하는 단계, 및/또는 부식 자국, 전형적으로 부산물 부식으로 혼합된 산화 구리 및/또는 수산화 구리를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예의 다단계 방법은 선택적 부식 방지액, 산, 예를 들어 구연산, 및/또는 염기, 예를 들어 암모늄 수산화물 및/또는 아민과 같은 1개 이상의 킬레이트화제(chelating agent), 약 3 내지 약 11의 pH를 생성하기 위한 1개 이상의 pH 조절제, 및 탈이온수(deionized water)를 제공하고, 부식 방지액을 제공하는 단계를 포함하는 배리어층 제거 후에 픽춰를 포함하는 구리 또는 구리 합금의 노출된 기판 표면을 처리하는 단계를 포함한다. 조성물은 부식 방지제 및/또는 환원제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의해 달성되는 결함의 감소 및 표면 보호를 나타내는 정확한 메커니즘은 공지되어 있지 않다. 그러나, 배리어층 제거에 이어 본 발명의 실시예를 따른 처리방법은 결함을 포함하는 픽춰를 갖는 구리 또는 구리 합금 표면의 얇은 층 제거 및/또는 상대적으로 결함이 없는 표면은 남겨두고 부식 얼룩을 제거하며, 또다른 결함의 생성을 방지하도록 상대적으로 결함이 없는 표면을 보호할 것으로 여겨진다. 부식 방지제 및 탈이온수를 사용하는 선택적 초기 처리방법은 부식, 특히 픽처를 포함하고 있는 구리 또는 구리 합금 표면상에서 사용되는 연마 슬러리에 의해 유도되는 부식을 감소시킬 것으로 여겨진다. 스태틱(static) 에칭과는 달리 불균일하여 부식이 방지된다.
부식 방지액을 사용하는 선택적 초기 처리방법은 약 0.01wt% 및 약 0.05wt% 양의 부식 방지제 및 탈이온수가 존재하는 벤조트리아졸(BTA) 또는 5-메틸-1-벤조트리아졸(TTA)과 같은 다양한 부식 방지제를 포함할 수 있다. 일면에서, 부식 방지액은 약 0.05wt% 부식 방지제 및 탈이온수를 포함한다. 초기 처리방법은 예를 들면, 약 3초 내지 약 10초 동안 기판 표면을 노출시키는 단계를 포함한다. 처리 공정의 일면에서는, 부식 방지액은 약 5초 동안 제공된다.
기판 표면은 1개 이상의 킬레이트화제(chelating agent), 약 3 내지 약 11의 pH를 생성하기 위한 pH 조절제, 및 탈이온수를 포함하는 조성물을 제공하고, 부식 방지액을 제공하는 단계에 의해, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 노출된 표면이 조성물로 처리된다. 조성물은 또한 부식 방지제 및/또는 환원제를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일면에서, 조성물은 상기 조성물의 약 1vol%의 묽은 희석액으로 포화 조성물 사이에서 희석될 수 있다. 일면에서, 조성물은 원래 조성물의 약 5vol% 내지 약 10vol% 희석된 탈이온수로 희석된다.
조성물을 사용하는 차후 처리방법은 기판 표면에 배치된 픽춰의 약 50Å에 이르는 표면의 제거 및/또는 거의 결함이 없는 표면을 남겨두고, 표면 부식, 마이크로스크래칭 및 핏팅 등에 의해 발생되는 부식 얼룩을 제거할 것으로 여겨진다. 이러한 표면 처리는 약 10초 내지 약 20초 동안 조성물을 제공함으로써 행해질 수 있다.
1개 이상의 킬레이트화제(chelating agent)는 산, 염기 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 산은 1개 이상의 산기(acid group)를 갖는 카르복실산과 같은 유기산을 포함할 수 있다. 조성물로 사용하기에 바람직한 산의 예로는 초산, 구연산, 말레산, 및 이들의 조합물을 포함한다. 조성물의 약 40wt%에 이르는 양으로 산이 존재할 수 있다. 조성물의 일면에서, 조성물의 약 5wt% 내지 약 30wt%의 산을 포함할 수 있다. 또한, 조성물에서 산은 킬레이트화제로서 작용할 수 있으며, 예를 들어, 구연산은 구리 또는 구리 합금에 대한 킬레이트화제로서 작용할 수 있다. 희석된 조성물 용액이 기판 표면을 세정하는데 사용되는 경우, 희석된 조성물의 약 2wt% 내지 약 10wt%의 농도로 산이 함유되어 있는 것이 바람직하다.
염기(base)는 수산화 암모늄, 수산화 암모늄 유도체, 아민, 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 아민의 예로는 메틸아민 및 에틸아민과 같은 1차 아민, 2차 아민, 및 이들의 조합물을 포함한다. 염기는 에틸렌디아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid), 메틸포름아미드(methylformamide), 또는 에틸렌디아민(ethylenediamine)과 같은 1개 이상의 아민기 또는 아미드기를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 수산화 암모늄 유도체의 예로는 테트라메틸 수산화 암모니아가 있다. 조성물의 약 5wt%에 이르는 양의 염기가 존재할 수 있다. 염기는 조성물에서 킬레이트화제로서 작용할 수 있으며, 예를 들어, 수산화 암모늄이 구리 또는 구리 합금에 대한 킬레이트화제로서 작용할 수 있다. 일반적으로, 킬레이트화제로서 작용가능한 산 및 염기는 기판의 표면으로부터의 제거를 위해 가용성 금속 착물(complex)을 형성하도록 조성물에서 또는 기판의 표면으로부터, 금속 이온과 같은 물질과 화학적으로 반응한다.
1개 이상의 pH 조절제는 비산화 유기 및 무기 산 또는 염기를 포함할 수 있다. pH 조절제는 일반적으로 산성의 pH와 같은, 약 3 내지 약 11의 원하는 pH를 생성하거나 유지하기에 충분한 양, 예를 들어서, 약 3 pH, 또는 중성 pH, 예를 들면 약 6 내지 약 8 pH 사이로 존재한다. 일면에서, 조성물은 약 3 내지 약 7의 pH를 갖는다. pH 조절제의 예로는 수산화 칼륨(KOH)과 같은 염기, 및/또는 초산, 인산, 또는 수산과 같은 무기 및/또는 유기산을 포함한다.
산성의 pH 조절제는 염기성의 킬레이트화제로 사용가능하다; 염기성의 pH 조절제는 산성의 킬레이트화제로 사용가능하다; 그리고 산성 및 염기성의 pH 조절제는 산성 및 염기성의 킬레이트화제의 조합으로 사용가능하다. 1개 이상의 pH 조절제는 조성물 속에서 산성의 킬레이트화제, 염기성의 킬레이트화제, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
벤조트리아졸(BTA;benzotriazole), 메르캅토벤조트리아졸(mercaptobenzotriazole), 또는 5-메틸-1-벤조트리아졸(TTA)을 포함하는 아졸기를 함유하는 다양한 유기 화합물과 같은 부식 방지제가 조성물의 약 0.01wt% 내지 0.50wt%의 양으로 조성물에 첨가될 수 있다.
또한, 표면 결함의 제거를 강화시키기 위해서 조성물에 환원제가 첨가될 수 있다. 환원제는 하이드록실아민, 글루코오스, 술포티오네이트(sulfothionate), 요오드화 칼륨기, 및 이들의 조합물에서 선택될 수 있다. 조성물의 약 0.01wt% 내지 약 20wt% 양의 환원제가 존재할 수 있다. 일면에서, 조성물의 약 0.01wt% 내지 약 5wt%의 환원제가 포함된다. 본 발명의 일면에서는, 약 5wt% 농도의 환원제가 조성물에서 사용된다.
다음 부식 방지액이 기판 표면에 제공된다. 본 명세서에서 설명된 탈이온수의 TTA와 같은 부식 방지액을 사용하는 최종 처리는 디-척킹(de-chucking) 동안 표면을 보호하고 픽춰를 포함하는 구리 또는 구리 합금의 거의 결함이 없는 표면 및 기판 표면이 용해된 산소에 의해 침습(attack)되는 것을 보호하는 보호면을 제공한다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예는 다양한 종래의 방식으로 과집된 구리 또는 구리 합금 및 배리어층을 제거하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 과집된 구리 또는 구리 합금 및 배리어층은 단일 스테이지 CMP를 수행하는 동안, 또는 배리어층의 제거를 수행함으로써 CMP법에 의해 초기에 제거될 수 있다. 모든 경우에, 픽춰를 포함하는 구리 또는 구리 합금의 노출된 표면을 포함하는 기판 표면은 본 발명의 실시예의 다단계 절차를 수행하기 전에 결함을 제거하는 부가적 버퍼링 단계 처리될 수 있다. 버퍼링은 연마 패드를 사용하여 기판과 기판 표면으로부터 표면 결함 및 입자 문제를 해결하기 위해 연마 패드와 기판 사이에 낮은 또는 최소의 압력을 사용하여 화학적 조성물 또는 탈이온수를 접촉시키는 단계로서 광범위하게 사용된다. 버퍼링(buffering)은 전형적으로 연마 물질의 부재시에 소프트 연마로 수행된다. 구리 또는 구리 합금 및 배리어층의 CMP 제거는 종래 방식으로 수행될 수 있다.
종래의 기판 및 유전체층은 본 발명의 실시예에 포함된다. 예를 들어, 기판은 도핑된 단결정성 실리콘 또는 갈륨-비소일 수 있다. 유전체층은 반도체 장치의 제조에서 종래에 사용되는 다양한 유전체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 이산화물, 인-도핑된 실리콘 글라스(PSG), 붕소 및 인 도핑된 실리콘 글라스(BPSG) 및 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)로부터 유도된 실리콘 이산화물 또는 플라즈마 강화 화학적 기상 증착법(PECVD)에 의한 실란과 같은 유전체 물질이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 유전체층은 폴리이미드와 같은 폴리머 및, 예를 들어 캘리포니아 산타클라라에 위치한 Applied Materials, Inc.로부터 시판되는 Black DiamondTM와 같은 탄소를 함유한 실리콘 이산화물을 포함하는 낮은 유전 상수의 물질을 포함할 수 있다. 종래의 포토리소그라피 및 에칭 기술을 통해 유전체층에 개구부가 형성된다.
본 발명의 실시예는 도 1-4에 개략적으로 도시되어 있으며, 유사한 픽춰는 동일한 참조 부호를 사용한다. 도 1을 참조로, 유전체층(10), 예를 들어 실리콘 이산화물이 기판(도시되지 않음) 위에 형성된다. 개방부(open-field)(B)의 경계를 형성하는 전도성 라인의 조밀한 어레이가 있게 구성된 영역(A)에 다수의 개구부(11)가 형성된다. 배리어층(12)이, 예를 들어 TaN이 개구부(11)의 안쪽에 그리고 실리콘 산화물 유전체층(10)의 상부면 상에 증착된다. 전형적으로, 개구부(11)는 약 1 미크론 이하, 예를 들면 약 0.2 미크론의 간격(C)을 두고 떨어져 위치된다. 다음 구리층(13)이 약 8,000Å 내지 약 18,000Å의 두께 D로 증착된다.
도 1 및 도 2를 참조로, CMP는 TaN 배리어층(12) 상에 과집된 구리를 제거하기 위해 종래 방식으로 스톱핑을 초기에 행한다. 도 2 및 도 3에 표시된 것처럼,배리어층 제거는 TaN층(12)을 제거하기 위한 종래의 방식으로 행해진다. 형성되는 구리 배선 구조는 개방부(B)에 의해 경계된 구리 라인(13)의 조밀한 어레이(A)를 포함한다. 그러나, 픽춰를 포함하는 구리의 상부 표면(40) 및 유전체 층(41)은 허용불가능한 높은 결함 수, 예를 들면 750 이상의 결함이 측정되는 것을 나타내며, 주로 부식 얼룩, 마이크로스크래치, 마이크로피트 및 연마 슬러리 입자를 포함한다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예에 따라, 픽춰를 포함하는 구리 표면(40) 및 유전체 표면(41)은 부식 방지제의 최적의 용액, 및 이어서 1개 이상의 킬레이트화제, 약 3 내지 약 11의 pH를 생성하는 pH 조절제, 및 탈이온수를 제공하고, 다음 부식 방지액을 제공하는 단계를 포함하는 다단계 절차에 의해 처리된다. 부식 방지액을 사용한 선택적 초기 처리는 탈이온수 및 BTA 또는 TTA와 같은 부식 방지제의 약 0.01 내지 약 0.50wt%, 예를 들어 약 0.05wt%를 포함할 수 있다. 일면에서, 부식 방지액은 약 0.05wt%의 부식 방지제 및 탈이온수를 포함한다. 선택적 초기 처리단계는 약 3 내지 약 10초, 예를 들면 약 5초 동안 행해진다.
다음 기판 표면을 처리하기 위해 기판에 조성물이 제공된다. 조성물은, 예를 들면 약 40wt%에 이르는 산, 예를 들면 약 5 내지 약 30wt%의 구연산, 및 약 5wt%에 이르는 수산화 암모늄, 및 수산화 암모늄 유도체, 아민, 및 이들의 조합물, 예를 들면 약 0.5 내지 약 3.0wt% 수산화 암모늄, 나머지는 탈이온수를 포함할 수 있다. 조성물이 적절한 시간, 예를 들면 약 10 내지 약 30초 동안 기판 표면에 제공된다.
다음, 탈이온수 내에 TTA 또는 BTA와 같은 부식 방지제를 기판에 제공함과 동시에 기판이 디-척처리된다. 선택적 부식 방지제로의 처리에 이어서 본 명세서에 개시된 조성물로의 세정 단계, 및 부식 방지제를 사용한 디-척킹(de-chucking) 단계는 도 4에 도시된 것처럼, 상대적으로 결함이 없는 보호 표면(50)을 남겨두고 픽춰(40)를 포함하는 구리 또는 구리 합금의 결함이 있는 상부면 및 유전체 표면(41)을 효과적으로 제거한다. 본 발명의 절차를 사용하여 행해진 실험들은 측정된바, 결함수가 139 이하, 심지어 약 100이하의 결함수를 갖는 표면의 픽춰를 포함하는 구리 또는 구리 합금을 포함하는 평탄화된 기판 표면을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예는 다양한 형태의 CMP 시스템을 사용하여 반도체 제조의 다양한 처리단계 동안 기판 표면을 평탄화시키는데 사용가능하다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예들은 깊이가 서브미크론 범위인 금속 픽춰를 갖는 고밀도 반도체 장치의 제조에 특히 응용가능하다.
앞서 설명한 것은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것으로, 본 발명의 다른 또다른 실시예가 이하 발명의 청구범위에 한정된 발명의 기본 범주를 이탈하지 않는한 고안가능하다.
Claims (60)
- 구리 또는 구리 합금을 포함하는 기판 표면을 처리하는 방법에 있어서,1개 이상의 킬레이트화제, 약 3 내지 약 11의 pH를 생성하기 위한 1개 이상의 pH 조절제, 및 탈염수를 포함하는 조성물을 기판 표면에 제공하는 단계; 및부식 방지액을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물로 상기 기판 표면을 처리하기 이전에 부식 방지액을 사용하여 상기 기판 표면을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 약 0.01wt% 내지 약 0.50wt%의 부식 방지제 및 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 벤조트리아졸, 5-메틸-1-벤조트리아졸기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1개 이상의 킬레이트화제가 산, 염기, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 1개 이상의 킬레이트화제가 상기 조성물의 약 40wt%의 농도를 갖는 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 산이 1개 이상의 산기를 갖는 카르복실산인 것을 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 산이 초산, 구연산, 말레산기, 및 이들의 조합물로부터 선택된 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1개 이상의 킬레이트화제가 상기 조성물의 약 5wt%의 농도를 갖는 염기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 염이 상기 조성물의 약 0.5wt% 및 약 3wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 염이 수산화 암모늄, 수산화 암모늄 유도체, 아민기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 부식 방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 상기 조성물의 약 0.01wt% 내지 약 0.50wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 벤조트리아졸, 5-메틸-1-벤조트리아졸기, 및 이들의 조합물로부터 선택된 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 약 40wt%의 구연산, 약 5wt%의 수산화 암모늄, 및 나머지는 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 약 4 내지 약 5의 pH를 갖고 약 5wt% 내지 약 30wt%의 구연산, 약 0.5wt% 및 약 3.0wt%의 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 약 3 내지 약 10초 동안 상기 조성물로 상기 기판 표면을 처리하기 이전에 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 약 10초 내지 약 20초 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조성물이 환원제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 환원제가 상기 조성물의 약 0.01wt% 내지 약 20wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 환원제가 하이드록실아민, 글루코오스, 술포티오네이트, 요오드화칼륨기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 약 0.01wt% 내지 약 0.50wt%의 부식 방지제 및 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 벤조트리아졸, 5-메틸-1-벤조트리아졸기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 약 3 초 내지 약 10초 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1개 이상의 pH 조절제가 비산화 무기산, 비산화 유기산, 비산화 무기염, 비산화 유기염기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서, 1개 이상의 pH 조절제가 산성의 킬레이트화제, 염기성의 킬레이트화제 또는 이들의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 표면 처리 방법.
- 상부 표면 및 1개 이상의 개구부를 갖는 유전체층;상기 개구부 및 상기 유전체층의 상부면의 내층을 이루는 배리어층;상기 개구부를 충진시키고 상기 유전체층 위에 있는 구리 또는 구리 합금을 포함하는 기판 표면을 평탄화시키는 방법에 있어서,상기 개구부에서 구리 또는 구리 합금을 포함하는 노출된 기판 표면을 남겨두고 상기 구리 또는 구리 합금층 및 상기 배리어를 제거하는 단계; 및1개 이상의 킬레이트화제, 약 3 내지 약 11의 pH를 생성하기 위한 1개 이상의 pH 조절제, 및 탈이온수를 포함하는 조성물을 노출된 기판 표면에 제공함으로써 구리 또는 구리 합금 포함하는 노출된 기판 표면을 처리하는 단계; 및부식 방지액을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 구리 또는 구리 합금층을 제거한 후 그리고 상기 노출된 기판 표면을 화학적으로 처리하기 이전에 상기 배리어층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 구리 또는 구리 합금층을 제거하는 단계가 상기 구리 또는 구리 합금층의 화학적-기계적 연마(CMP)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 29 항에 있어서,상기 구리 또는 구리 합금층의 제거 및 배리어층 상에서의 스톱핑 단계;배리어층을 제거하고 구리 또는 구리 합금 픽춰를 포함하는 상기 노출된 기판 표면을 남겨두는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서,상기 유전체층은 실리콘 이산화물을 포함하며;상기 배리어층은 탄탈 또는 탄탈 질화물(TaN)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 방법이 상기 구리 또는 구리 합금의 상기 기판 표면의 일부 또는 상기 구리 또는 구리 합금 기판 표면으로부터 부식 얼룩을 제거하기 위해 구리 또는 상기 구리 합금층을 포함하는 상기 노출된 기판 표면을 화학적으로 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 32 항에 있어서, 상기 방법이 구리 또는 구리 합금을 포함하는 상기 노출된 기판 표면으로부터 약 50Å를 화학적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 조성물을 제공하기 이전에 부식 방지액으로 상기 기판 표면을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 조성물이 탈이온수, 구연산 및 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서,CMP 장치의 캐리어상에 상기 기판을 장착시키는 단계;연마 패드를 사용하여 상기 기판을 CMP 처리하는 단계;상기 초기 처리 단계를 수행하는 단계;상기 조성물을 제공하는 단계; 및상기 연마 패드로부터 상기 기판을 분리시키면서 상기 부식 방지액을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 34 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 약 0.01wt% 내지 약 0.50wt%의 부식 방지제 및 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 37 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 벤조트리아졸, 5-메틸-1-벤조트리아졸기 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 1개 이상의 킬레이트화제가 산, 염기, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 39 항에 있어서, 상기 1개 이상의 킬레이트화제가 상기 조성물의 약 40wt%의 농도를 갖는 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 40 항에 있어서, 상기 산이 1개 이상의 산기를 갖는 카르복실산인 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 41 항에 있어서, 상기 산이 초산, 구연산, 말레산기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 염이 상기 조성물의 약 5wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 43 항에 있어서, 상기 염이 상기 조성물의 약 0.5wt% 내지 약 3wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 43 항에 있어서, 상기 염이 수산화 암모늄, 수산화 암모늄 유도체, 아민기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 조성물이 부식 방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 46 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 상기 조성물의 약 0.01wt% 내지 약 0.50wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 46 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 벤조트리아졸, 5-메틸-1-벤조트리아졸기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 조성물이 약 40wt%의 구연산, 약 5wt%의 수산화 암모늄, 및 나머지는 탈이온수를 포함하는 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 49 항에 있어서, 상기 조성물이 약 4 내지 약 5의 pH를 갖고 약 5wt% 내지 약 30wt%의 구연산, 약 0.5 내지 약 3.0wt%의 수산화 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 34 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 상기 조성물로 상기 기판을 처리하기 이전에 약 3 내지 10초 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 조성물이 약 10 초 내지 약 20초 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 34 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 약 0.01wt% 내지 약 0.50wt%의 부식 방지제 및 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 34 항에 있어서, 상기 부식 방지제가 벤조트리아졸, 5-메틸-1-벤조트리아졸기, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 부식 방지액이 약 3 내지 약 10초 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 pH 조절제가 비산화 무기산, 비산화 유기산, 비산화 무기염, 비산화 유기염, 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 1개 이상의 pH 조절제가 산성의 킬레이트화제, 염기성의 킬레이트화제 또는 이들의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 27 항에 있어서, 상기 조성물이 환원제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 58 항에 있어서, 상기 환원제가 상기 조성물의 약 0.01wt% 내지 약 20wt%를 포함되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
- 제 58 항에 있어서, 상기 환원제가 하이드록실아민, 글루코오스, 술포티오네이트, 요오드화 칼륨기, 및 이들의 조합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 평탄화 방법.
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