KR20030001756A - 구리배선의 표면 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공정 단순화를 통해 구리배선 패드의 산화를 방지하도록 한 구리배선의 표면 처리방법에 관한 것으로서, 반도체 기판상에 구리배선을 형성하는 단계와, 상기 구리배선의 표면에 형성된 자연 산화막을 제거하는 단계와, 상기 구리배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 캡핑층 및 평탄화층을 차례로 형성하는 단계와, 상기 구리배선의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 평탄화층 및 캡핑층을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 노출된 구리배선의 표면에 은을 치환도금 하여 은도금층을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.

Description

구리배선의 표면 처리방법{method for processing surface of Cu line}
본 발명은 반도체 소자의 구리배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 구리배선의 물리적 및 전기적 특성을 향상시키는데 적당한 구리배선의 표면 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자의 금속 배선으로 널리 사용하는 금속으로 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 및 텅스텐(W) 등이 있다. 그러나, 이러한 금속들은 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 낮은 융점과 높은 비저항으로 인하여 초고집적 반도체 소자에 더 이상 적용이 어렵게 되었다.
따라서, 금속배선의 대체 재료에 대한 개발 필요성이 대두되고 있는 실정이다. 대체 재료로 전도성이 우수한 물질인 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등이 있으며, 이러한 물질들 중 비저항이 작고, 전자 이동(electro migration; EM)과 스트레스 이동(stress migration; SM) 등의 신뢰성이 우수하며, 생산원가가 저렴한 구리 및 구리 합금이 널리 적용되고 있는 추세이다.
기존의 구리 듀얼 다마신 공정에서는 비아홀(또는 콘택홀)과 트렌치(trench)에 구리 박막을 증착하여 플러그와 배선을 동시에 형성한 후에 불필요한 웨이퍼 표면의 구리층을 화학적 기계적 연마 공정으로 제거시키고 있다.
그러나 구리배선은 알루미늄 합금배선에 비하여 물리적 특성 측면에서 두 가지 단점을 가지고 있다.
첫째는 구리의 산화 현상이면, 둘째는 패키징(packaging)시에 접착 특성이 떨어지는 것이다.
그러므로 구리배선으로 제작된 소자를 상온 또는 고온에서 장시간 보관하거나 실험하는 경우에는 구리배선 패드(pad)의 산화를 방지하기 위하여 각별히 주의해야 한다.
한편, 상기와 같은 구리배선의 단점을 방지하기 위해 종래에는 평탄화층(passivation layer)을 증착하고, 노광 및 식각 공정을 통하여 패드 부위만 오픈시킨 후에 알루미늄 합금(Al-0.5%Cu)을 증착하고, 상기 노광 및 식각 공정을 통하여 오픈된 패드 부위에만 알루미늄 합금을 잔류시키고 있다.
즉, 구리배선의 패드 부분에 알루미늄 합금을 이용하여 덧씌우는 방법이다.
그러나 상기와 같은 종래의 구리배선의 표면 처리방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 패드 부분에만 알루미늄 합금을 덧씌우기 위해 여러 번의 노광 및 식각 공정을 실시해야 함으로 많은 시간이 소요된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 공정 단순화를 통해 구리배선 패드의 산화를 방지하도록 한 구리배선의 표면 처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 구리배선의 표면 처리방법을 나타낸 공정단면도
21 : 반도체 기판 22 : 층간 절연막
23 : 구리배선 24 : 캡핑층
25 : 평탄화층 26 : 포토레지스트
27 : 은도금층
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 구리배선의 표면 처리방법은 반도체 기판상에 구리배선을 형성하는 단계와, 상기 구리배선의 표면에 형성된 자연 산화막을 제거하는 단계와, 상기 구리배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 캡핑층 및 평탄화층을 차례로 형성하는 단계와, 상기 구리배선의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 평탄화층 및 캡핑층을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 노출된 구리배선의 표면에 은을 치환도금 하여 은도금층을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 구리배선의 표면 처리방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 구리배선의 표면 처리방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(21)상에 층간 절연막(22)을 형성하고, 포토 및 식각 공정을 상기 층간 절연막(22)을 선택적으로 제거하여 소정깊이를 갖는 트랜치를 형성한다.
이어, 상기 트랜치를 포함한 반도체 기판(21)의 전면에 구리 박막을 증착한 후, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing)법으로 평탄화 공정을 실시하여 상기 트랜치의 내부에 구리배선(23)을 형성한다.
이어, 상기 구리배선(23)의 표면에 생성된 자연 산화막(도시되지 않음)을 환원시키어 제거한 다음, 공기 중에 노출시키지 않은 채로 구리배선(23)을 포함한 반도체 기판(21)의 전면에 캡핑층(예를 들면, 실리콘 질화(SiN)막)(24)을 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법으로 증착한다.
여기서 상기 구리 자연 산화막의 환원 방법은 질소 및 수소 분위기에서 RTP(Rapid Thermal Process) 열처리를 하거나 플라즈마(plasma) 처리를 하면 된다.
또한, 상기 캡핑층(24)의 역할은 구리배선(23)내의 구리원자가 상부 절연층으로 확산하는 것을 방지하는 역할을 한다. 왜냐하면, 구리원자의 확산은 배선 사이의 누설(leakage)을 유발하기 때문이다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 캡핑층(24)상에 평탄화층(25)을 증착하고, 상기 평탄화층(25)상에 포토레지스트(26)를 도포한 후, 노광 및 현상공정으로 포토레지스트(26)를 패터닝하여 구리배선 패드 영역을 정의한다.
여기서 상기 평탄화층(25)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 사용할 수있고, 상기 캡핑층(24)으로 실리콘 질화막을 사용했으므로 실리콘 산화막이 유리하다.
이어, 상기 패터닝된 포토레지스트(26)를 마스크로 이용하여 상기 구리배선(23)의 패드 부위가 노출되도록 상기 평탄화층(25) 및 캡핑층(24)을 선택적으로 제거한다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트(26)를 제거하고, 상기 반도체 기판(21)의 전면에 질산은(AgNO3) 용액을 분사하거나 질산은 용액에 반도체 기판(21)을 담그어 상기 노출된 구리배선(23)의 표면에 은도금층(27)을 치환 도금하여 형성한다.
여기서 상기 치환 반응의 반응식은 다음과 같다.
2Ag++ Cu0→2Ag0+ Cu2+
상기 반응의 기전력은 0.462V로서 자발적으로 진행된다. 한편, 상기 은도금층(27)의 두께를 100 ~ 700Å로 유지한 후, DI(De Ionized) 물을 사용하여 세정 및 건조 공정을 진행한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 구리배선의 표면 처리방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 구리배선의 표면에 은도금층을 형성함으로서 상온 또는 고온에서 웨이퍼를 장시간 보관하더라도 자연 산화를 용이하게 방지할 수 있다.
둘째, 구리배선의 접착 특성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 별도의 알루미늄 합금층의 증착 공정 및 식각 공정이 필요없어 공정을 단순화시킬 수 있다.
넷째, 구리배선의 표면에 접촉저항이 낮은 은도금층을 형성함으로서 안정적으로 전기적 특성을 측정할 수 있다.

Claims (5)

  1. 반도체 기판상에 구리배선을 형성하는 단계;
    상기 구리배선의 표면에 형성된 자연 산화막을 제거하는 단계;
    상기 구리배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 캡핑층 및 평탄화층을 차례로 형성하는 단계;
    상기 구리배선의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 평탄화층 및 캡핑층을 선택적으로 제거하는 단계;
    상기 노출된 구리배선의 표면에 은을 치환도금 하여 은도금층을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 구리배선의 표면 처리방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 은도금층은 반도체 기판에 질산은 용액을 분사 또는 질산은 용액에 반도체 기판을 담그어 은을 치환도금하여 형성하는 것을 특징으로 하는 구리배선의 표면 처리방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 은도금층은 100 ~ 700Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 구리배선의 표면 처리방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 은도금층을 형성한 후 DI 물을 사용하여 세정 및 건조 공정을 실시하는 단계를 더 포함하여 형성함을 특징으로 하는 구리배선의 표면처리방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 캡핑층은 실리콘 질화막으로 형성하고, 상기 평탄화층은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 구리배선의 표면 처리방법.
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