KR20030082969A - Method and composition for polishing by CMP - Google Patents
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Abstract
본 발명의 반도체 웨이퍼의 연마용 조성물은 용해 상태의 염소 이온 공급원을 포함하며, 이는 웨이퍼에 함몰되어 있는 구리 인터커넥트(interconnect)의 표면 조도를 감소시킨다. 구리 인터커넥트 위의 고점(high point)이 연마 공정 동안 연마되는 반면, 염소 이온은 고점에 집중된 전기장으로 이동한다. 고점에서의 염소 이온은 구리 이온이 용액으로부터 고점 위에 재도금되는 것을 방지한다. 구리 이온이 인터커넥트 표면 전체에 걸쳐서 편평하게 재도금되어 인터커넥트의 표면 조도가 감소된다.The polishing composition of the semiconductor wafer of the present invention comprises a source of chlorine ions in a dissolved state, which reduces the surface roughness of the copper interconnects embedded in the wafer. High points on the copper interconnect are polished during the polishing process, while chlorine ions migrate into the electric field concentrated at the high point. Chlorine ions at the high point prevent copper ions from replating from the solution onto the high point. Copper ions are replated flat across the interconnect surface, reducing the surface roughness of the interconnect.
Description
본 발명은 각종 막을 함유하는 집적 회로 표면, 가장 특히 반도체 웨이퍼 위의 금속, 차단층 또는 라이너(liner) 층, 및 유전층 표면의 평탄화에 사용되는 연마방법 및 슬러리 제형에 관한 것이다.The present invention relates to polishing methods and slurry formulations used to planarize the surface of integrated circuits containing various films, most particularly metal, barrier or liner layers, and dielectric layer surfaces on semiconductor wafers.
미국 특허 제5,676,587호에는 Cu 인터커넥트(interconnect) 구조물에 사용되는 2단계 연마방법이 기재되어 있다. 제1 단계는 대부분의 Cu의 과적재물을 제거하기 위해 수행되고, 제2 단계는 Ta, TaN, Ti 또는 TiN으로 이루어진 차단층 또는 라이너 층을 제거하기 위해 수행된다. 제2 단계의 경우, pH가 중성에 가까운 실리카를 기본으로 하는 슬러리가 기재되어 있다.U. S. Patent No. 5,676, 587 describes a two-step polishing method for use in Cu interconnect structures. The first step is performed to remove most of the Cu overload, and the second step is performed to remove the barrier or liner layer consisting of Ta, TaN, Ti or TiN. For the second step, a slurry based on silica whose pH is close to neutral is described.
CMP에 의해 반도체 웨이퍼를 연마함으로써 나타나는 문제 중의 하나는, 전기 회로 인터커넥트를 제공하는 구리 인터커넥트 구조물의 표면 조도(surface roughness)가 표준 제조방법에 의해 규정된 허용 한계를 넘는다는 것이다. 과도한 표면 조도는 엄격한 CMP 연마로부터 발생한다고 인식되고 있다. 표면을 매끄럽게 하여 표면 조도를 허용 한계로 감소시키는, 반도체 웨이퍼의 연마방법이 요구되고 있다. 추가로, 인터커넥트의 표면 조도가 허용 한계 내에 존재하도록 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마 조성물이 요구되고 있다.One of the problems presented by polishing semiconductor wafers by CMP is that the surface roughness of copper interconnect structures providing electrical circuit interconnects exceeds the tolerances defined by standard fabrication methods. It is recognized that excessive surface roughness arises from strict CMP polishing. There is a need for a method of polishing a semiconductor wafer that smoothes the surface to reduce surface roughness to an acceptable limit. In addition, there is a need for a polishing composition for polishing a semiconductor wafer such that the surface roughness of the interconnect is within acceptable limits.
본 발명은The present invention
염소 이온을 포함하는 액체 연마 조성물을 제공하는 단계,Providing a liquid polishing composition comprising chlorine ions,
반도체 웨이퍼 위의 차단층을 액체 연마 조성물로 연마함으로써, 차단층을 제거하고 구리 인터커넥트 위의 고점(high point)을 연마하여 연마 조성물 중에 구리 이온을 용해시키는 단계 및Polishing the barrier layer on the semiconductor wafer with the liquid polishing composition, thereby removing the barrier layer and polishing the high point on the copper interconnect to dissolve copper ions in the polishing composition, and
염소 이온이 고점 근처로 이동하여 구리 이온이 고점 위에 재도금되는 것을 방지하면서, 액체 연마 조성물의 용액으로부터 구리 이온을 재도금하여 구리 인터커넥트의 표면을 매끄럽게 하는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼의 연마방법을 제공한다.Replating copper ions from a solution of the liquid polishing composition to smooth the surface of the copper interconnect while preventing chlorine ions from moving near the high point and replating the copper ions over the high point. to provide.
당해 구리가 고점 위에 재도금되는 것을 방지함으로써, 구리 인터커넥트의 표면이 매끄럽게 되어, 표면 조도가 표준 제조방법에 의해 규정된 허용 한계 범위 내에 존재하게 된다.By preventing the copper from replating above the high point, the surface of the copper interconnect is smoothed and the surface roughness is within the tolerance limits defined by standard manufacturing methods.
추가로, 본 발명은 반도체 웨이퍼의 연마된 표면 아래에 존재하는 구리 인터커넥트 위의 고점으로 이동하여, 구리 이온이 용액으로부터 고점 위에 재도금되는 것을 방지하는 염소 이온 공급원을 포함하는, 반도체 웨이퍼 연마용 연마 조성물을 제공한다.Additionally, the present invention includes a chlorine ion source that moves to a high point on a copper interconnect that resides below the polished surface of the semiconductor wafer, thereby preventing copper ions from replating from the solution onto the high point. To provide a composition.
본원에서 본 발명의 양태는 아래의 상세한 설명을 참고로 예를 들어 기재되어 있다.Embodiments of the invention herein are described by way of example with reference to the following detailed description.
점점 복잡하고 치밀화되는 반도체 구조물 제조시의 필요사항 중 하나는 평탄화 능력으로서, 이러한 능력이 없을 경우 반도체 웨이퍼 위에 제조된 구조물의 복잡성 및 밀도는 매우 제한된다. 화학적-기계적 평탄화법(Chemical-Mechanical Planarization), 즉 CMP는 반도체 기판 위의 표면 막을 평탄화하는 가장 효과적인 방법인 것으로 입증되었다.One of the requirements in the fabrication of increasingly complex and densified semiconductor structures is the planarization capability, without which the complexity and density of structures fabricated on semiconductor wafers is very limited. Chemical-Mechanical Planarization, or CMP, has proven to be the most effective way to planarize surface films on semiconductor substrates.
반도체 웨이퍼는 3개의 상이한 막 또는 층으로 구성된다: 전도성 금속 층, 전도성 금속 층과 유전층 사이의 차단층 또는 라이너 층, 및 유전층. 예를 들면, 반도체 웨이퍼는 전도성 구리 층, 탄탈륨 또는 질화탄탈륨으로 이루어진 차단층 및 이산화규소로 이루어진 유전층으로 구성된다. CMP를 수행하여 연마하는 경우, Cu 및 Ta/TaN 차단층이 가능한 한 신속하게 제거되는 반면, SiO2유전층이 가능한 한 저속으로 제거된다. 추가로, 연마되고 있는 표면 아래에 함몰된 전도성 회로 인터커넥트를 보유하는 것이 중요하다. 인터커넥트 구조물 내의 Cu의 제거는 바람직하지 않고 "디싱(dishing)"으로 알려져 있다. 인터커넥트 구조물 내의 SiO2유전층의 제거는 바람직하지 않고 "부식(erosion)"으로 알려져 있다.The semiconductor wafer consists of three different films or layers: a conductive metal layer, a barrier or liner layer between the conductive metal layer and the dielectric layer, and a dielectric layer. For example, a semiconductor wafer consists of a conductive copper layer, a barrier layer made of tantalum or tantalum nitride, and a dielectric layer made of silicon dioxide. When polishing by performing CMP, the Cu and Ta / TaN barrier layers are removed as quickly as possible, while the SiO 2 dielectric layer is removed as slowly as possible. In addition, it is important to have a conductive circuit interconnect recessed under the surface being polished. Removal of Cu in the interconnect structure is undesirable and known as "dishing". Removal of the SiO 2 dielectric layer in the interconnect structure is undesirable and known as "erosion".
본 발명의 한 양태에 따라, 염소 이온은 반도체 표면에 결합하고, 표면 전체에 걸쳐 신속하게 이동할 수 있는 이동성 종(mobile species)으로서 존재한다. 당해 이동성 종은 특정 부위에 평형을 이루어 시스템의 에너지를 최소화한다. 이들 동일한 국소화된 고 표면 에너지 부위는 결함이 시작되는 부위이다. 당해 부위에 염소 이온이 존재하면 당해 부위에서의 표면 에너지가 감소되어 임의의 다른 부위에서의 표면 에너지와 필수적으로 구분할 수 없게 된다. 균일한 표면 에너지는 웨이퍼의 표면 상태의 변화 및 국소화된 불균일한 공정을 무효화한다. 이는 표면 현상이므로, 국소화된 변화를 무효화하는 데 필요한 염소 이온을 제공하는 화합물의 양은 5ppm 만큼 적을 수 있다. 바람직하게는, 사용된 화합물의 양은 7 내지 2000ppm이다. 가장 바람직하게는 10 내지 1000ppm이다.According to one aspect of the present invention, chlorine ions are present as mobile species that bind to the semiconductor surface and are capable of rapid movement across the surface. The mobile species equilibrate at specific sites to minimize the energy of the system. These same localized high surface energy sites are where the defects begin. The presence of chlorine ions at the site reduces the surface energy at that site, making it essentially indistinguishable from the surface energy at any other site. Uniform surface energy negates changes in the surface state of the wafer and localized non-uniform processes. Since this is a surface phenomenon, the amount of compound that provides the chlorine ions needed to negate localized changes can be as low as 5 ppm. Preferably, the amount of compound used is 7 to 2000 ppm. Most preferably 10 to 1000 ppm.
CMP에 사용되는 수용액 조성물에 대한 염소 이온의 첨가는 금속을 포함하는 반도체 웨이퍼에 특히 유용하고, 금속이 구리인 경우에 특히 유효하다.The addition of chlorine ions to the aqueous solution composition used in the CMP is particularly useful for semiconductor wafers containing metals, especially when the metal is copper.
구리를 연마하는 데 유용한 조성물은 전형적으로, 조성물에 용해 상태의 구리 이온을 제공하는 착화제, 예를 들면, 시트르산; 초기 부식 억제제, 예를 들면, 벤조트리아졸 및 유기 중합체, 예를 들면, 폴리비닐 피롤리돈을 포함한다. 추가로, 당해 조성물은 연마제를 포함하지 않는 연마 패드와 함께 사용되는, 액체 현탁액 중의 콜로이드성 실리카 입자 형태인 연마제를 포함한다. 또한, 조성물이 연마제를 포함하지 않아서, 그 자체가 연마제를 포함하는 연마 패드와 함께 사용할 수 있도록 한다.Compositions useful for polishing copper typically include complexing agents, such as citric acid, to provide copper ions in dissolved form to the composition; Early corrosion inhibitors such as benzotriazole and organic polymers such as polyvinyl pyrrolidone. In addition, the composition comprises an abrasive in the form of colloidal silica particles in a liquid suspension, used with a polishing pad that does not include the abrasive. In addition, the composition does not contain an abrasive, so that the composition itself can be used with a polishing pad comprising the abrasive.
콜로이드성 실리카, 시트르산, BTA(벤조트리아졸) 및 PVP(폴리비닐 피롤리돈)를 포함하는 조성물 A 및 B를 제조한다. 추가로, 조성물 B에 염화암모늄 5 내지 10000중량ppm 및 과염소산암모늄 0.01중량%를 포함시킨다. 구리 인터커넥트를 포함하는 패턴화된 웨이퍼를 조성물 A 및 B를 사용하여 표준 조건하에 IPEC 웨스테크(Westech) 372 연마기 상에서 연마한다. 디지탈 인스트루먼츠, 인코포레이티드(Digital Instruments, Inc.)에서 시판중인 AFM(원자력현미경(Atomic Force Microscope))을 사용하여 표면 조도를 측정한다. 태핀모드(TappinModeR)를 사용하는 디지탈 인스트루먼트 디멘션(Digital Instrument DimensionR) 5000 기기를 사용하여 PV[피크로부터 골까지의 조도(peak to valley roughness)], RMS[실효치 조도(root mean square roughness)] 및 Ra[산술 평균 조도(arithmetic average roughness)]를 측정한다. 아래의 표 1은 패턴화된 웨이퍼를 조성물 A 및 조성물 B를 사용하여 연마하는 경우 수득된 조도 값을 나타낸다.Compositions A and B are prepared comprising colloidal silica, citric acid, BTA (benzotriazole) and PVP (polyvinyl pyrrolidone). Further, Composition B comprises 5 to 10000 ppm by weight of ammonium chloride and 0.01% by weight of ammonium perchlorate. Patterned wafers comprising copper interconnects are polished on IPEC Westech 372 polishers using compositions A and B under standard conditions. Surface roughness is measured using AFM (Atomic Force Microscope) commercially available from Digital Instruments, Inc. PV [peak to valley roughness], RMS [root mean square roughness] using a Digital Instrument Dimension R 5000 instrument using TappinMode R And R a (arithmetic average roughness). Table 1 below shows the roughness values obtained when the patterned wafer is polished using Composition A and Composition B.
표 1에는 소량의 염소 이온을 연마 조성물에 가하는 경우의 조도 개선이 기재되어 있다. 이러한 염소 이온은 제1 단계 연마 및/또는 제2 단계 연마의 결과로서 구리 인터커넥트의 표면 조도를 개선시키기 위해 연마 조성물에 포함시킨다.Table 1 describes the roughness improvement when a small amount of chlorine ions is added to the polishing composition. Such chlorine ions are included in the polishing composition to improve the surface roughness of the copper interconnect as a result of the first and / or second stage polishing.
예를 들면, 제1 단계 연마를 공지된 CMP 공정에 따라 연마 패드와 연마 조성물을 사용하여 수행함으로써, 아래에 있는 차단층으로부터 과량의 구리 금속을 제거하는 반면에, 차단층의 연마된 표면 아래의 홈의 패턴으로 패턴화된 구리를 유지한다. 패턴화된 구리는 홈 내의 전기 회로 인터커넥트를 제공한다.For example, first step polishing may be performed using a polishing pad and polishing composition in accordance with a known CMP process to remove excess copper metal from the underlying barrier layer, while removing excess copper metal from the underlying barrier surface. Maintain copper patterned in a pattern of grooves. Patterned copper provides electrical circuit interconnects in the grooves.
그러나, 특히, 거친 연마제를 사용하여 수행되는 제1 단계 연마는 패턴화된구리의 표면 조도가 표준 제조방법에 의해 규정된 허용 한계를 넘어서는 경향이 있다. 표면 조도는 패턴화된 구리의 표면 위에 고점을 갖는 것으로 생각할 수 있다. 일부 고점은 매우 예리할 수 있다. 다른 것들은 덜 예리하지만, 그럼에도 불구하고 표면 조도의 허용 한계를 넘는다. 높은 표면 조도는 제1 단계 연마에 수반되는 연마 조성물 중에 염소 이온을 제공함으로써 방지할 수 있었다. 그러나, 제1 단계 연마로부터 초래되는 과도한 표면 조도는 염소 이온을 함유하는 연마 조성물을 사용하는 제2 단계 연마를 수행함으로써 감소된다.In particular, however, the first stage polishing performed using a coarse abrasive tends to have surface roughness of the patterned copper exceed the allowable limits defined by standard manufacturing methods. Surface roughness can be thought of as having a high point on the surface of the patterned copper. Some highs can be very sharp. Others are less sharp, but nevertheless exceed the permissible limits of surface roughness. High surface roughness could be prevented by providing chlorine ions in the polishing composition involved in the first stage polishing. However, excessive surface roughness resulting from the first stage polishing is reduced by performing a second stage polishing using a polishing composition containing chlorine ions.
패턴화된 구리가 연마 조성물에 의해 습윤화되고 전하를 가지므로 고점에 전기장이 집중되는 상황에서와 같이, 이러한 고점은 고 에너지 영역인 것으로 생각할 수 있다.Since the patterned copper is wetted by the polishing composition and has a charge, such a high point can be thought of as a high energy region, as in the situation where the electric field is concentrated at the high point.
제1 단계 연마 공정 후에 제2 단계 연마를 공지된 CMP 방법으로 수행하여, 아래에 있는 유전층으로부터 차단층을 제거하고, 유전층의 연마된 표면 아래의 함몰된 홈 내에 구리 인터커넥트를 남긴다. 본 발명에 따라, 액체 연마 조성물 중에 제공된 염소 이온은 구리 인터커넥트의 표면 조도를 감소시켜 표면 조도가 허용 한계 내에 존재하게 된다.After the first stage polishing process, the second stage polishing is performed by a known CMP method to remove the barrier layer from the underlying dielectric layer, leaving the copper interconnect in the recessed groove below the polished surface of the dielectric layer. According to the present invention, chlorine ions provided in the liquid polishing composition reduce the surface roughness of the copper interconnect such that the surface roughness is within acceptable limits.
공지된 CMP 방법에 의한 제2 단계 연마는, 차단층을 형성하는 물질의 제거에 선택적이고 구리 제거에 선택적인 산화제를 포함하거나, 차단층 제거에 선택적이면서 구리 제거에 선택적인 산화제를 포함하지 않는 액체 연마 조성물을 사용하여 수행한다. 제2 단계 연마를 수행하여 연마 작용에 의해 차단층을 제거하고, 그 정도는 더 작지만 연마 작용에 의해 구리의 고점을 제거하여 액체 연마 조성물에 용해된 구리 이온을 제공한다.The second step polishing by the known CMP method is a liquid which is selective for the removal of the material forming the barrier layer and includes an oxidant selective for copper removal or a oxidant selective for removal of the barrier layer and free of selective copper removal. It is carried out using the polishing composition. A second stage polishing is performed to remove the barrier layer by polishing action, to a lesser extent but to remove the high point of copper by polishing action to provide dissolved copper ions in the liquid polishing composition.
연마에 사용될 액체 연마 조성물에 구리의 산화제가 존재하지 않는 경우, 제1 단계 연마 또는 제2 단계 연마에 의해 구리 이온은 존재하는 고 에너지 영역으로 이동하여, 용액으로부터 재도금되어 바람직하지 않은 노듈(nodule) 및/또는 수지상 결정(dendrite)을 형성하는 경향이 있다. 본 발명에 따라서, 염소 이온이 액체 연마 조성물 중에 제공된다. 염소 이온은 고 에너지 영역으로 이동하는 경향이 있고, 전기장을 없애고 구리 이온의 재도금 및 고 에너지 영역 위의 노듈 및/또는 수지상 결정의 형성을 방지하는 경향이 있다. 염소 이온은 인터커넥트 표면에 걸쳐 편평하게 재도금되어 표면 조도가 감소되어 허용 한계 내에 존재하게 된다.If the oxidizing agent of copper is not present in the liquid polishing composition to be used for polishing, the copper ions move to the high energy region present by the first stage polishing or the second stage polishing, and are replated from the solution, thereby causing undesirable nodules. ) And / or dendrite. According to the invention, chlorine ions are provided in the liquid polishing composition. Chlorine ions tend to migrate to the high energy region, to eliminate electric fields and to prevent replating of copper ions and the formation of nodules and / or dendritic crystals above the high energy region. Chlorine ions are replated flat across the interconnect surface to reduce surface roughness and remain within acceptable limits.
연마 동안 염소 이온의 고점으로의 이동은 고 에너지 영역에 집중된 전기장을 없애고, 이로써 구리 이온이 유인되어 용액으로부터, 패턴화된 구리 상의 고점 위에 재도금되는 것을 방지한다. 구리 이온은 용액으로부터 구리 표면에 골고루 퍼뜨려지는 방식으로 재도금되고, 덜 바람직하게는 고점 위에 축적된다. 추가로, 연마 조성물 중에 산화제를 사용하거나 사용하지 않는 연마에 의해 고점을 연마하고 이로부터 구리를 제거한다. 따라서, 고점 연마는 고 에너지 영역을 제거하는 역할을 하여, 구리 이온이 용액으로부터 골고루 퍼뜨려지는 방식으로 재도금되고, 이로써 표면 조도가 감소되어 허용 범위 내에 존재하게 된다.Movement of chlorine ions to the high point during polishing eliminates the electric field concentrated in the high energy region, thereby preventing copper ions from attracting and replating from the solution above the high point on the patterned copper. Copper ions are replated in a manner that is evenly spread from the solution onto the copper surface and less preferably accumulate above the high point. In addition, the high point is polished and copper is removed from the polishing composition with or without an oxidizing agent in the polishing composition. Thus, high point polishing serves to remove the high energy region, whereby copper ions are replated in such a way that they are evenly spread from the solution, thereby reducing the surface roughness and being within the acceptable range.
산화제, 예를 들면, 다량의 과염소산암모늄이 제2 단계 연마에 사용될 액체 연마 조성물 중에 존재하는 경우, 산화제는 패턴화된 구리 표면 위의 고점을 산화시키는 경향이 있다. (또한, 제1 단계 연마를 조급히 종료하는 경우, 산화제는 아래쪽에 있는 차단층 위에 남겨진 잔류 구리의 얼룩점을 산화시키는 경향이 있다.) 제2 단계 연마는 고점으로부터 산화된 구리를 제거하고, CMP 연마 분야에 공지된 바와 같이, 제거된 산화물 이온은 액체 연마 조성물에 용해 상태로 유지된다. 산화제는 구리 표면 위의 고점 제거에 기여하여, 표면을 매끄럽게 하여 표면 조도를 허용 범위 내에 존재하게 한다. 산화제 농도와 염소 이온 농도의 균형이 깨져서, 염소 이온이 각각의 고 에너지 영역에 근접하여 구리 이온이 유인되어 용액으로부터, 고 에너지 영역으로 재도금되는 것을 방지하기에 충분한 농도로 존재한다.If an oxidant, such as a large amount of ammonium perchlorate, is present in the liquid polishing composition to be used for the second stage polishing, the oxidant tends to oxidize the high point on the patterned copper surface. (Also, when the first stage polishing is swiftly terminated, the oxidant tends to oxidize the spots of residual copper left on the underlying barrier layer.) The second stage polishing removes the oxidized copper from the high point and CMP polishing. As is known in the art, the removed oxide ions remain dissolved in the liquid polishing composition. The oxidant contributes to the removal of high points on the copper surface, smoothing the surface so that the surface roughness is within the acceptable range. The balance between the oxidant concentration and the chlorine ion concentration is broken so that chlorine ions are present at a concentration sufficient to prevent copper ions from attracting and replating from the solution into the high energy region in proximity to each high energy region.
연마 조성물 중의 염소 이온은 이동성 이온 종이다. 패턴화된 구리의 표면이 충분히 매끄럽거나 연마 공정 동안 매끄러워지는 경우, 고 에너지 영역이 실질적으로 제거되며, 연마 조성물 중의 염소 이온이 이동성이고 고 에너지 영역으로 유인되지 않는다. 이동성 염소 이온은 연마된 표면으로부터 교반에 의해 용이하게 제거되지 않으므로, 염소 이온의 간섭 없이 연마를 수행할 수 있다.Chlorine ions in the polishing composition are mobile ionic species. If the surface of the patterned copper is sufficiently smooth or smoothed during the polishing process, the high energy region is substantially removed and the chlorine ions in the polishing composition are mobile and not attracted to the high energy region. Since mobile chlorine ions are not easily removed from the polished surface by stirring, polishing can be performed without interference of chlorine ions.
본 발명은 제2 단계 연마에 대해서 기재되어 있지만, 본 발명은 유리하게는 구리 및 아래에 있는 차단층(이들 둘 다 본 발명에 따르는 연마 조성물을 사용하여 단일 단계로 연마하여 제거된다) 둘 다의 제거에 선택적인 연마 조성물을 사용하는 단일 단계 연마공정으로 이루어진 방법을 제공한다.Although the present invention has been described with respect to the second stage polishing, the invention advantageously consists of both copper and the underlying barrier layer, both of which are removed by polishing in a single step using the polishing composition according to the invention. Provided is a single step polishing process using a polishing composition that is selective for removal.
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