KR20050079313A - 구리 연마용 슬러리 및 이를 이용한 연마 방법 - Google Patents

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Abstract

구리 연마용 슬러리 및 이를 이용한 구리막의 연마 방법이 개시된다. 산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터로서 글리신을 포함하는 슬러리를 마련한다. 그리고, 상기 슬러리를 연마 패드 상에 제공함과 아울러 상기 연마 패드에 구리막을 접촉시킴으로서 구리막의 연마가 진행된다. 상기 연마에서는 구리막의 표면의 거칠기가 양호하고, 오염이 거의 발생하지 않는다.

Description

구리 연마용 슬러리 및 이를 이용한 연마 방법{slurry for polishing a copper and method for polishing a copper layer using the same}
본 발명은 구리 연마용 슬러리 및 이를 이용한 구리막의 연마 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화제(oxidizer)와 인히비터(inhibitor)를 포함하는 구리 연마용 슬러리 및 이를 이용한 구리막의 연마 방법에 관한 것이다.
최근, 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 그 기능 면에 있어서, 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이러한 요구에 부응하기 위하여 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 제조 기술이 발전되고 있다.
따라서, 반도체 장치의 금속 배선으로 사용되는 금속막에 대한 요구도 엄격해지고 있다. 이에 따라, 최근의 반도체 장치에서는 금속막으로서 비저항이 상대적으로 낮고, 일렉트로 마이그레이션(electromigration) 특성이 양호한 구리막을 적용하고 있다.
그리고, 구리막을 적용한 금속 배선은 구리막의 식각이 용이하지 않기 때문에 주로 다마신(damascene) 기법을 적용하여 형성하고 있다. 즉, 개구부를 갖는 절연막 패턴을 형성하고, 개구부 내에 구리막을 충분하게 매립시킨 후, 구리막을 연마시킴으로서 형성하는 것이다. 구리막의 연마는 주로 슬러리를 사용한 화학기계적 연마에 의해 달성된다. 이때, 산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터로서 BTA를 포함하는 슬러리를 사용한다. 아울러, 충분한 연마 속도를 얻기 위하여 상기 H2O2는 적어도 25중량%의 농도를 갖도록 조정되고, 상기 BTA는 약 1중량%의 농도를 갖도록 조정된다. 즉, 개구부의 입구 부위에 부식이 발생하지 않는 상태에서 적어도 6,000Å/min 정도의 연마 속도를 갖도록 조정하는 것이다.
그러나, 상기 슬러리를 사용한 연마에서는 충분한 연마 속도의 획득이 가능하고, 부식의 발생을 줄일 수는 있지만, 상기 연마에 따른 오염의 발생 및 연마되는 구리막 표면의 거칠기(roughness)가 나빠지는 상황이 빈번하게 발생한다.
이와 같이, 종래의 방법에 의한 구리막 연마에서는 오염의 발생 및 불량한 거칠기로 인하여 반도체 장치의 전기적 신뢰도에 나쁜 영향을 끼치는 문제점을 갖는다.
본 발명의 제1목적은 구리막의 연마를 실시하여도 연마가 이루어지는 표면의 거칠기가 양호하고, 오염이 발생하지 않는 슬러리를 제공하는데 있다.
본 발명의 제2목적은 연마가 이루어지는 표면의 거칠기가 양호하고, 오염이 발생하지 않는 슬러리를 사용하여 구리막을 연마하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 구리막 연마용 슬러리는, 산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터(inhibitor)로서 글리신을 포함한다.
상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명의 구리막 연마 방법은,
산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터로서 글리신을 포함하는 슬러리를 마련하는 단계;
상기 슬러리를 연마 패드 상에 제공하는 단계; 및
상기 연마 패드에 구리막을 접촉시키는 단계를 포함한다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터로서 글리신을 포함하는 슬러리를 제공하고, 이를 사용하여 구리막의 연마를 실시한다. 때문에, 상기 슬러리를 사용하여 구리막을 연마하여도 연마되는 구리막의 표면의 거칠기가 양호하고, 오염이 거의 발생하지 않는다. 아울러, 충분한 연마 속도를 나타내고, 부식이 발생하지도 않는다. 따라서, 본 발명의 슬러리를 사용한 연마를 통하여 형성하는 구리막의 금속 배선은 충분한 전기적 신뢰도를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 슬러리에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 슬러리는 산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터로서 글리신을 포함한다. 그리고, 상기 슬러리는 연마 입자로서는 주로 알루미나를 포함한다.
여기서, 상기 H2O2의 농도가 2.5중량% 미만일 경우에는 원하는 연마 속도를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않고, 상기 H2O2의 농도가 5.0중량%를 초과할 경우에는 연마를 실시할 때 오염의 발생을 많이 유발시키는 원인으로 작용하기 때문에 바람직하지 않다. 때문에, 상기 H2O2는 2.5 내지 5.0 중량%의 농도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 글리신(glycine)의 경우에는 간단한 아미노산의 하나로서, 수용액 속에서는 주로 세가지 형태로 존재한다. 즉, +H3NCH2COOH, +H3NCH2COO- 또는 H3NCH2COO- 의 형태로 존재한다. 아울러, 다음의 화화식은 pH가 약 4인 영역에서 구리막에 함유된 구리 이온들과 수용액 상태로 존재하는 글리신을 포함하는 슬러리와의 반응을 나타내고 있다.
Cu2+ + +H3NCH2COO- = Cu(H2NCH2COO)+ + H
⇒ Cu(H2NCH2COO)+ + H = Cu(H3NCH2COO)2+
⇒ Cu(H2NCH2COO)+ + +H3NCH2COO- = Cu(H2NCH2COO)2 + 2H+
⇒ Cu(H2NCH2COO)2 + e = Cu(H2NCH2COO)2 -
위와 같은 반응이 일어남으로서 글리신은 부식을 발생시키는 전자를 환원시키는 역할을 담당하는 것을 확인할 수 있다. 아울러, 구리 이온들과 글리신과의 반응 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 때문에, 글리신을 포함하는 슬러리를 사용할 경우 연마가 이루어지는 구리막의 부식을 줄임과 동시에 연마 속도가 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 슬러리가 갖는 pH가 4인 경우에 안전한 상태를 유지하기 때문에 상기 pH를 4 내지 5 정도로 조정하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 글리신의 농도가 0.05몰 미만일 경우에는 연마 속도에 지장을 주기 때문에 바람직하지 않고, 상기 글리신의 농도가 0.1몰을 초과할 경우에는 연마되는 구리막의 부식에 지장을 주기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 글리신은 0.05 내지 0.1몰의 농도를 갖는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 슬러리는 구리막의 연마에 있어 부식을 발생하지 않음과 동시에 충분한 연마 속도를 제공한다. 또한, 구리막의 연마에 있어 오염의 발생을 줄임과 동시에 연마되는 구리막 표면의 양호한 거칠기를 확보할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 슬러리를 사용한 구리막의 연마 방법에 대한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리막의 연마 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 구리막을 연마하기 위한 슬러리를 마련한다.(S10) 따라서, 상기 슬러리는 pH가 약 4로 조정되고, 산화제로서 약 3.0중량%의 농도를 갖는 H2O2를 포함하고, 인히비터로서 약 0.07몰의 농도를 갖는 글리신을 포함한다.
이어서, 상기 슬러리를 연마 패드 상에 제공한다.(S12) 즉, 도 2를 참조하면, 회전 정반(10)의 연마 패드(12) 상에 노즐(14)을 통하여 상기 슬러리(S)를 제공한다. 이때, 구리막을 갖는 기판(W)은 캐리어 해드(16)에 의해 파지되어 있다.
그리고, 캐리어 해드(16)에 의해 파지된 기판(W)을 연마 패드(12)에 접촉시킨다.(S14) 즉, 기판(W) 상에 형성된 구리막을 연마 패드(12)에 접촉시킴으로서 구리막의 연마가 이루어지는 것이다. 아울러, 상기 연마에서는 회전 정반(10)과 캐리어 해드(16)가 회전함으로서 상기 구리막의 연마의 효율을 더욱 높인다.
상기 구리막의 연마는 주로 다마신 기법에 의해 구리막을 금속 배선으로 형성하는 공정에 적용된다. 이를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 3a를 참조하면, 기판(30) 상에 절연막을 형성한다. 그리고, 상기 절연막을 패터닝하여 개구부(33)를 갖는 절연막 패턴(32)으로 형성한다. 이때, 상기 개구부(33)는 콘택홀 또는 비아홀이 해당된다. 도 3b를 참조하면, 절연막 패턴(32)의 표면, 개구부(33)의 측벽 및 저면에 장벽 금속막(34)을 연속적으로 형성한다. 장벽 금속막(34)의 예로서는 질화 탄탈륨막 또는 질화 티티늄막 등을 들 수 있다. 이어서, 개구부(33)에 충분하게 매립되도록 개구부(33)를 갖는 결과물 상에 구리막(36)을 형성한다. 도 3c를 참조하면, 구리막(36)의 연마를 실시한다. 이때, 상기 연마는 절연막 패턴(32)의 표면이 노출될 때까지 실시된다. 이와 같이, 상기 연마를 실시함으로서 개구부(33) 내에만 장벽 금속막 패턴(34a) 및 구리막 패턴(36a)이 형성되는 다마신 구조를 갖는 금속 배선을 얻을 수 있다.
상기 구리막의 연마에서는 전술한 슬러리를 사용한다. 때문에, 충분한 연마 속도를 확보한 상태에서 연마가 이루어지고, 부식이 거의 발생하지 않는다. 또한, 산화제의 농도를 조정하고, 글리신을 인히비터로 사용하기 때문에 연마를 실시하여도 오염이 거의 발생하지 않고, 획득한 구리막 패턴의 표면이 양호한 거칠기를 갖는다.
따라서, 본 발명에 의하면 화학기계적 연마를 통하여 다마신 구조를 갖는 구리막의 금속 배선을 획득하여도 충분한 전기적 신뢰도의 확보가 가능하다. 때문에, 반도체 장치의 신뢰도가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리막의 연마 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리막의 연마 방법에 적용되는 화학기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리막의 연마 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

Claims (8)

  1. 산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터(inhibitor)로서 글리신을 포함하는 구리 연마용 슬러리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 H2O2는 2.5 내지 5.0 중량%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 구리 연마용 슬러리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 글리신은 0.05 내지 0.1몰(mole)의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 구리 연마용 슬러리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 글리신은 pH가 4 내지 5인 것을 특징으로 하는 구리 연마용 슬러리.
  5. 산화제로서 H2O2를 포함하고, 인히비터로서 글리신을 포함하는 슬러리를 마련하는 단계;
    상기 슬러리를 연마 패드 상에 제공하는 단계; 및
    상기 연마 패드에 구리막을 접촉시키는 단계를 포함하는 반도체 장치의 구리막 연마 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 H2O2는 2.5 내지 5.0 중량%의 농도를 갖고, 상기 글리신은 0.05 내지 0.1몰(mole)의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 구리막 연마 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 글리신을 포함하는 슬러리는 pH가 4 내지 5인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 구리막 연마 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 구리막은 개구부를 갖는 구조물 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 구리막 연마 방법.
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