KR20060113277A - Method for forming a copper metal in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 CMP 장치를 도시한 정단면도. 1 is a front sectional view showing a general CMP apparatus.
도 2a 내지 도 2c는 종래기술에 따른 반도체 소자의 구리배선 형성방법을 도시한 단면도.2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method for forming copper wirings of a semiconductor device according to the prior art.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 구리배선 형성방법을 도시한 단면도.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a method of forming copper wirings in a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 110 : 반도체 구조물층10, 110: semiconductor structure layer
11, 111 : 절연막11, 111: insulating film
12, 112 : 배리어막12, 112: barrier film
13, 113 : 구리층13, 113: copper layer
본 발명은 반도체 소자의 구리배선 형성방법에 관한 것으로, 특히 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 이용한 구리배선 평탄화방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 반도체 소자의 고속화 및 고집적화에 따라 다층 배선 구조에 있어서, 배선 층수의 증가와 배선 패턴의 미세화에 대한 요구가 갈수록 높아져 다층 배선 기술이 서브 마이크론 공정에서 중요한 과제이다. 특히, 0.15㎛ 이하의 공정시대에 들어서면서 미세 패턴 형성을 실현하기 위한 노광장치의 초점 심도에 대한 공정 여유도가 감소함에 따라 충분한 초점 심도를 확보하기 위하여 칩 영역에 걸친 광역 평탄화 기술이 요구된다. BACKGROUND ART In recent years, with the increase in the speed and the high integration of semiconductor devices, there is an increasing demand for increasing the number of wiring layers and miniaturization of wiring patterns in a multilayer wiring structure, so that multilayer wiring technology is an important problem in the submicron process. In particular, as the process margin with respect to the depth of focus of the exposure apparatus for realizing fine pattern formation is reduced while entering a process age of 0.15 μm or less, a wide area planarization technique is required over the chip region to secure sufficient depth of focus.
이와 같은 광역 평탄화를 실현하기 위해 현재 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하, CMP라 함)기술이 반도체 소자 제조공정에 필수적으로 적용되고 있다. 예컨대, CMP 기술은 소자의 고속화를 실현하기 위해 다층 배선이 요구되는 논리소자에 많이 적용되고 있을 뿐만 아니라 메모리 소자에서도 적용되고 있다. In order to realize such a planar flattening, chemical mechanical polishing (CMP) technology is currently applied to a semiconductor device manufacturing process. For example, the CMP technology is not only applied to logic devices that require multi-layered wiring for realizing high speed, but also to memory devices.
도 1은 일반적인 CMP 장치 및 그 동작원리를 설명하기 위하여 도시한 정단면도이다. 1 is a front sectional view illustrating a general CMP apparatus and its operation principle.
도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 헤드(1)에 의해 웨이퍼(W)가 클램핑되면, 헤드(1)가 패드(5)의 상측으로 이동되어 패드(5)의 상면에 웨이퍼(W)의 연마면을 밀착시킨다. 이때, 패드(5)는 지지대(7)의 상측에 설치되어 지지대(7)에 의해 지지된 다. 이후, 헤드(1)와 지지대(7)가 각각의 회전축(3, 9)에 의해 같은 방향(또는, 다른 방향), 다른 속도로 회전되면서 웨이퍼(W)의 연마면과 패드(5)의 접촉면 사이에 헤드(1)와 패드(5) 사이의 상대 속도록 인한 마찰력이 발생되어 웨이퍼(W)가 연마된다.As shown in FIG. 1, when the wafer W is first clamped by the
이러한 CMP 기술은 듀얼 다마신(dual damascene) 공정 또는 싱글 다마신(single damascene) 공정을 이용한 반도체 소자의 구리배선 형성공정에도 적용된다. The CMP technology is also applied to a copper wiring forming process of a semiconductor device using a dual damascene process or a single damascene process.
도 2a 내지 도 2c는 종래기술에 따른 따른 CMP 기술을 이용한 반도체 소자의 구리배선 형성공정을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 싱글 다마신 공정을 적용한 반도체 소자의 구리배선 형성공정을 설명하기로 한다. 2A through 2C are cross-sectional views illustrating a copper wiring forming process of a semiconductor device using a CMP technique according to the prior art. For convenience of description, a process of forming a copper wiring of a semiconductor device to which a single damascene process is applied will be described.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 구조물층(10) 상에 절연막(11)을 증착한 후 싱글 다마신 공정을 실시하여 트렌치(trench) 또는 비아홀(via hole)(미도시)을 형성한다. 그런 다음, 트렌치를 포함하는 전체 구조 상부의 단차를 따라 Ta/TaN 적층막으로 배리어막(barrier layer, 12)을 증착한다. 그런 다음, 트렌치가 완전히 매립되도록 배리어막(12)을 포함하는 전체 구조 상부에 구리층(13)을 증착한다. First, as shown in FIG. 2A, a trench or via hole (not shown) is formed by depositing an
이어서, 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 서로 다른 슬러리(slurry)를 이용한 CMP 공정(14, 15)을 순차적으로 실시하여 구리층(13) 및 배리어막(12)을 연마한다. 이로써, 트렌치 내부에 고립된 구리배선이 형성된다. Subsequently, as illustrated in FIGS. 2B and 2C, the CMP processes 14 and 15 using different slurries are sequentially performed to polish the
이와 같이, 종래기술에 따른 반도체 소자의 구리배선 형성방법에서는 구리 연마용 슬러리를 이용하여 구리층(13)을 먼저 평탄화한 후 슬러리를 변경하여 배리어막(12)을 연마한다. 즉, 구리배선 형성공정시 서로 다른 슬러리를 사용하여 CMP 공정이 수행된다. As described above, in the method of forming a copper wiring of a semiconductor device according to the related art, the
이처럼 구리배선 형성공정시 두 종류의 슬러리를 사용하기 위해서는 연마 장비에서도 각 슬러리 마다 전용 연마패드를 사용해야 하며, 슬러리 공급장치도 별도로 마련해야 한다. 더욱이 두 종류의 슬러리를 사용하는 경우 장비에서의 처리량(throughput)이 크게 저하될 뿐만 아니라, 각 슬러리의 호환성, 즉 결함 발생을 최소화하기 위해 적절한 슬러리의 조합이 요구되는 등 공정단가 측면에서 많은 문제가 발생한다. In order to use the two types of slurry in the copper wiring forming process, a dedicated polishing pad must be used for each slurry in the polishing equipment, and a slurry supply device must be separately provided. In addition, the use of two types of slurry not only significantly reduces the throughput of the equipment, but also requires a lot of problems in terms of process cost, such as the compatibility of each slurry, that is, an appropriate combination of slurry to minimize defects. Occurs.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 두종류의 슬러리를 사용하지 않고 동일한 슬러리를 사용하여 구리층과 배리어막을 동시에 연마할 수 있는 반도체 소자의 구리배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and a method for forming a copper wiring of a semiconductor device capable of simultaneously polishing a copper layer and a barrier film using the same slurry without using two kinds of slurries. The purpose is to provide.
상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 절연막이 형성된 기판을 제공하는 단계와, 상기 절연막을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함하는 전체 구조 상부의 단차를 따라 배리어막을 증착하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 상기 배리어막 상부에 구리층을 증착하는 단계와, 폴리카르복실레이트(polycarboxylate) 계열의 구리연마용 슬러리와 실리카 연마입자를 사용하여 상기 구리층 및 상기 배리어막을 연속적으로 동시에 연마하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 구리배선 형성방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a substrate including an insulating film formed thereon, etching the insulating film to form a trench, and forming a barrier along an upper level of an entire structure including the trench. Depositing a film, depositing a copper layer on the barrier layer so that the trench is embedded, and using the polycarboxylate-based slurry for polishing copper and silica abrasive particles, the copper layer and the barrier Provided is a method for forming a copper wiring in a semiconductor device comprising the step of simultaneously polishing a film continuously.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.
실시예Example
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 구리배선 형성방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a method for forming a copper wiring of a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(미도시) 상에 반도체 구조물층(110)을 형성한다. 이때, 반도체 구조물층(110)은 포토 다이오드(photo diode), 트랜지스터(transistor), 메모리 셀(memory cell), 캐패시터(capacitor), 저항, 인덕터, 접합층, 금속층 및 절연층들 중 적어도 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. First, as shown in FIG. 3A, a
이어서, 반도체 구조물층(110) 상부에 절연막(111)을 증착한다. 이때, 절연 막(111)은 SiO 또는 SiO2 막에 C, F, B, P 및 In 등 중 어느 하나의 불순물이 포함된 산화막으로 이루어진다. 예컨대, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), PSG(Phosphorus Silicate Glass), USG(Un-doped Silicate Glass), FSG(Fluorinated Silicate Glass) 등이 있다. 또한, 절연막(11)은 이러한 산화막들 중 어느 하나로 이루어진 단일층으로 형성하거나, 이러한 막들이 적어도 2층 이상 적층된 적층구조로 형성할 수 있다. Next, an
이어서, 싱글 다마신 공정을 실시하여 트렌치(미도시)를 형성한다. 싱글 다마신 공정 대신에 듀얼 다마신 공정을 선(先)비아 방식 또는 후(後)비아 방식으로 실시할 수도 있다. A single damascene process is then performed to form trenches (not shown). Instead of the single damascene process, the dual damascene process may be carried out in a pre-via or post-via manner.
이어서, 트렌치를 포함하는 전체 구조 상부의 단차를 따라 배리어막(112)을 형성한다. 이때, 배리어막(112)은 Ta, TaN, TaC, TaAlN, TaSiN, TaSi2, Ti, TiN, TiSiN, WN, WBN, WC, Co 및 CoSi2 중 어느 하나의 단일층으로 형성하거나, 이들이 적어도 2층 이상 적층된 적층구조로 형성한다. 예컨대, 적층구조인 경우, Ti/TiN, Ta/TaN막으로 형성한다. 이때, Ti막 또는 Ta막은 접착층(glue layer)으로 기능하는데, 그 이유는 TiN막 또는 TaN막의 접착성이 낮아 하부층과의 접착력이 감소하기 때문이다. 또한, 배리어막(112)은 250Å 내지 350Å, 바람직하게는 300Å 두께로 형성한다. 그리고, 이러한 베리어막은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 방식으로 증착한다. Subsequently, the
이어서, 트렌치가 매립되도록 배리어막(112) 상부에 구리층(113)을 증착한다. 이때, 구리층(113)은 CVD 방식, ALD 방식 또는 전기 도금법 방식으로 형성한다. Subsequently, a
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, CMP 공정(114)을 실시하여 구리층(113)과 배리어막(112)을 연속적으로 연마한다. 이로써, 구리층(113)과 배리어막(112)이 동시에 연마된다. Subsequently, as illustrated in FIG. 3B, the
여기서, CMP 공정(114)은 폴리카르복실레이트(polycarboxylate) 계열의 구리연마용 슬러리를 사용하고, 실리카(SiO2)를 연마입자로 사용한다. 이때, 연마제의 함량은 2wt% 내지 10wt%로 한다. 이로써, 구리층(113)의 연마속도를 15000Å/min 내지 20000Å/min으로 제어하고, 배리어막(112)과의 연마 선택비를 50:1로 가져갈 수 있다. 이처럼, 연마 선택비가 50:1인 경우 Ta의 연마속도는 300Å/min 내지 400Å/min 부근에 근접하게 된다. 그리고, 구리연마용 슬러리는 산화제로 과산화수소(H2O2)를 사용한다. Here, the
한편, CMP 공정(114)시 구리층(113)과 배리어막(112)은 동일한 패드를 이용하여 연마하거나, 서로 다른 패드를 이용하여 연마할 수 있다. 후자의 경우, 배리어막(112)은 결함(defect)을 감소시키기 위하여 소프트(soft) 패드를 이용하여 연마하는 것이 바람직하다. 여기서, 소프트 패드는 구리층(113)을 연마하기 위한 하드 패드(hard pad), 예컨대 폴리 우레탄(poly-urethane) 계열의 패드보다 훨씬 부드러운 패드로 사용한다. 이러한 소프트 패드는 최종 CMP 공정에서 연마된 웨이퍼 의 결함을 제거하기 위하여 터치 폴리싱(touch polishing) 진행시 또는 최종 터치 폴리싱을 추가로 진행하지 않을 목적으로 배리어 금속막(112) 연마에 직접 사용한다. In the
또한, CMP 공정(114)시 디싱(dishing) 및 절연막(111)의 침식(erosion)을 최소화하기 위하여 높은 연마속도로 구리층(113)을 우선적으로 연마한 후 연마속도를 감소시켜 잔류된 구리층(113)과 배리어막(112)을 연속적으로 연마한다. 이때, 연마속도를 변경하기 위하여 EPD(End Point Detector)를 적용하고, EPD는 광원, 맴돌이 전류(eddy current) 또는 모터 커런트(motor current)를 이용하여 연마되는 물질을 측정한다. In addition, in order to minimize dishing and erosion of the insulating
상기한 EPD는 레이저 또는 백색광 등을 주사해서 반사되는 정도를 검출하여 연마되는 물질을 검출하는 시스템이다. 맴돌이 전류를 이용하는 방식은 금속의 두께를 측정하기 위해 유도전류를 이용한 방식으로, 연마패드 하부의 기계장치에 자기 유도 장치를 설치한 후 전도성 박막(여기서는, 구리층)을 연마할 때 자장의 변화를 측정하여 구리의 두께가 달라질 수록 자장의 크기가 변화되는 것을 측정하게 된다. 한편, 모터 커런트를 이용하는 방식은 연마장치를 구동시키는 모터, 예컨대 플레이튼 회전모터, 헤드 회전모터에 흐르는 전류를 이용하는 방식으로서, 연마되는 물질에 따라 패드와 웨이퍼 간에 발생하는 마찰력의 차이에 따라 모터 커런트가 변동하게 된다. 즉, 이러한 모터 커런트를 측정함으로써 연마되는 물질을 알 수 있습니다. The above-mentioned EPD is a system for detecting a material to be polished by detecting a degree of reflection by scanning a laser or white light or the like. The eddy current method uses an induction current to measure the thickness of the metal.The magnetic field induction mechanism is installed in the mechanical device under the polishing pad, and then the magnetic field is changed when the conductive thin film (here, copper layer) is polished. By measuring the thickness of the copper changes the magnetic field changes. On the other hand, the method using the motor current is a method of using a current flowing through the motor for driving the polishing device, such as a platen rotating motor, the head rotating motor, the motor current according to the difference in friction between the pad and the wafer depending on the material to be polished Will fluctuate. In other words, by measuring these motor currents, the material to be polished can be determined.
또한, 배리어막(112) 연마 후, 결함 감소를 위하여 별도의 소프트 패드를 이 용하여 버핑(buffing)공정을 실시할 수 있는데, 버핑공정은 절연막(111) 연마속도가 적어도 500Å/min 이상이 되는 실리카 연마입자를 함유한 슬러리를 이용하여 실시한다. In addition, after the
상기에서 설명한 바와 같은 공정을 통해 트렌치 내부에 고립된 구리배선이 완성된다. The process as described above completes the isolated copper wiring inside the trench.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail in the preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are for the purpose of description and not of limitation. In addition, it will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다마신 공정을 이용한 구리배선 형성공정시 폴리카르복실레이트(polycarboxylate) 계열의 구리연마용 슬러리와 실리카 연마입자를 사용하여 구리층과 배리어막을 연속적으로 동시에 연마함으로써 별도의 배리어막 연마용 슬러리가 필요하지 않아 슬러리 공급 장비의 수를 감소시킬 수 있으며, 또한 연마장치에서 장비당 처리 웨이퍼 수를 크게 증가시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, the copper layer and the barrier film are continuously and simultaneously polished using a polycarboxylate-based copper polishing slurry and silica abrasive grains during the copper wiring forming process using the damascene process. As a result, a separate barrier film polishing slurry is not required, thereby reducing the number of slurry supply equipments, and also greatly increasing the number of processed wafers per equipment in a polishing apparatus.
또한, 본 발명에 의하면, 구리층과 배리어막을 동시에 연마함으로써 산화막 CMP 공정 또는 텅스텐 CMP 공정과 마찬 가지로 장비에서 웨이퍼의 배치를 오직 대당 생산성을 증가시키는 개념으로 진행할 수 있고, 실제로 그러한 경우 생산성을 크게 높일 수 있다. Further, according to the present invention, by simultaneously polishing the copper layer and the barrier film, it is possible to proceed with the concept of only increasing the productivity of the wafer in the equipment, as in the case of the oxide film CMP process or the tungsten CMP process, in which case the productivity is greatly increased. It can increase.
또한, 본 발명에 의하면, 동일한 구리연마용 슬러리를 이용하여 구리층과 배리어막을 연속적으로 연마함으로써 구리가 부식되는 문제를 해결할 수 있다. 참고로, 종래기술에서는 두종류의 슬러리를 이용하여 연마공정을 진행함에 따라 구리 연마공정과 배리어막 연마공정 간의 연마시간이 크게 차이가 나고, 이로 인하여 구리가 부식되는 문제가 발생한다. 그러나, 본 발명에서와 같이 한종류의 구리연마용 슬러리만을 사용하여 구리층과 배리어막을 동시에 연마함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. Further, according to the present invention, the problem of corrosion of copper can be solved by continuously polishing the copper layer and the barrier film using the same copper polishing slurry. For reference, in the related art, as the polishing process is performed using two kinds of slurries, the polishing time between the copper polishing process and the barrier film polishing process is greatly different, which causes a problem of corrosion of copper. However, this problem can be solved by simultaneously polishing the copper layer and the barrier film using only one type of copper polishing slurry as in the present invention.
또한, 본 발명에 의하면, 동일한 구리연마용 슬러리를 이용하여 구리층과 배리어막을 연속적으로 연마함으로써 공정을 단순화할 수 있다. 참고로, 종래기술에서와 같이 두종류의 슬러리를 이용하여 연마공정을 진행할 경우, 연마 패드가 세개인 연마장치에서는 보편적으로 첫번째와 두번째 패드를 이용하여 구리층을 연마하고, 세번째 패드를 이용하여 배리어막을 연마하였으며, 또한, 구리의 부식을 방지하기 위하여 각 패드당 연마시간을 동일하게 유지하기 위하여 많은 노력이 요구되었다. Moreover, according to this invention, a process can be simplified by continuously grind | polishing a copper layer and a barrier film using the same copper polishing slurry. For reference, in the case of performing a polishing process using two kinds of slurries as in the prior art, in a polishing apparatus having three polishing pads, the copper layer is generally polished using the first and second pads, and the barrier using the third pad. The film was polished and much effort was also required to keep the polishing time equal for each pad to prevent copper corrosion.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100972075B1 (en) * | 2008-09-18 | 2010-07-22 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method of manufacturing Phase Change RAM |
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2005
- 2005-04-30 KR KR1020050036562A patent/KR20060113277A/en not_active Application Discontinuation
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