KR20100005493A - 구리배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
구리배선 형성방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 방법은, CMP 공정을 실시함에 있어서 용매제와, 환원제와, pH 조절제와, 착물형성제와, Co(Ⅱ) 이온 또는 Co(Ⅲ) 이온을 포함하는 화합물이 포함된 세정액을 사용하여 완화단계을 실시함으로써 구리배선 상에 캡핑막을 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 세정액을 사용하여 CMP 공정의 완화단계를 수행하면 추가 공정 없이도 구리배선의 산화 및 확산 방지막으로서의 Co 계열 캡핑막을 형성할 수 있으므로, 공정이 간단해지고 생산성을 향상시킬 수 있다.
반도체, 구리배선, 캡핑막, 화학적 기계적 연마, 세정액
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세정액을 사용하여 형성된 Co 계열 캡핑막의 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 구리배선 형성방법에 관한 것으로서, 특히 구리배선 상에 캡핑막을 형성하는 구리배선 형성방법에 관한 것이다.
현재의 반도체 공정에서 점차 배선의 선폭이 감소함에 따라, 배선의 단면적 감소로 인해 저항이 증가되고 배선 간 간격 감소로 인해 신호의 지연이 발생하게 된다. 이러한 신호 지연을 줄이기 위해서 배선의 소재가 낮은 비저항 특성을 가지는 구리로, 절연층은 더 낮은 유전 상수를 갖는 물질로 대체되고 있다.
반도체 기판 상에 형성된 구리층에 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP라 한다)를 이용한 다마신 공정(damascene process)을 통해 구 리 배선이 형성되게 된다. CMP를 이용한 구리 배선 형성 과정은 물질 간의 제거 선택비로 인한 산화막 침하 및 구리 침하 때문에 구리 제거는 2단계에 걸쳐 이루어진다. 1차 CMP 공정을 통해 초과 증착된 구리를 제거하게 되며 제거 선택비에 의해 트렌치(trench) 상단에 있는 확산 방지막에서 멈추게 된다. 확산 방지막에 위에 잔류하는 구리 및 확산 방지막을 완전히 제거하기 위해 2차 CMP 공정을 진행한다. 그리고 1차 및 2차 CMP 공정 후 후속 세정 공정(post-cleaning process)을 진행하기 전에 브러쉬(brush), 웨이퍼 표면에 잔류하는 슬러리(slurry) 및 파티클(particles)들을 탈이온수(de-ionized water, DI) 세정을 통해 1차적으로 제거하는 완화 단계 공정(buffing step process)이 진행된다.
기본적인 다마신 구조에서 구리의 실리콘 내의 빠른 확산으로 인해 소자가 파괴가 되기 때문에 이를 막기 위해 구리는 3면이 확산 방지막으로 둘러싸여야 한다. 그러나 구리층이 전착(electroplating)된 후 1차 및 2차 CMP 공정이 진행됨에 따라 구리층의 상부는 확산 방지막 없이 대기 중으로 노출되게 된다. 노출된 구리층은 텅스텐과 알루미늄에 비해 쉽게 산화되는 경향이 있어서 공기 또는 물에 방치되는 시간이 길어짐에 따라 산화물 생성에 의해 면저항의 증가를 초래한다. 또한 구리의 확산으로 인해 구리 배선 형성 후 바로 절연층을 형성할 수 없다. 따라서 구리의 산화 방지 및 확산 방지를 위해 SiCN 또는 SiN을 구리 배선 형성 후 증착하게 된다. SiCN 또는 SiN은 주위의 저유전체 물질에 비해 훨씬 높은 유전 상수를 가지며, 이로 인해 전체적인 배선 구조의 축전 용량을 증가시키는 결과를 야기한다.
최근에 무전해 도금(electroless plating)을 이용한 선택적인 증착을 통해 구리 배선 상부에 산화 방지막 및 확산 방지막 역할을 동시에 수행할 수 있는 Co 계열 캡핑막 형성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 캡핑막을 구리 배선 위에 형성함으로써 원래의 기대 효과 이외에도, 구리 배선의 수명을 크게 좌우하는 전하이동(electromigration) 특성을 크게 개선하는 효과가 있어서 배선의 선폭이 감소됨에 따라 그 필요성은 더욱 커지고 있다. 그런데, 무전해 도금을 통해 Co 계열 캡핑막을 선택적으로 구리 배선 위에 형성하기 위해서는 CMP 공정 후 새로운 후속 공정이 진행되어야 하며 공정이 복잡해진다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 추가 공정없이 반도체 기판 상에 형성된 구리층에 화학적 기계적 연마 공정 중에 구리배선의 산화 및 확산 방지막을 형성할 수 있는 구리배선 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 구리배선 형성방법은: 반도체 기판 상에 구리층을 형성한 후에, 연마공정과 완화공정을 포함하여 이루어지는 화학적 기계적 연마방법으로 구리배선을 형성하는 방법에 있어서,
용매제와, 환원제와, pH 조절제와, 착물형성제와, Co(Ⅱ) 이온 또는 Co(Ⅲ) 이온을 포함하는 화합물이 포함된 세정액을 사용하여 상기 완화공정을 실시함으로써 상기 구리배선 상에 캡핑막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 반도체 기판 상에 형성된 구리층을 CMP 방법으로 연마하여 구리배선을 형성하는 과정에서 구리 배선 상부에 산화 방지막 및 확산 방지막 역할을 동시에 수행할 수 있는 Co 계열 캡핑막을 형성하는 데 특징이 있다. 특히, CMP 공정은 연마 공정과 완화공정을 포함하여 이루어지는 데, 그 완화공정에 사용되는 세정액의 조성에 본 발명의 특징이 있다. 즉, 본 발명은 용매제와, 환원제와, pH 조절제와, 착물형성제와, Co(Ⅱ) 이온 또는 Co(Ⅲ) 이온을 포함하는 화합물이 포함된 세정액을 사용하여 CMP 공정 중 구리배선 상에 캡핑막을 형성하는 것을 특징으로 한다. 연마 공정은 일반적으로 고속, 고압의 제1 연마 공정과 저속, 저압의 연마 공정으로 이루어진다. 이하에서는, 본 발명의 특징인 세정액의 조성에 대하여 상세히 설명한다.
용매제로는 탈이온수를 사용한다.
Co(Ⅱ) 이온을 포함하는 화합물은 Cobalt(Ⅱ) acetate, Cobalt(Ⅱ) acetate tetrahydrate, Cobalt(Ⅱ) acetylacetonate, Cobalt(Ⅱ) acetylacetonate hydrate, Cobalt(Ⅱ) benzoylacetonate, Cobalt(Ⅱ) bromide, Cobalt(Ⅱ) bromide hydrate, Cobalt(Ⅱ) carbonate hydrate, Cobalt(Ⅱ) chloride, Cobalt(Ⅱ) chloride hexahydrate, Cobalt(Ⅱ) cyanide dihydrate, Cobalt(Ⅱ) 2-ethylhexanoate, Cobalt(Ⅱ) fluoride, Cobalt(Ⅱ) fluoride tetrahydrate, Cobalt(Ⅱ) hexafluoroacetylacetonate, Cobalt(Ⅱ) hydroxide, Cobalt(Ⅱ) iodide, Cobalt(Ⅱ) 2,3-naphthalocyanine, Cobalt(Ⅱ) nitrate hexahydrate, Cobalt(Ⅱ) oxalated dihydrate, Cobalt(Ⅱ) oxide, Cobalt(Ⅱ) perchlorate hexahydrate, Cobalt(Ⅱ) phosphate hydrate, Cobalt(Ⅱ) phthalocyanine, Cobalt(Ⅱ) selenide, Cobalt(Ⅱ) sulfate heptahydrate, Cobalt(Ⅱ) sulfate hydrate, Cobalt(Ⅱ) tetrafluoroborate, Cobalt(Ⅱ) thiocyanate 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용된다.
Co(Ⅲ) 이온을 포함하는 화합물로는 Cobalt(Ⅲ) acetylacetonate 또는 Cobalt(Ⅲ) sepulchrate trichloride를 사용한다.
환원제로는 dimethylamine borane, sodium borohydride, sodium hypophosphite, formaldehyde, hydrazine 및 glyoxylic acid 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용된다.
pH 조절제로는 boric acid와 NaOH의 혼합용액이 사용된다. pH 조절제는 세정액의 pH를 7 ~ 14로 유지시켜 준다.
착물형성제로는 2염기 또는 3염기의 구연산염을 포함하는 화합물이거나 또는 상기 구연산염의 수화물을 포함하는 화합물이 사용된다. 이 때, 구연산염을 포함하는 화합물은 ammonium citrate, di-ammonium hydrogen citrate, calcium citrate tribasic tetrahydrate, lithium citrate hydrate, sodium dihydrogen citrate, potassium citrate-1-hydrate, tri-sodium citrate hydrate, sodium citrate, sodium citrate tribasic dihydrate, tributyl citrate, triethyl citrate, trimethyl citrate, citrate phosphate, triethyl O-acetyl citrate, tributyl O- acetyl citrate, trimethyl O-acetyl citrate, sodium citrate dihydrate, potassium citrate, sodium citrate tribasic trihydrate, sodium citrate tribasic dihydrate, phosphate citrate 등 이다.
그리고 세정액의 온도는 50℃ ~ 90℃인 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 세정액의 구송요소들을 일예를 들어 설명한다. 이 때, 후술하는 설명은 이해를 돕고, 보다 용이한 실시를 위한 것이므로 본 발명의 권리범위가 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
용매제로는 탈이온수를 사용한다. Co(Ⅱ) 이온을 포함하는 화합물로는 Cobalt(Ⅱ) sulfate heptahydrate를 사용하였고, 그 첨가량은 0.001 wt% ~ 20 wt%이며 Co 계열의 캡핑막을 보다 효과적으로 형성하기 위해서 0.005 wt% ~ 10 wt%인 것이 바람직하다. 환원제로는 dimethylamine borane을 사용하였고, 그 첨가량은 0.001 wt% ~ 30 wt%이며 Co 계열의 캡핑막을 보다 효과적으로 형성하기 위해서 0.005 wt% ~ 10 wt%인 것이 바람직하다. pH 조절제로는 boric acid와 NaOH의 혼합용액을 사용하였는 데, 그 혼합용액의 첨가량은 0.01 wt% ~ 20 wt%이며 세정액을 안정화시켜 Co 계열의 캡핑막을 보다 효과적으로 형성하기 위해서 0.05 wt% ~ 10 wt%인 것이 바람직하고, 세정액의 pH는 8 ~ 12로 유지시키는 것이 바람직하다. 착물형성제로는 sodium citrate을 사용하였는 데, 그 첨가량은 0.1 wt% ~ 30 wt%이며 Co 계열의 캡핑막을 보다 효과적으로 형성하기 위해서 0.5 wt% ~ 20 wt%인 것이 바람직하다. 그리고 세정액을 안정화시켜 Co 계열의 캡핑막이 보다 효과적으로 형성되도록 세정액의 온도는 60℃ ~ 80℃로 하였다.
보다 구체적인 실시예는 다음과 같다.
먼저, Si substrate 위에 wet oxidation을 통해 10000Å silicon oxide를 성장시킨 후, PVD를 사용하여 Ta과 TaN을 각각 500Å과 300Å을 증착하였으며, 이어서 PVD를 통해 구리층을 9000Å 두께로 형성하였다.
다음에, 구리층이 형성된 웨이퍼에 CMP 공정을 통한 연마 공정과 세정액으로 세정하는 완화 공정을 진행하였다. 이 때, 사용된 세정액은 [표 1]과 같다.
| 용도 | 화합물 | 농도 |
| Co source | CoSO4 | 2.0 g |
| 환원제 | Dimethylamine borane | 0.058g |
| 착물형성제 | Sodium citrate | 13.6 g |
| pH 조절제 | Boric acid | 6.18g |
| NaOH | 2.65g | |
| 공정 조건 | ||
| 세정액 온도 | 80℃ | |
| 세정액 공급 속도 | 150mL/min | |
도 1은 상술한 세정액을 사용하여 형성된 Co 계열 캡핑막의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, RO와 RS는 각각 산화 실험 전후의 면저항을 의미하며, RS/RO 값의 증가는 산화 실험 후 금속 배선 물질의 산화로 인해 저항이 증가함을 의미한다. 본 발명에 따른 세정액을 이용하여 완화 단계 공정을 진행한 경우 추가 공정없이도 구리 배선 표면에 Co 계열 캡핑막이 형성되어 300 ~ 400℃에서 산화 저항성을 향상되었음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 세정액을 사용하여 CMP 공정의 완화 단계 를 수행하면 추가 공정 없이도 구리배선의 산화 및 확산 방지막으로서의 Co 계열 캡핑막을 형성할 수 있으므로, 공정이 간단해지고 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
Claims (23)
- 반도체 기판 상에 구리층을 형성한 후에, 연마공정과 완화공정을 포함하여 이루어지는 화학적 기계적 연마방법으로 구리배선을 형성하는 방법에 있어서,용매제와, 환원제와, pH 조절제와, 착물형성제와, Co(Ⅱ) 이온 또는 Co(Ⅲ) 이온을 포함하는 화합물이 포함된 세정액을 사용하여 상기 완화공정을 실시함으로써 상기 구리배선 상에 캡핑막을 형성하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 용매제는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 Co(Ⅱ) 이온을 포함하는 화합물은 Cobalt(Ⅱ) acetate, Cobalt(Ⅱ) acetate tetrahydrate, Cobalt(Ⅱ) acetylacetonate, Cobalt(Ⅱ) acetylacetonate hydrate, Cobalt(Ⅱ) benzoylacetonate, Cobalt(Ⅱ) bromide, Cobalt(Ⅱ) bromide hydrate, Cobalt(Ⅱ) carbonate hydrate, Cobalt(Ⅱ) chloride, Cobalt(Ⅱ) chloride hexahydrate, Cobalt(Ⅱ) cyanide dihydrate, Cobalt(Ⅱ) 2-ethylhexanoate, Cobalt(Ⅱ) fluoride, Cobalt(Ⅱ) fluoride tetrahydrate, Cobalt(Ⅱ) hexafluoroacetylacetonate, Cobalt(Ⅱ) hydroxide, Cobalt(Ⅱ) iodide, Cobalt(Ⅱ) 2,3-naphthalocyanine, Cobalt(Ⅱ) nitrate hexahydrate, Cobalt(Ⅱ) oxalated dihydrate, Cobalt(Ⅱ) oxide, Cobalt(Ⅱ) perchlorate hexahydrate, Cobalt(Ⅱ) phosphate hydrate, Cobalt(Ⅱ) phthalocyanine, Cobalt(Ⅱ) selenide, Cobalt(Ⅱ) sulfate heptahydrate, Cobalt(Ⅱ) sulfate hydrate, Cobalt(Ⅱ) tetrafluoroborate, Cobalt(Ⅱ) thiocyanate 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 Co(Ⅲ) 이온을 포함하는 화합물은 Cobalt(Ⅲ) acetylacetonate 또는 Cobalt(Ⅲ) sepulchrate trichloride인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 Co(Ⅱ) 이온을 포함하는 화합물은 Cobalt(Ⅱ) sulfate heptahydrate를 사용하는 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 Cobalt(Ⅱ) sulfate heptahydrate의 첨가량은 0.001 wt% ~ 20 wt%인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 Cobalt(Ⅱ) sulfate heptahydrate의 첨가량은 0.005 wt% ~ 10 wt%인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 환원제는 dimethylamine borane, sodium borohydride, sodium hypophosphite, formaldehyde, hydrazine 및 glyoxylic acid중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 환원제는 dimethylamine borane인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 dimethylamine borane의 첨가량은 0.001 wt% ~ 30 wt%인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 dimethylamine borane의 첨가량은 0.005 wt% ~ 10 wt%인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 pH 조절제는 boric acid와 NaOH의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 12항에 있어서, 상기 혼합용액의 첨가량은 0.01 wt% ~ 20 wt%인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 13항에 있어서, 상기 혼합용액의 첨가량은 0.05 wt% ~ 10 wt%인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 세정액의 pH는 7 ~ 14인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 세정액의 pH는 8 ~ 12인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 착물형성제는 2염기 또는 3염기의 구연산염을 포함하는 화합물이거나 또는 상기 구연산염의 수화물을 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 구연산염을 포함하는 화합물은 ammonium citrate, di-ammonium hydrogen citrate, calcium citrate tribasic tetrahydrate, lithium citrate hydrate, sodium dihydrogen citrate, potassium citrate-1-hydrate, tri-sodium citrate hydrate, sodium citrate, sodium citrate tribasic dihydrate, tributyl citrate, triethyl citrate, trimethyl citrate, citrate phosphate, triethyl O-acetyl citrate, tributyl O-acetyl citrate, trimethyl O-acetyl citrate, sodium citrate dihydrate, potassium citrate, sodium citrate tribasic trihydrate, sodium citrate tribasic dihydrate, phosphate citrate 인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 착물형성제는 sodium citrate인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 착물형성제의 첨가량은 0.1 wt% ~ 30 wt% 인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 20항에 있어서, 상기 착물형성제의 첨가량은 0.5 wt% ~ 20 wt%인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 세정액의 온도는 50℃ ~ 90℃인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
- 제 22항에 있어서, 상기 세정액의 온도는 60℃ ~ 80℃인 것을 특징으로 하는 구리배선 형성방법.
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