KR20100050970A - 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구리막의 두께 균일성을 개선할 수 있는 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 전기도금 장치는, 반응기와, 상기 반응기 내에 배치되며, 상면에 웨이퍼가 배치되는 전해질층과, 상기 반응기의 저면에 배치되어 상기 전해질층에 전류가 흐르도록 하며, 다수의 동심원으로 이루어진 전극 및 상기 전극에 전압을 인가하는 파워 공급부를 포함한다.
Description
본 발명은 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게, 구리막의 두께 균일성을 개선할 수 있는 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 반도체 소자에는 소자와 소자 간, 또는, 배선과 배선 간을 전기적으로 연결하기 위해 금속배선이 형성되며, 상부 금속배선과 하부 금속배선 간의 연결을 위해 콘택 플러그가 형성된다. 한편, 반도체 소자의 고집적화 추세에 따라 디자인 룰(Design Rule)이 감소되고, 상기 콘택 플러그가 형성되는 콘택홀의 종횡비가 점차 증가하고 있다. 이에, 금속배선 및 콘택 플러그를 형성하는 공정의 난이도와 중요성이 증가되고 있는 실정이다.
상기 금속배선의 재료로는 전기 전도도가 우수한 알루미늄(Al) 및 텅스텐(W)이 주로 이용되어 왔으며, 최근에는 상기 알루미늄 및 텅스텐보다 전기 전도도가 월등히 우수하고 저항이 낮아 고집적 고속동작 소자에서 RC 신호 지연 문제를 해결할 수 있는 구리(Cu)를 차세대 금속배선 물질로 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 금속배선 물질로 상기 구리를 사용하는 경우에는, 일반적으로, 전기도금 방식을 통해 구리막을 증착한다.
이하에서는, 종래 기술에 따른 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법에 대해 간략하게 설명하도록 한다.
전기도금 장치는 반응기 내에 차례로 배치된 양극과 전해질 및 웨이퍼를 포함하며, 상기 전해질 내에 박막이 삽입되어 있다. 이러한 전기도금 장치의 양극에 양의 전압이, 그리고, 웨이퍼에 음의 전압이 각각 인가되면, 웨이퍼 내에서 구리 이온이 구리 원자로 환원되면서 구리막이 증착된다. 이때, 웨이퍼의 가장자리 부분이 파워 공급부와 전기적으로 연결되어, 상기 웨이퍼에 음의 전압이 인가된다.
그러나, 전술한 종래 기술의 경우에는 상기 웨이퍼의 중앙 부분에 비해 가장자리 부분에서 상대적으로 더 큰 전류가 흐르기 때문에, 웨이퍼의 가장자리 부분에서 보다 많은 구리 이온의 환원반응이 일어나며, 이로 인해, 웨이퍼의 중앙 부분보다 가장자리 부분에서 상대적으로 더 두꺼운 구리막이 증착된다.
구체적으로, 아래의 식에 나타난 바와 같이, 웨이퍼 표면의 저항은 웨이퍼의 가장자리 부분보다 웨이퍼의 중앙 부분에서 더 크므로, 웨이퍼 중앙 부분에 흐르는 전류는 상기 웨이퍼 표면의 저항에 영향을 받는다.
Ic ∝ V/(Re + Rw)
Ie ∝ V/Re
Ic : 웨이퍼의 중앙 부분에서 흐르는 전류
Ie : 웨이퍼의 가장자리에서 흐르는 전류
V : 인가된 전압
Re : 전해질에 의한 저항
Rw : 웨이퍼 표면의 저항
즉, 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서의 저항은 Re + Rw로서, 웨이퍼의 가장자리 부분에서의 저항인 Re 보다 크기 때문에, 웨이퍼의 중앙 부분에 흐르는 전류가 가장 작으며, 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 전류가 증가된다. 이로 인해, 전류가 상대적으로 많이 흐르는 웨이퍼의 가장자리 부분에서 구리 이온의 환원반응이 더 활발하게 일어나며, 그 결과, 상기 웨이퍼의 중앙 부분보다 가장자리 부분에 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 구리막이 증착되는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기도금시 웨이퍼의 위치에 따른 구리막의 두께 변화를 보여주는 그래프로서, 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 중앙 부분(C)에서 가장자리(E) 부분으로 갈수록 구리막의 두께가 점점 증가되며, 그 결과, 상기 구리막의 두께 균일성이 저하된다.
본 발명은 구리막의 두께 균일성을 개선할 수 있는 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 전기도금 장치는, 반응기와, 상기 반응기 내에 배치되고, 내부에 멤브레인을 가지며, 상면에 웨이퍼가 배치되는 전해질층과, 상기 반응기의 저면에 배치되어 상기 전해질층에 전류가 흐르도록 하며, 다수의 동심원으로 이루어진 전극 및 상기 전극에 전압을 인가하는 파워 공급부를 포함한다.
상기 전해질층의 내부에 배치된 멤브레인을 더 포함한다.
상기 전해질층은 CuSO4 용액으로 이루어진다.
상기 다수의 동심원으로 이루어진 전극들은 절연막 사이에 배치된다.
상기 전극은 3∼9개의 동심원으로 이루어진다.
상기 전극에는 양의 전압이 인가되고, 상기 웨이퍼에는 음의 전압이 인가된다.
본 발명의 실시예에 따른 전기도금 방법은, 청구항 1의 전기도금 장치를 이용하여 웨이퍼에 금속막을 증착하는 전기도금 방법으로서, 상기 전기도금 장치의 전해질층에 전류가 흘러 전해질층 내의 금속 이온이 환원되어 웨이퍼에 금속막이 증착되도록, 상기 전기도금 장치의 전극에 양의 전압을 인가하고 상기 웨이퍼에 음의 전압을 인가하며, 다수의 동심원으로 이루어진 상기 전극들에 상기 웨이퍼의 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수록 점점 작은 크기의 양의 전압을 각각 인가한다.
상기 웨이퍼 상에 구리막을 증착한다.
상기 양의 전압은 펄스 방식으로 인가한다.
상기 펄스 방식은 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 펄스 주기가 짧아지도록 수행한다.
상기 양의 전압은 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서는 연속적으로 인가되고, 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 주기가 짧아지는 펄스 방식으로 인가된다.
본 발명은 전기도금 장치의 양극에 절연막 사이에 나이테 형상으로 다수의 전극들을 배치하고, 상기 전극들 각에 웨이퍼의 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수록 점점 작은 크기의 양의 전압을 각각 인가함으로써, 상기 웨이퍼에 전체적으로 동일한 전류를 흘려줄 수 있으며, 이를 통해, 상기 웨이퍼 상에 균일한 두께의 구리막을 증착할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 웨이퍼 상에 금속막을 증착하기 위해 반응기 내에 차례로 배치된 양극과 전해질 및 웨이퍼를 포함하는 전기도금 장치를 사용하며, 상기 전기도금 장치의 양극은 절연막 사이에 나이테 형상으로 배치된 다수의 전극들을 갖는다.
이렇게 하면, 본 발명은 상기 전기도금 장치의 양극에 양의 전압을 인가할 때, 상기 각각의 전극들에 서로 다른 크기를 갖는 전압을 인가할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 전극들 각각에 상기 웨이퍼의 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수록 점점 작은 크기의 전압을 인가할 수 있다.
그러므로, 본 발명은 웨이퍼에 전체적으로 동일한 전류를 흘려주어 상기 웨이퍼 상에 균일한 두께의 구리막을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 웨이퍼의 중 앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 저항이 감소하더라도, 상기 전극들에 웨이퍼의 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수록 점점 큰 작은 크기의 전압이 인가됨에 따라, 웨이퍼에는 전체적으로 동일한 전류를 흘려줄 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 웨이퍼의 각 위치에서 구리 이온의 환원 반응이 동일하게 일어나므로, 상기 웨이퍼 상에 전체적으로 균일한 두께의 구리막을 형성할 수 있으며, 이를 통해, 상기 구리막 두께의 균일성을 효과적으로 개선하여 반도체 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 장치를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 반응기(100)의 저면에 전극(200)이 배치되어 있으며, 상기 반응기(100) 내에 멤브레인(215)을 갖는 전해질층(210)이 배치되어 있다. 상기 전해질층(210)은, 예컨대, 상기 전해질층은 CuSO4 용액으로 이루어지며, 상기 멤브레인(215)은 상기 전해질층(210)을 분리하는 역할을 한다. 그리고, 상기 전극(200)은 절연막(202) 및 상기 절연막(202) 사이에 배치된 적어도 셋 이상의 동심원으로 이루어진 양극(204)들, 예컨대, 3∼9개의 양극(204)들을 포함한다. 상기 전해질층(210)의 상면에 웨이퍼(220)가 배치되어 있다. 상기 전기도금 장치의 양극(204)들에 각각 양의 전압이 인가되고 상기 웨이퍼(220)에 음의 전압이 인가되면 전해질층(210)에 전류가 흐르고, 이러한 전류에 의해 전해질층(210)의 구리 이온이 구리 원자로 환원되면서 상기 웨이퍼(220)에 금속막, 예컨대, 구리막이 증착된다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 장치의 전극(200)는 절연막(202) 사이에 배치되는 양극(204)들을 포함하며, 이에 따라, 상기 양극(204)들 각각에 서로 다른 크기의 전압, 바람직하게, 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)으로부터 가장자리 부분(E)으로 갈수록 점점 작은 크기의 전압을 인가할 수 있다.
도 3은 도 1의 전기도금 장치의 양극을 보여주는 평면도이다.
도시된 바와 같이, 상기 전극(200)은 절연막(202) 및 적어도 셋 이상의 양극(204)들을 포함하며, 상기 양극(204)들은 상기 절연막(202) 사이에 다수의 동심원, 바람직하게, 3∼9개의 동심원 형상으로 배치되어 있다. 그래서, 상기 동심원 형상의 양극(204)들 각각에 웨이퍼의 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수록 점점 작은 크기의 전압을 인가할 수 있는 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 전기도금 장치를 이용하는, 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 파워 공급부를 통해 전기도금 장치의 웨이퍼(220)에 음의 전압을 인가하고, 전극(200)의 양극(204)들 각각에 양의 전압을 인가한다. 이때, 상기 양극(204)들 각각에는 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)으로부터 가장자리 부분(E)으로 갈수록 점점 작은 크기의 양의 전압을 인가한다. 이때, 상기 양의 전압은 펄스 방식으로 인가된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 방법에서 펄스 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 상기 펄스 방식을 웨이퍼(220)의 각 위치에 따라 서로 다른 펄스 주기로 수행한다. 구체적으로, 상기 펄스 방식은 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)으로부터 가장자리 부분(E)으로 갈수록 점점 작은 크기의 양의 전압이 인가되도록(V5＞V4＞V3＞V2＞V1), 상기 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C))에서 가장자리 부분(E)으로 갈수록 펄스 주기가 감소되도록 수행한다. 한편, 상기 양의 전압은 상기 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)에서는 연속적으로 인가되고, 상기 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)에서 가장자리 부분(E)으로 갈수록 주기가 짧아지는 펄스 방식으로 인가되는 것도 가능하다.
한편, 상기 전기도금 장치의 양극(204)들에 인가되는 전압의 크기는 어느 특정한 수치의 범위로 제한할 수 없으며, 따라서, 상기 펄스 주기 또한 특정한 수치의 범위로 제한할 수 없다. 이는, 상기 전기도금 장치의 전해질층(210)으로 인한 저항 값이 수시로 변하며, 또한, 장치의 구조에 따라 저항 성분의 값이 달라지기 때문이다. 그러므로, 본 발명의 실시예에서는, 아래의 식에 나타난 바와 같이, 소망하는 전류값(I)과 전기도금 장치의 저항값(R)을 고려하여, 상기 양극(204)들 각각에 서로 다른 전압(V)을 인가한다.
V = I × R
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 웨이퍼의 위치에 따라 펄스 주기를 달리하여, 양극의 전극들 각각에 웨이퍼의 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수록 점점 작은 크기의 양의 전압을 인가하며, 그 결과, 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C) 및 가장자리 부분(E)에 동일한 전류(I1＝I2＝I3＝I4＝I5)가 흐르고, 이러 한 전류(I1＝I2＝I3＝I4＝I5)에 의해 웨이퍼(220) 내에서 구리 이온이 구리 원자로 환원되면서 상기 웨이퍼(220)에 전체적으로 균일한 두께를 갖는 구리막(230)이 증착된다.
자세하게, 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례하는 특성을 갖는데, 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)의 저항(Re + Rw)은 웨이퍼(220) 표면의 저항(Rw)에 의해 영향을 받기 때문에, 웨이퍼(220)의 가장자리 부분(E)의 저항(Re)보다 큰 값을 갖는다. 이로 인해, 종래 기술의 경우에는, 상기 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)에 흐르는 전류는 작은 값을 갖고, 웨이퍼(220)의 가장자리 부분에 흐르는 전류는 상대적으로 큰 값을 갖게 되어 구리막 두께의 균일성 저하를 유발하였다.
그래서, 본 발명의 실시예에서는 상기 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)으로부터 가장자리 부분(E)으로 갈수록 점점 작은 크기의 전압(V5＞V4＞V3＞V2＞V1)을 인가함으로써, 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C)에는 큰 크기의 전압(V5)을 인가하여 전류를 증가시키고, 웨이퍼(220)의 가장자리 부분(E)에는 상대적으로 작은 크기의 전압(V1)을 인가하여 전류를 감소시킬 수 있는 바, 본 발명은 웨이퍼(220)의 각 위치에 동일한 전류(I1＝I2＝I3＝I4＝I5)를 흘려줄 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 웨이퍼(220)의 중앙 부분(C) 및 가장자리(E) 부분에 동일한 전류(I1＝I2＝I3＝I4＝I5)를 흘려주어 상기 웨이퍼(220) 상에 전체적으로 균일한 두께의 구리막(230)을 증착할 수 있으며, 이를 통해, 상기 구리막(230) 두께의 균일성을 개선할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 향상된 반도체 소자의 특성 및 신뢰성을 얻을 수 있다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기도금시 웨이퍼의 위치에 따른 구리막의 두께 변화를 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 장치를 도시한 단면도.
도 3은 도 1의 전기도금 장치의 양극을 보여주는 평면도.
도 4는 도 1에 도시된 전기도금 장치를 이용하는, 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기도금 방법에서 펄스 방식을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 반응기 200 : 양극
202 : 절연막 204 : 전극
210 : 전해질 215 : 박막
220 : 웨이퍼 C : 웨이퍼의 중앙 부분
E : 웨이퍼의 가장자리 부분 230 : 구리막
Claims (11)
- 반응기;상기 반응기 내에 배치되며, 상면에 웨이퍼가 배치되는 전해질층;상기 반응기의 저면에 배치되어 상기 전해질층에 전류가 흐르도록 하며, 다수의 동심원으로 이루어진 전극; 및상기 전극에 전압을 인가하는 파워 공급부;를 포함하는 전기도금 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전해질층의 내부에 배치된 멤브레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기도금 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전해질층은 CuSO4 용액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기도금 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 다수의 동심원으로 이루어진 전극들은 절연막 사이에 배치된 것을 특징 으로하는 전기도금 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극은 3∼9개의 동심원으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기도금 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극에는 양의 전압이 인가되고, 상기 웨이퍼에는 음의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전기도금 장치.
- 청구항 1의 전기도금 장치를 이용하여 웨이퍼에 금속막을 증착하는 전기도금 방법으로서,상기 전기도금 장치의 전해질층에 전류가 흘러 전해질층 내의 금속 이온이 환원되어 웨이퍼에 금속막이 증착되도록, 상기 전기도금 장치의 전극에 양의 전압을 인가하고 상기 웨이퍼에 음의 전압을 인가하며,다수의 동심원으로 이루어진 상기 전극들에 상기 웨이퍼의 중앙 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수록 점점 작은 크기의 양의 전압을 각각 인가하는 것을 특징으로 하는 전기도금 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 웨이퍼 상에 구리막을 증착하는것을 특징으로 하는 전기도금 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 양의 전압은 펄스 방식으로 인가하는 것을 특징으로 하는 전기도금 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 펄스 방식은 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 펄스 주기가 짧아지도록 수행하는 것을 특징으로 하는 전기도금 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 양의 전압은 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서는 연속적으로 인가되고, 상기 웨이퍼의 중앙 부분에서 가장자리 부분으로 갈수록 주기가 짧아지는 펄스 방식으로 인가되는 것을 특징으로 하는 전기도금 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080110116A KR20100050970A (ko) | 2008-11-06 | 2008-11-06 | 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법 |
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| KR1020080110116A KR20100050970A (ko) | 2008-11-06 | 2008-11-06 | 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100050970A true KR20100050970A (ko) | 2010-05-14 |
Family
ID=42276893
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| KR1020080110116A KR20100050970A (ko) | 2008-11-06 | 2008-11-06 | 전기도금 장치 및 이를 이용한 전기도금 방법 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR20100050970A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101290360B1 (ko) * | 2011-04-12 | 2013-07-26 | 주식회사 케이씨텍 | 기판 도금 장치 |
| CN106917121A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-07-04 | 北京半导体专用设备研究所（中国电子科技集团公司第四十五研究所） | 一种晶圆电镀装置及电镀方法 |
-
2008
- 2008-11-06 KR KR1020080110116A patent/KR20100050970A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR101290360B1 (ko) * | 2011-04-12 | 2013-07-26 | 주식회사 케이씨텍 | 기판 도금 장치 |
| CN106917121A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-07-04 | 北京半导体专用设备研究所（中国电子科技集团公司第四十五研究所） | 一种晶圆电镀装置及电镀方法 |
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