KR100437455B1 - 반도체 장치 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 장치 제조 방법에 있어서, 텅스텐 패턴 분리 후 기판을 세정하는 방법이 개시된다. 이 세정 방법에서는 세정액을 불산 함량 0.1wt% 내지 0.4wt%, 과산화수소 함량 0.5wt% 내지 2wt%의 수용액으로 하여 분리된 텅스텐 패턴의 손상없이 분리 과정에서 발생한 금속성 폴리머나 산화성 슬러리를 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 장치 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 텅스텐 패턴 분리 후 기판을 세정하는 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 소자 고집적화에 따라 디자인 룰이 작아진다. 디자인 룰 축소는 반도체 장치 배선 폭의 축소를 의미하며 이로 인한 배선 저항 증가가 문제된다. 특히, 게이트 라인이나 비트라인 같이 반도체 장치 내에서 길게 형성되는 배선은배선 폭 감소에 따른 저항 증가로 인하여 종래의 폴리실리콘이나 폴리사이드(Polycide) 구조로는 반도체 장치가 요구하는 특성을 맞추기 어렵게 된다.
배선 저항의 문제를 해결하기 위해 고집적 반도체 장치의 반도체 배선으로 저항이 낮은 금속을 사용하는 경우가 많다. 배선 금속으로는 종래 알미늄이 사용되었으나, 비트라인 등의 배선에는 고온에 강한 텅스텐이 많이 사용되고 있다. 또한, 비트라인을 텅스텐으로 형성함에 따라 비트라인 콘택 플러그도 갭 필 능력이 우수하고 비트라인과 계면 저항의 문제가 없는 텅스텐을 이용하여 많이 형성하게 된다.
반도체 장치에 텅스텐 플러그를 형성하기 위해, 먼저 층간 절연막에 하부 도전역 일부가 드러나도록 콘택 홀을 형성한다. 콘택 홀이 형성된 반도체 기판 위에 CVD 방법으로 텅스텐을 충분히 적층하면 콘택 홀은 텅스텐으로 채워지게 된다. 콘택 플러그 사이의 분리를 위해 층간 절연막이 드러날 때까지 텅스텐 CMP나 에치 백을 실시한다. 이 밖에, 다마신 공정을 통해 텅스텐 배선 패턴을 형성하는 경우에도 절연막이 드러날 때까지 텅스텐 CMP를 실시하게 된다.
그런데, 텅스텐 패턴 분리를 실시하기 위해 에치 백 공정을 실시할 경우, 텅스텐을 포함하는 금속성 폴리머들이 다량 발생하여 기판 등에 부착된다. 따라서, 소자 분리를 위해 이들을 후속 세정 공정을 통해 완전히 제거해야 한다. 한편, 텅스텐 패턴 분리를 위해 텅스텐 CMP를 실시할 경우, CMP에 사용되는 산화성 슬러리 물질 및 텅스텐 쇄설물이 잔류하기 쉽다. 잔류 슬러리 물질도 후속 공정에서 심각한 공정 불량을 유발시킬 수 있으므로 반드시 제거되어야 한다.
종래에는 텅스텐 패턴 분리 후 금속성 폴리머나 슬러리 잔류물을 제거하기 위해 세정 공정을 진행하면서 묽은 수산화 암모늄, 묽은 불산 등의 혼합액을 사용하였다. 또한, 기계적인 제거 방법으로서 기판에 대한 단면 혹은 양면 스크러빙(Scrubbing) 공정을 실시한다. 그러나, 이들 방법만으로는 세정의 효율이 충분하지 않아 산화성 잔류 슬러리 물질이나 금속성 폴리머를 충분히 제거할 수 없었다. 그 결과, 이들 물질이 기판에 잔류되어 후속 공정에서 도1의 전자 현미경 사진과 같은 캐퍼시터 콘택 플러그(13)와 비트라인(11) 사이의 단락(21)에 의한 싱글 비트 불량(Single bit fail), 비트라인들 사이의 브리지(bridge) 기타 불량을 유발시키는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 종래의 텅스텐 패턴 분리 이후의 세정의 한계를 해결하기 위한 것으로, 반도체 장치 제조시 텅스텐 패턴 분리 이후 기판에 부착된 잔류물을 효과적으로 제거할 수 있는 세정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 텅스텐 패턴 분리 이후 기판 잔류물을 효과적으로 제거하는 동시에 분리된 텅스텐 패턴에 대한 손상을 억제할 수 있는 세정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 종래의 텅스텐 패턴 분리 상의 문제로 비트라인과 스토리지 노드 콘택이 단락된 것을 나타내는 전자현미경 사진,
도2는 본 발명의 세정액 사용에 따른 각 물질막의 식각 두께를 나타내는 결과 그래프,
도3 및 도4는 본 발명의 세정액 사용 전후의 효과를 나타내는 전자현미경 사진,
도5는 본 발명의 세정액 사용 후의 텅스텐 패턴 프로파일을 나타내는 전자현미경 사진.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 장치 제조에 있어서, 텅스텐 소자 분리 공정에 이어 기판에 대한 세정을 실시할 때 이용되는 세정액을 불산 함량 0.1wt% 내지 0.4wt%, 과산화수소 함량 0.5wt% 내지 2wt%의 수용액으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 가장 바람직한 세정액의 수용액 내에서의 불산 함량은 0.29wt%, 과산화 수소 1wt%이다. 이때, 20 내지 30도씨 상온에서 세정 시간은 통상 60 내지 200초 범위로 사용 한다.
본 발명에서 세정을 통해 제거하려는 타겟이 되는 것은 종래의 CMP나 건식 식각 같은 텅스텐 패턴 분리 과정에서 발생한 산화성 잔류 슬러리 물질이나 금속성 폴리머이다. 이들 모두에 대한 제거 능력을 가지기 위해서는 금속성 폴리머에 대한 제거능력이 있는 산화제 및 산화성 슬러리 및 금속 산화물에 대한 제거 능력이 있는 물질로 요구된다. 이런 면에서 본 발명의 과산화수소 및 불산의 혼합물이 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 세정액 내에서 과산화 수소 및 불산과 금속 폴리머 및 산화성 잔류 슬러리 사이에 이루어지는 반응은 다음 반응식들을 통해 설명될 수 있다. 반응식들에 의하면, 텅스텐은 세정액 내에서 과산화 수소에 의해 산화된 후 산화 이온으로 용해되거나, 불산과 반응하여 불화 텅스텐 가스로 제거된다. 산화성 슬러리의 경우, 산성 용액에서 화학식4와 같은 반응이 이루어진 뒤 최종적으로 SiF4형태로 제거될 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 설명하기로 한다.
본 발명에서 세정을 통해 제거하려는 타겟이 되는 것은 종래의 CMP나 건식 식각 같은 텅스텐 패턴 분리 과정에서 발생한 산화성 잔류 슬러리 물질이나 금속성 폴리머이다. 산화성 잔류 물질에 대한 지표를 PE TEOS막질로 하여 두께 200 옹스트롬 제거를 목표로 삼고, 금속성 폴리머에 대한 지표를 텅스텐 막질로 하여 두께 50 옹스트롬 제거를 목표로 하였다. 따라서, 이를 위해 과산화 수소 0.1wt% 내지 4wt% 범위에서, 불산 0.01wt% 내지 0.4wt% 범위에서 세정액을 제조하고 기판에 작용시켜 제거되는 PE TEOS막질과 텅스텐 막질의 평균적 두께를 측정한다.
결과에 따르면, 세정액을 불산 함량 0.1wt% 내지 0.4wt%, 과산화수소 함량 0.5wt% 내지 2wt%의 수용액으로 할 때 그 시간에 따라 텅스텐 두께 50 옹스트롬과 PE TEOS막 200 옹스트롬에 대한 식각을 동시에 수행할 수 있었다.
이들 불산 및 과산화수소 함량 범위내의 수용액으로 이루어진 세정액으로 세정을 실시할 때 원하는 두께의 텅스텐 및 PE TEOS막에 대한 식각이 이루어지는 것은 온도 및 세정 시간의 조절에 의해 가능하다. 그런데, 본 발명의 세정액을 사용함에 있어서도 식각 온도 및 세정 시간에 따라서 기판에 형성된 텅스텐 패턴이 침해를 당하는 문제가 발생할 수 있다.
가령, CMP나 건식 식각을 통해 텅스텐 플러그만 층간 절연막에 남기는 텅스텐 플러그 분리 과정에서 플러그에 이미 보이드(void)나 심(seam)이 형성된 경우 세정 과정에서 세정액이 이들 구조에 침투하여 이들 약점이 확대되는 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 이들 문제는 세정 시간이 길게되면서 더 높은 빈도로 발생할 수 있다. 따라서, 세정 시간의 조절이 필요하고 불산이나 과산화수소의 함량을 지나치게 낮추는 것은 제한된다.
한편, 불산이나 과산화 수소의 함량을 높이는 것은 이들이 함유된 세정액을 통한 시간 조절이나, 온도 조절을 통한 식각량 조절 신뢰성을 낮추며, 함량 조작상의 작은 차이가 큰 결과 차이를 가져올 수 있으므로 제한이 필요하다.
도2는 본 발명의 세정액에서 과산화 수소 및 불산의 적절한 함량을 찾기 위한 실험 결과 그래프 가운데 일부이다.
도2의 그래프와 같이 세정액으로 사용된 수용액 내에서의 불산 함량 0.29wt%, 과산화 수소 1wt%로 25도씨 상온에서 세정을 실시할 경우 5초 정도의 통제 가능하면서 짧은 시간에 원하는 두께로 텅스텐막과 PE TEOS막을 제거할 수 있었다.
도3 및 도4는 CMP를 통해 텅스텐 플러그를 분리한 뒤 불소 0.29wt%, 과산화 수소 1wt%를 순수(Deionized Water)에 함유시킨 세정액으로 25도씨 상온에서 150초세정 뒤의 기판 상 변화를 나타내는 전자 현미경 사진들이다. 결과를 보면, 도3 및 도4에서 나타나듯이, 기판 상에 형성된 플러그 사이의 심(seam)이 거의 확대되지 않음을 알 수 있다. 이와 함께, CMP 후에 기판에 남아있던 산화성 슬러리 들이 깨끗이 제거됨을 알 수 있다.
도5는 텅스텐 건식 식각을 통해 기판에 텅스텐 배선 패턴을 형성한 뒤에 불소 0.29wt%, 과산화 수소 1wt%를 순수(Deionized Water)에 함유시킨 세정액으로 25도씨 상온에서 150초 처리한 후의 패턴 프로파일을 나타내는 전자 현미경 사진이다. 상당한 시간동안 세정이 이루어짐에도 불구하고 텅스텐 패턴은 세정액에 의해 심각한 손상을 받지 않음을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 텅스텐에 대한 CMP나 건식 식각에 의한 패턴 분리에서 기판에 잔류하는 산화성 슬러리, 금속성 폴리머로 인한 후속 공정 불량의 가능성을 간단한 세정 과정을 통해 용이하고 충분하게 억제할 수 있다.
Claims (5)
- 기판에 텅스텐층을 형성하는 단계,상기 텅스텐층에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법을 수행하여 텅스텐 패턴 분리를 실시하는 단계, 및분리된 상기 텅스텐 패턴을 가지는 기판에 대해 불산 함량 0.1wt% 내지 0.4wt%, 과산화수소 함량 0.5wt% 내지 2wt%의 수용액을 세정액으로 이용한 세정을 실시하여 금속성 폴리머 및 산화성 잔류 슬러리 물질을 제거하는 단계를 구비하여 이루어지는 반도체 장치 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 텅스텐층 패턴은 층간 절연막층에 형성되는 텅스텐 플러그인 것을 특징으로 하는 반도체 장치 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세정액의 수용액 내에서의 불산 함량은 0.29wt%, 과산화 수소 함량은 1wt%인 것을 특징으로 하는 반도체 장치 형성 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 세정을 실시하는 단계는 20 내지 30도씨 온도 범위에서 60초 내지 200초 범위로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치 형성 방법.
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