KR100455503B1 - 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건식 식각에 의한 콘택홀 내부의 경화성 폴리머 및 포토레지스트 잔류물을 동시에 제거할 수 있는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법은 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 게이트 스택 또는 금속 배선 상에 적층되어 있는 층간 절연막을 건식 식각하여 형성된 콘택홀의 내부 및 상부를 세정하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법에 있어서, 상기 층간 절연막 상에 형성되어 있는 포토레지스트 패턴을 애싱하여 제거하는 단계와, 상기 층간 절연막 상부에 잔류하는 포토레지스트 잔류 패턴 및 상기 콘택홀 내벽의 상기 층간 절연막 건식 식각시 발생된 폴리머를 제거하기 위한 하이드록시 아민(hydroxy amine)을 포함한 유기성 용액에, 상기 건식 식각시 게이트 또는 금속 배선과 반응하여 상기 콘택홀 하부에 존재하는 금속의 경화성 폴리머를 제거하기 위한 용액 및 내부식성을 갖는 인산, 초산 또는 메탄올 중 어느 한 용액을 첨가한 혼합 용액으로 세정하는 단계를 포함하여 이루지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법에 관한 것으로서, 특히 건식 식각에 의한 콘택홀 내부의 경화성 폴리머 및 포토레지스트 잔류물을 동시에 제거할수 있는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법에 관한 것이다.
종래의 반도체 소자 제조 공정에 있어서, 소자가 고집적화된 선 폭 0.25㎛ 이하의 반도체 소자 제조 공정에서는 소스/드레인이 0.08㎛ 이하의 얇은 PN 접합으로 형성된다. 따라서, 최소 콘택홀의 크기는 0.3㎛ 이하의 크기가 된다. 또한, 선 폭이 좁아질수록 더 얇고 작은 접합과 콘택홀이 요구되고 있다. 이와 같이 얇은 접합과 작은 콘택홀을 사용함에 따라 건식 식각에 의한 경화성 폴리머의 콘택홀 내 형성과 건식 식각에 따른 부산물에 의해 콘택 저항이 크게 증가되는 문제점이 야기된다.
이하, 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 1 및 도 2는 일반적인 반도체 소자의 콘택홀 형성 공정을 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시한 바와 같이 반도체 기판(101)의 하부 도전막 예를 들면, 게이트 혹은 금속 배선(102) 상에 층간 절연막(103)이 형성된 후 상기 층간 절연막(103) 상에 콘택홀 형성 마스크로서 포토레지스트 패턴(108)이 형성된다. 상기 포토레지스트 패턴(108)을 마스크로 사용하여 상기 게이트 혹은 금속 배선(102)의 일부가 노출되도록 상기 층간 절연막(103)이 플라즈마를 이용한 건식 식각에 의해 식각되어 콘택홀(104)이 형성된다. 이 때, 플라즈마를 이용한 건식 식각의 진행에 따라 상기 콘택홀(104)의 하부에 상기 게이트 혹은 금속 배선과 반응하여 생성된 금속성 경화성 폴리머(106)가 건식 식각의 부산물로 형성되고, 상기 콘택홀 내부에 층간 절연막의 건식 식각 부산물인 폴리머(107)가 형성된다. 상기 층간 절연막(103)의 건식 식각 부산물인 폴리머(107)는 콘택홀 식각시 식각 장벽의 보호막 역할을 수행한다. 이어, 후속 공정으로 상기 포토레지스트 패턴(108)을 제거하는 애쉬(ashing) 공정 진행된다.
도 2는 포토레지스트 패턴(108)이 건식 공정인 애쉬 공정으로 제거된 모습을 보여준다. 상기와 같이 애쉬 공정이 진행된 뒤에도 상기 콘택홀 주변에는 경화성 폴리머(106), 층간 절연막(103)의 식각 부산물인 폴리머(107) 및 포토레지스트 잔류 패턴(108a) 등이 남아 있어 이를 제거하기 위한 세정 공정이 뒤따른다.
상기 세정 공정은 화학 증기를 이용하는데, 게이트 콘택의 경우에는 황산(H2SO4)과 과산화수고(H2O2)의 혼합액인 SPM 용액이 사용되고, 금속 배선의 경우에는 하이드록시 아민(hydroxy amine) 혼합 용액 또는 수산화 암모늄(NH4OH), 아세트산(CH3COOH) 및 초순수(Deionized water)의 혼합 용액인 SMC 용액이 사용된다.
그러나, 상기와 같은 SPM 용액을 사용하는 세정 공정의 경우 140℃ 이상의 고온 공정이 요구되므로 작업자의 안전이 문제될 수 있으며, 설비의 부식 및 환경 오염 등의 문제를 초래할 수 있다. 또한, 하이드록시 아민 혼합 용액이나 SMC 용액을 사용하는 세정 공정의 경우에는 금속의 부식을 방지하면서 경화성 폴리머를 제거하는 조건이 요구되고 있으나, 폴리머 제거 능력과 금속 배선 부식 방지의 목적이 서로 상충되어 적절한 조건의 설정이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 건식 식각에 의한 콘택홀 내부의 경화성 폴리머 및 포토레지스트 잔류물을 동시에 안정적으로 제거할 수 있는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 일반적인 반도체 소자의 콘택홀 형성 공정을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법을 진행한 후의 모습을 보여주는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 반도체 기판 102 : 게이트 또는 금속 배선
103 : 층간 절연막 104 : 콘택홀
105 : 자연 산화막 106 : 금속의 경화성 폴리머
107 : 폴리머 108a : 포토레지스트 잔류 패턴
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법은 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 게이트 스택 또는 금속 배선 상에 적층되어 있는 층간 절연막을 건식 식각하여 형성된 콘택홀의 내부 및 상부를 세정하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법에 있어서, 상기 층간 절연막 상에 형성되어 있는 포토레지스트 패턴을 애싱하여 제거하는 단계와, 상기 층간 절연막 상부에 잔류하는 포토레지스트 잔류 패턴 및 상기 콘택홀 내벽의 상기 층간 절연막 건식 식각시 발생된 폴리머를 제거하기 위한 하이드록시 아민(hydroxy amine)을 포함한 유기성 용액에, 상기 건식 식각시 게이트 또는 금속 배선과 반응하여 상기 콘택홀 하부에 존재하는 금속의 경화성 폴리머를 제거하기 위한 용액 및 내부식성을 갖는 인산, 초산 또는 메탄올 중 어느 한 용액을 첨가한 혼합 용액으로 세정하는 단계를 포함하여 이루지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 소자의 콘택홀 형성 방법은 포토레지스트 잔류 패턴과 콘택홀 하부에 존재하는 금속의 경화성 폴리머 및 층간 절연막의 건식 식각시 발생되는 폴리머를 동시에 제거하는 용액을 사용함으로서 기존의 포토레지스트 패턴을 제거하기 위한 용액, 콘택홀 내벽에 존재하는 폴리머를 제거하는 용액을 각각 따로사용하여 공정 단계의 증가와 세정 용액의 사용량 증가를 가져왔던 기존의 공정을 개선하고 세정에 이용되는 초순수(Deionized water; DIW)의 사용을 현저하게 줄이면서 콘택홀 하부의 금속의 경화성 폴리머의 존재로 인한 전기 저항의 증가를 감소시켜 반도체 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 반도체 소자의 콘택홀 형성 방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법을 진행한 후의 모습을 보여주는 단면도이다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 포토레지스트 패턴(108)을 마스크로 사용하여 게이트 스택 또는 금속 배선(102)의 일부가 노출되도록 층간 절연막(103)이 플라즈마를 이용한 건식 식각되어 콘택홀(104)이 형성된 후, 상기 포토레지스트 패턴(108)이 애싱(ashing) 공정으로 제거된다. 이 때, 상기 층간 절연막(103)의 상부에는 포토레지스트 잔류 패턴(108a)이 남게되고 상기 콘택홀(104)의 하부에는 플라즈마를 이용한 건식 식각시 상기 게이트 스택 또는 금속 배선과 반응하여 생성된 금속의 경화성 폴리머(106)가 존재하며 상기 콘택홀 내벽에는 상기 건식 식각의 잔류물인 폴리머(107)가 발생된다. 여기서, 상기 금속의 경화성 폴리머(106)는 하부의 게이트 스택 또는 금속 배선의 물질에 따라 틀려지는데 게이트 스택 또는 금속 배선의 물질이 티타늄(Ti)일 경우에는 Ti/TiN 폴리머가 생성된다. 그리고 상기 게이트 스택 또는 금속 배선 상에는 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정 진행에 의해 자연 산화막(native oxide)(105)이 성장된다.
본 발명은 상기 애싱 공정으로 제거되지 않는 포토레지스트 잔류 패턴, 콘택홀 내벽의 폴리머, 금속의 경화성 폴리머 그리고 자연 산화막을 동시에 제거하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법을 제시한다.
상기와 같은 폴리머 등은 표면 몰포러지(surface morphology)를 거칠게 만들고 전기적 단락(short) 및 고저항을 유발하므로 필수적으로 제거되어야 한다. 이를 위해, 콘택홀 세정 용액은 포토레지스트 패턴 및 콘택홀 내벽의 폴리머를 제거하기 위한 용액에 자연산화막 및 금속의 경화성 폴리머를 제거하기 위한 용액 및 내부식성을 갖는 용액을 첨가한 혼합 용액이 증기화되어 사용된다.
상기 포토레지스트 패턴 및 콘택홀 내벽의 폴리머를 제거하기 위한 용액으로는 하이드록시 아민(hydroxy amine)이 포함되는 유기성 용액이 사용되며, 상기 금속의 경화성 폴리머 및 자연 산화막을 제거하기 위한 식각 용액으로는 황산(H2SO4), 과산화수소(H2O2) 또는 NH3F와 HF의 혼합액 중 어느 하나가 사용된다. 즉, 상기 하이드록시 아민을 포함하는 유기성 용액이 초고순도의 초순수(DIW)와 혼합되어 세정 용액의 베이스(base)로 사용되고 상기 황산 등의 식각 용액이 첨가제로 사용된다.
이 때, 상기 세정 용액을 사용하여 콘택홀을 세정하는 공정은 증기화된 세정 용액의 온도를 40∼90℃ 정도로 하고 상기 증기화된 세정 용액에 노출된 기판의 온도는 80℃ 정도로 유지하여 층간 절연막의 식각을 최소화하는 한편, 콘택홀 하부에 존재하는 금속의 경화성 폴리머와 증기화된 세정 용액의 반응을 활성화한다.
여기서, 상기 자연 산화막 및 금속의 경화성 폴리머의 식각 용액인 황산(H2SO4), 과산화수소(H2O2) 또는 NH3F와 HF의 혼합액은 0.1∼50wt%의 범위 내에서 사용되고, 이는 전체 세정 용액의 0.01∼1vol%의 범위를 갖는다.
이와 같이 하이드록시 아민기를 포함하는 세정 용액을 사용하는 경우에는 콘택홀 내부의 건식 식각의 부산물인 폴리머와 포토레지스트 잔류 패턴은 용이하게 제거되나 하부의 게이트 스택 또는 금속 배선의 금속의 부식을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해 내부식성을 갖는 용액을 첨가제로 사용한다.
상기 내부식성을 갖는 용액은 인산, 초산 또는 메탄올을 사용하며 전체 세정 용액의 5∼10vol% 의 범위 내에서 사용하게 된다.
상술한 바와 같은 세정 용액을 사용하여 콘택홀 세정 공정을 수행한 결과 상기 포토레지스트 잔류 패턴, 콘택홀 내부의 폴리머, 콘택홀 하부의 금속의 경화성 폴리머 및 자연 산화막이 모두 제거되어 도 3에서와 같이, 깨끗이 세정된 콘택홀이 완성된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
포토레지스트 잔류 패턴과 콘택홀 하부에 존재하는 금속의 경화성 폴리머 및 층간 절연막의 건식 식각시 발생되는 폴리머를 동시에 제거하는 용액을 사용함으로서 기존의 포토레지스트 패턴을 제거하기 위한 용액, 콘택홀 내벽에 존재하는 폴리머를 제거하는 용액을 각각 따로 사용하여 공정 단계의 증가와 세정 용액의 사용량 증가를 가져왔던 기존의 공정을 개선하고 세정에 이용되는 초순수(Deionizedwater; DIW)의 사용을 현저하게 줄이면서 콘택홀 하부의 금속의 경화성 폴리머의 존재로 인한 전기 저항의 증가를 감소시켜 반도체 성능을 향상시킬 수 있다.
Claims (8)
- 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 게이트 스택 또는 금속 배선 상에 적층되어 있는 층간 절연막을 건식 식각하여 형성된 콘택홀의 내부 및 상부를 세정하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법에 있어서,상기 층간 절연막 상에 형성되어 있는 포토레지스트 패턴을 애싱하여 제거하는 단계;상기 층간 절연막 상부에 잔류하는 포토레지스트 잔류 패턴 및 상기 콘택홀 내벽의 상기 층간 절연막 건식 식각시 발생된 폴리머를 제거하기 위한 하이드록시 아민(hydroxy amine)을 포함한 유기성 용액에, 상기 건식 식각시 게이트 또는 금속 배선과 반응하여 상기 콘택홀 하부에 존재하는 금속의 경화성 폴리머를 제거하기 위한 용액 및 내부식성을 갖는 인산, 초산 또는 메탄올 중 어느 한 용액을 첨가한 세정 용액을 증기화시켜 세정하는 단계를 포함하여 이루지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 포토레지스트 잔류 패턴 및 상기 콘택홀 내벽의 상기 층간 절연막 건식 식각시 발생된 폴리머를 제거하기 위한 하이드로시 아민을 포함한 유기성 용액을 초순수에 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속의 경화성 폴리머를 제거하기 위한 용액은 황산, 과산화수소 또는 NH3F와 HF의 혼합액 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 금속의 경화성 폴리머를 제거하기 위한 용액은 0.1∼50wt%의 범위 내에서 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 금속의 경화성 폴리머를 제거하기 위한 용액은 전체 세정 용액의 0.01∼1vol%의 범위 내에서 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 세정 공정을 진행할 시 기판을 80℃ 정도로 유지시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 증기화된 세정 용액의 온도를 40∼90℃ 정도로 유지시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 인산, 초산 또는 메탄올은 전체 세정 용액의 5∼10vol%의 범위 내에서 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 콘택홀 세정 방법.
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