KR100558043B1 - 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 구리 금속 배선 형성 공정중 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 잔존하는 파티클과 금속 이온을 제거하기 위한 세정(cleaning) 공정이 실시되는데, 본 발명에서는 세정 공정을 브러시 스크러빙(brush scrubbing)에 적용할 때, 먼저 제 1 브러시 스테이션(brush station)에서, 화학제 사용에 따른 급속한 표면 손상(attack)을 방지하기 위해 이온이 제거된 순수(DIW)를 흘려 1차 헹굼(rinse) 과정을 거치고, 희석된 HF와 BTA 혼합 용액을 흘려 세정 과정을 거치며, HF와 BTA를 제거하기 위해 다시 이온이 제거된 순수를 흘려 2차 헹굼 과정을 거쳐 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 잔존하는 파티클과 금속 이온을 제거하고, 제 2 브러시 스테이션에서, 제 1 브러시 스테이션으로부터 넘어온 웨이퍼에 존재할 지 모르는 HF와 BTA를 제거하기 위해 이온이 제거된 순수를 흘려 1차 헹굼 과정을 거치고, 희석된 초산(CH3COOH)을 흘려 세정 과정을 거치며, 초산을 제거하기 위해 다시 이온이 제거된 순수를 흘려 2차 헹굼 과정을 거쳐 절연막 위에 잔존하는 금속 이온을 제거하고, 이후 건조 장비(SRD)에서 자외선(UV) 및 이온이 제거된 순수를 사용하여 웨이퍼를 건조시켜 세정 공정을 완료하므로써, 구리층에 손상을 주지 않으면서 파티클과 금속 이온을 효과적으로 제거할 수 있는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법에 관하여 기술된다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법에 관한 것으로, 특히 다마신(damascene) 공정이 도입된 구리 금속 배선 형성시 화학 기계적 폴리싱(CMP) 공정 후에 실시하는 세정(cleaning) 공정을 개선하여, 구리층에 손상을 주지 않으면서 파티클(particle)과 금속 이온을 효과적으로 제거할 수 있는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자가 고집적화 및 축소화되고 고속 동작을 요구함에 따라 배선 재료로 구리(Cu)가 널리 사용되고, 구리의 사용으로 다마신(damascene) 공정이 도입되어 화학 기계적 폴리싱(CMP) 공정이 요구되고 있으며, 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 잔존하는 파티클(particle)과 금속 이온을 제거하기 위한 세정(cleaning) 공정이 실시되고 있다.
일반적으로, 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 실시되는 구리층의 세정 공정은 산화막이나 텅스텐층의 평탄화를 위한 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 실시하는 기존의 세정 공정을 그대로 적용하고 있는 실정이다. 산화막이나 텅스텐층의 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 실시하는 세정 공정은 파티클(particle) 제거용으로 암모니아 혹은 SC-1을 사용하고, 금속 이온 제거용으로 희석된 HF 혹은 BOE (100:1∼200:1) 등의 강산을 사용하고 있다. 이러한 화학제를 사용하여 구리층을 세정할 경우, 암모니아 혹은 SC-1은 구리층을 손상(attack)시켜 구리층의 표면을 매우 거칠게 만들고, 희석된 HF 혹은 BOE는 구리층이 표면을 산화시켜 저항을 증가시키는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 다마신 공정이 도입된 구리 금속 배선 형성시 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 실시하는 세정 공정을 개선하여, 구리층에 손상을 주지 않으면서 파티클과 금속 이온을 효과적으로 제거하므로써, 구리 금속 배선의 공정 안정성과 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구리 금속 배선 형성 방법은 반도체 기판 상에 형성된 층간 절연막의 다마신 패턴을 구리층으로 매립한 후, 화학 기계적 폴리싱 공정으로 상기 구리층이 연마된 웨이퍼가 제공되는 단계; 상기 웨이퍼에 희석된 HF와 BTA 혼합 용액을 흘려 1차 세정하는 단계; 상기 웨이퍼에 희석된 초산을 흘려 2차 세정하는 단계; 및 상기 웨이퍼를 건조시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 희석된 HF와 BTA 혼합 용액을 사용하는 1차 세정 전후와, 상기 희석된 초산을 사용하는 2차 세정 전후에 헹굼 과정이 추가된다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 층간 절연막(12)에 형성된 다마신 패턴(13)에 구리층(14)을 매립시킨 후, 화학 기계적 폴리싱 공정으로 구리층(14)을 연마하여 다마신 패턴(13) 내에 구리층(14)이 형성된 반도체 기판(11)이 제공된다. 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 웨이퍼의 구리층(14)과 층간 절연막(12)의 표면에는 많은 파티클(particle)과 금속 이온이 존재하게 된다.
상기에서, 층간 절연막(12)은 주로 산화물 예를 들어, USG, SOG, O3-TEOS, Si-rich Oxide, HDP-USG 등으로 단층 또는 다층 구조로 형성된다. 다마신 패턴(13)은 싱글-다마신(single- damascene) 공정이나 듀얼-다마신(dual-damascene) 공정으로 형성된다. 구리층(14)은 장벽 금속층(barrier metal layer)으로 타이타늄(Ti), 타이타늄나이트라이드(TiN), 텅스텐나이트라이드(WN), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 타이타늄/타이타늄나이트라이드(Ti/TiN), 타이타늄/텅스텐나이트라이트(Ti/WN), 타이타늄/탄탈륨나이트라이드(Ti/TaN) 등을 사용하며, 이러한 장벽 금속층은 물리적 기상 증착(PVD)법이나 화학적 기상 증착(CVD)법을 적용하여 형성된다.
도 1b를 참조하면, 구리층(14)의 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 잔존하는 파티클(particle)과 금속 이온을 제거하기 위하여, 브러시 스크러빙(brush scrubbing)에서 세정(cleaning) 공정이 실시하는데, 제 1 브러시 스테이션(brush station)에서, 화학제 사용에 따른 급속한 표면 손상(attack)을 방지하기 위해 이온이 제거된 순수(DIW)를 흘려 1차 헹굼(rinse) 과정을 거치고, 희석된(diluted) HF와 BTA 혼합 용액을 흘려 세정(cleaning) 과정을 거치며, HF와 BTA(benezotriazloe)를 제거하기 위해 다시 이온이 제거된 순수(DIW)를 흘려 2차 헹굼 과정을 거쳐 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 잔존하는 파티클과 금속 이온을 제거한다.
상기에서, 1차 헹굼 과정은 HF와 BTA의 화학제(chemical)에 의한 구리층(14)의 표면 손상을 방지하기 위한 과정으로 이온이 제거된 순수(DIW)를 900 ∼ 1000ml/min의 유량비(flow rate)로 10 ∼ 15초 동안 흘려준다. 세정 과정은 250:1 ∼ 300:1로 희석된 HF를 600 ∼ 800ml/min의 유량비로 30 ∼ 40초 동안 흘려주며, HF에 의한 구리층(14)의 표면 산화를 방지하기 위하여 0.1 ∼ 0.2wt%의 BTA를 300 ∼ 400ml/min의 유량비로 희석된 HF와 함께 흘려준다. 2차 헹굼 과정은 이후의 공정에서 HF와 BTA의 영향을 없애주기 위하여 약 1500ml/min의 유량비로 약 10초 동안 흘려준다.
한편, 구리층(14)의 화학 기계적 폴리싱 공정은 연마제로 Al2O3를 주로 사용하는데, 도 2의 그래프에서 알 수 있듯이, Al2O3는 층간 절연막(12)을 이루는 SiO2 와 제타 포텐셜(Zeta Potential)이 염기성 또는 강산성에서 동일한 극성을 나타내기 때문에 Al2O3를 SiO2 표면에서 효과적으로 제거하기 위해서는 염기성 또는 산성의 화학제를 사용하여야 한다. 암모니아와 같은 염기성 화학제는 구리층(14) 표면을 손상시키는 성질이 있어 본 발명의 세정 과정에 부적합하며, 희석된 산성이 적합하여 본 발명에서는 희석된 HF를 사용한다. 또한, 본 발명에서는 아무리 희석된 HF라 할지라도 구리층(14) 표면을 산화시킬 수 있기 때문에 산에 대한 구리의 부식을 억제하는 성질을 갖는 화학제인 BTA를 희석된 HF와 함께 사용한다.
도 1c를 참조하면, 제 2 브러시 스테이션에서, 제 1 브러시 스테이션으로부터 넘어온 웨이퍼에 존재할 지 모르는 희석된 HF와 BTA를 제거하기 위해 이온이 제거된 순수(DIW)를 흘려 1차 헹굼(rinse) 과정을 거치고, 희석된 초산(acetic acid; CH3COOH)을 흘려 세정(cleaning) 과정을 거치며, 초산을 제거하기 위해 다시 이온이 제거된 순수(DIW)를 흘려 2차 헹굼 과정을 거쳐 층간 절연막(12) 위에 잔존하는 금속 이온을 제거한다.
상기에서, 1차 헹굼 과정은 제 1 브러시 스테이션으로부터 넘어온 웨이퍼에 존재할 지 모르는 HF와 BTA의 영향을 완전히 없애주기 위한 과정으로 이온이 제거된 순수(DIW)를 약 1500ml/min의 유량비로 약 10초 동안 흘려준다. 세정 과정은 희석된 초산을 이용하는데, 초산은 유기산으로서 50wt% 농도에서는 구리층(14)을 부식시키지 않으며 층간 절연막(12)을 용이하게 제거할 수 있어, 20:1 ∼ 30:1 정도로 희석된 초산을 400 ∼ 500ml/min의 유량비로 50 ∼ 60초 동안 흘려준다. 2차 헹굼 과정은 초산을 없애주기 위하여 900 ∼ 1000ml/min의 유량비로 20 ∼ 30초 동안 흘려준다.
이후, 건조 장비(spin rinse dry; SRD)에서 자외선(UV) 및 이온이 제거된 순수(DIW)를 사용하여 웨이퍼를 건조시켜 세정 공정을 완료한다.
상기한 본 발명의 기술적 원리는 제 1 브러시 스테이션에서 희석된 HF와 희석된 BTA 혼합 용액으로 구리층 및 층간 절연막 표면에 잔존하는 파티클과 금속 이온을 1차 제거하고, 제 2 브러시 스테이션에서 희석된 초산(CH3COOH)으로 층간 절연막 표면에 잔존하는 금속 이온을 제거하는 것이다.
한편, 본 발명의 실시예는 세정 공정을 브러시 스크러빙(brush scrubbing)에 적용하여 설명하였지만, 기존의 웨트 딥핑(wet dipping)이나 스프레이 클리닝(spray cleaning) 등에도 응용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 다마신 공정이 도입된 구리 금속 배선 형성시 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 실시하는 세정 공정을 희석된 HF와 BTA 혼합 용액으로 1차 세정하고, 희석된 초산(CH3COOH)으로 2차 세정하므로써, 화학 기계적 폴리싱 공정 후에 잔존하는 파티클 및 금속 이온을 구리층에 손상을 주지 않으면서 효과적으로 제거할 수 있어, 구리 금속 배선의 공정 안정성과 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 2는 염기성 또는 강산성에서의 Al2O3와 SiO2 의 제타 포텐셜을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 반도체 기판 12: 층간 절연막
13: 다마신 패턴 14: 구리층
Claims (8)
- 반도체 기판 상에 형성된 층간 절연막의 다마신 패턴을 구리층으로 매립한 후, 화학 기계적 폴리싱 공정으로 상기 구리층이 연마된 웨이퍼가 제공되는 단계;상기 웨이퍼에 희석된 HF와 BTA 혼합 용액을 흘려 1차 세정하는 단계;상기 HF와 BTA 혼합 용액을 제거하기 위해 이온이 제거된 순수를 흘려 1차 헹굼하는 단계;상기 웨이퍼에 희석된 초산을 흘려 2차 세정하는 단계;상기 초산을 제거하기 위해 이온이 제거된 순수를 흘려 2차 헹굼하는 단계; 및상기 웨이퍼를 건조시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 층간 절연막은 USG, SOG, O3-TEOS, Si-rich Oxide, HDP-USG 와 같은 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 1차 세정은 화학 기계적 폴리싱 공정으로 발생된 파티클 및 금속 이온을 제거하기 위하여 250:1 ~ 300:1로 희석된 HF를 600 ~ 800ml/min의 유량비로 30 ~ 40초 동안 흘려주며, 상기 희석된 HF로 인한 구리층의 표면 산화를 방지하기 위하여 0.1 ~ 0.2wt%의 BTA를 300 ~ 400ml/min의 유량비로 상기 희석된 HF와 함께 흘려주는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 2차 세정은 상기 1차 세정 후에 잔존하는 금속 이온을 제거하기 위하여 20:1 ~ 30:1로 희석된 초산을 400 ~ 500ml/min의 유량비로 50 ~ 60초 동안 흘려주는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 웨이퍼 건조는 건조 장비인 SRD에서 자외선 및 이온이 제거된 순수를 사용하여 웨이퍼를 건조시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 웨이퍼가 제공되는 단계 후 상기 1차 세정 전에 화학 기계적 폴리싱 공정에 사용된 화학제를 제거하기 위하여 900 ~ 1000ml/min의 유량비를 이온이 제거된 순수를 흘려주는 헹굼 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 1차 헹굼 과정은 약 1500ml/min의 유량비로 이온이 제거된 순수를 흘려주는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 2차 헹굼 과정은 900 ~ 1000ml/min의 유량비로 이온이 제거된 순수를 흘려주는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 구리 금속 배선 형성 방법.
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