KR100591163B1 - 화학기계적 연마 공정에서 유기물 제거를 위한 세정 방법 - Google Patents
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Abstract
화학기계적 연마(CMP) 공정에서 유기물 제거를 위한 세정 방법을 제시한다. 본 발명에 따르면, 화학기계적 연마된 웨이퍼 표면 상에 친수성 용제(hydrophilic solvent)를 포함하는 세정액을 제트(jet) 분사하여 웨이퍼 표면의 유기물 잔류물을 제거하고, 웨이퍼 표면에 순수를 제트 분사하여 웨이퍼 표면에 잔존하는 친수성 용제 성분을 제거하여 웨이퍼를 세정한다.
CMP, 세정, 유기 잔류물, 친수성, 제트 스크러버
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정에서 유기물 제거를 위한 세정 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 공정 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정에서 유기물 제거를 위한 세정 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히, 화학기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing) 공정에서 유기물 제거를 위한 세정 화합물 및 이를 이용한 세정 방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화되고 고속 동작을 요구하게 됨에 따라, 글로벌 평탄화(global planarization)나 구리(Cu) 배선과 같은 선택적 식각이 어려운 물질층의 패터닝을 위해 화학기계적 연마(CMP)가 도입되고 있다. 이러한 CMP 공정이 수행된 후에는 CMP 공정 수행 시 발생된 파티클(particle) 또는/및 잔류물 등을 웨이퍼(wafer) 표면으로부터 제거하는 세정(cleaning) 공정이 수반되고 있다.
CMP 공정은 연마제(abrasive)가 포함되어 있는 슬러리(slurry)를 사용하고 있으므로, CMP 후 세정 공정이 필수적으로 수반된다. 효율적인 세정 효과(cleaning efficiency)를 확보하기 위하여 여러 가지 단위 공정(unit process)이 개발되어 현재 적용되고 있다. 예컨대, 세정 공정은 기계적 힘(mechanical force)을 사용하는 PVA(PolyVinyl Alcohol) 롤(roll)을 이용한 스크러빙(scrubbing)을 이용하는 방법, 초음파를 이용하여 파티클 또는 잔류물을 분리 또는 원천적으로 부착을 방지하는 세정 방법인 메가소닉 공정(megasonic process)과, 화학적 반응(chemical reaction)을 이용하는 습식 세정(wet cleaning)으로 크게 나눌 수 있다.
기계적 방법과 화학적 세정 공정 등을 동시에 사용하는 것은 화학적 작용을 이용하여 웨이퍼 표면에 있는 파티클이나 잔류물 성분들의 전기적 축전(electrical charge)이나 물질 특성(material property)을 변화시킴으로써, 기계적인 힘으로 쉽게 잔류물을 웨이퍼 표면으로부터 제거할 수 있는 이점을 가질 수 있다.
이때 사용되는 세정 화합물은 대부분 연마 슬러리(polishing slurry)의 파티클(particle)이 웨이퍼 상에 흡착(adhesion)되는 것을 방지하는 기능과 이전 공정 혹은 CMP 공정에서 발생하는 잔류물 또는/및 파티클을 제거하는 기능을 수행하도록 구성된다. 일반적으로 사용되는 세정 화합물은 슬러리 내의 연마제 또는 연마 파티클의 전기적 전하(electrical charge)를 변화시켜 웨이퍼와의 흡착을 방해하는 이온 설팩턴트(ion surfactant)와 금속 이온(metal ion)의 웨이퍼로의 흡착을 제거하 기 위한 켈레이팅제(chelating agent)가 주류를 이루고 있다.
그런데, 이러한 세정 화합물의 도움으로도 연마된 웨이퍼 표면을 충분히 세정하지 못하는 경우가 발생될 수 있다. 예컨대, CMP 공정이 수행된 연마된 웨이퍼 표면에 유기 잔류물이 발생되거나 또는/및 CMP 전 공정 단계에서 수반된 유기물이 잔류할 경우, 이러한 유기물은 이제까지의 세정 화합물 또는/및 세정 방법으로 웨이퍼 표면으로부터 제거되기가 어렵다. 따라서, 보다 효과적으로 웨이퍼의 연마된 표면을 세정할 수 있는 세정 화합물 및 세정 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 화학기계적 연마 공정에서 보다 효과적인 세정을 구현할 수 있는 세정 방법을 제시하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 실시예는,
화학기계적 연마된 웨이퍼 표면 상에 친수성 용제를 포함하는 제1 세정액을 제트(jet) 분사하여 상기 웨이퍼 표면의 유기물 잔류물을 제거하는 제1 세정 단계; 및 상기 웨이퍼 표면에 제2 세정액을 제트 분사하여 상기 웨이퍼 표면에 잔존하는 상기 친수성 용제 성분을 제거하는 제2 세정 단계를 포함하는 화학기계적 연마 후 세정 방법을 제시한다.
상기 친수성 용제는 에탄올(ethanol), 카르복실산(carboxylic acid), 아미노산(amino acid), 벤질알콜(benzyl alcohol), t-부탄올(t-butanol) 또는 I-프로판올(I-propanol)을 포함할 수 있다.
상기 제2 세정액은 상기 친수성 용제를 제거하기 위한 순수를 포함할 수 있다.
상기 제1 세정액 및 상기 제2 세정액은 각각 상기 웨이퍼 상에 도입되되 서로 다른 제트 분사 노즐들을 통해 상기 웨이퍼 상에 분사되어 상기 웨이퍼 표면을 제트 스크러빙(jet scrubbing)할 수 있다.
상기 화학기계적 연마된 웨이퍼 표면은 비아 퍼스트(via first) 방식을 이용한 구리 다마신(Cu damascene) 과정에 의해 연마된 구리층 표면 및 산화물층 표면을 포함하고, 상기 제1 세정은 상기 표면으로부터 유기물 잔류물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 화학기계적 연마 공정에서 유기물을 효과적으로 제거할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에서는, 화학기계적 연마(CMP) 후의 웨이퍼 표면에 발생하거나 잔류하는 유기물 잔류물(organic reside)을 효과적으로 제거하기 위해, 유기물을 효과적으로 제거할 수 있는 세정 방법을 제시한다. 구체적으로, 화학기계적 연마(CMP) 후 웨이퍼 표면에 존재할 수 있는 유기물 잔류물을 친수성 용제로 반응시킨 후, 워터 제트 스크러버(water jet scrubber)로 효과적으로 제거하는 기술을 제시한다. 워터 제트 스크러버는 웨이퍼 상에 패턴이 완전히 형성되어 있기 때문에 웨이퍼 표면을 직접 접촉하여 스크러빙하는 PVA 스크러빙에 비해 웨이퍼 표면 손상(damage)을 상대적으로 완화시킬 수 있는 이점을 가지고 있다.
유기물 잔류물을 제거하기 위하여 종래의 PVA 스크러빙 과정에 공급되는 세정 화합물을 이온 설팩턴트(ion surfactant) 및 켈레이팅제(chelating agent) 등을 포함하여 구성되고 있다. 그런데, CMP 후 웨이퍼 표면에는 전 공정에서 발생한 파티클, 잔류물 등과 CMP 공정에서 발생하는 파티클, 잔류물 등 여러 가지 성분의 잔류물이 발생할 수 있다. 이를 효과적으로 제거하기 위해서는 각 잔류물 결함(residue defect)에 대한 정보가 필수적이며, 일반적으로 슬러리에 의한 파티클, 소자(device) 공정에 의한 금속 파티클, 그리고 유기물 잔류물 등으로 CMP 후 잔류물을 대별할 수 있다. 각각의 잔류물성 결함은 그 특성이 다르므로 제거하는 기구(mechanism) 또한 차이를 나타낼 수밖에 없다.
특히, 구리 다마신(Cu damascene) 공정은 여러 가지 순차적인 공정 과정들로 이루어지고 있어, 구리 CMP 후에는 매우 많은 종류의 잔류물들이 발생되게 된다. 특히, 종료층(stop layer)을 사용하지 않는 다마신 공정에서는 비아홀(via hole) 형성 후 비아홀에 정렬된 트렌치(trench)를 식각하는 반응성이온식각(RIE: Reactive Ion Etch) 시, 비아홀을 폴리머(polymer)로 채운 상태에서 트렌치 식각이 수행되고 있다. 따라서, 상대적으로 많은 유기물들이 이러한 공정에 사용되고 있다.
그러므로, 이러한 CMP 전 공정에서 산화물층 표면에 흡착된 유기물을 완전히 제거해 주지 않으면, 이러한 비아홀 또는/및 트렌치를 채우는 구리층의 CMP 후에 웨이퍼 표면에는 많은 유기물 잔류물이 잔류하게 된다. 이러한 유기물 잔류물을 효과적으로 제거해주기 위하여, 유기물을 효과적으로 제거할 수 있는 공정이 요구 된다. 이러한 유기물을 효과적으로 제거하는 과정, 즉, 본 발명의 실시예에서 제시하는 세정 방법은 친수성 용제를 웨이퍼 표면에 분사하여 유기물 잔류물을 효과적으로 제거한 후, 다른 남은 잔류물을 순수를 포함하는 물을 제트(jet) 분사하는 워터 제트 스크러버를 이용하여 효과적으로 제거하는 과정을 포함하여 수행된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정에서 유기물 제거를 위한 세정 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 공정 흐름도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정에서 유기물 제거를 위한 세정 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CMP 후 세정 방법은 먼저 CMP 과정을 수행한다(110). 이러한 CMP 과정은 구리층 배선을 형성하기 위한 구리 CMP 과정일 수 있으며, 이러한 CMP 과정의 전 단계로, 하부 구리층을 덮는 층간 절연층을 형성하고, 층간 절연층을 선택적으로 식각하여 하부 구리층을 노출하는 비아홀을 형성한 후, 비아홀을 채우는 폴리머층을 형성하고, 비아홀에 정렬되는 트렌치를 형성하는 과정이 수행될 수 있다. 이러한 전 단계 공정에 의해서 층간 절연층의 표면에는 많은 유기물이 잔류된 상태일 수 있고, 이러한 잔류물 등에 의해서 트렌치를 채우는 구리층을 CMP하여 패터닝한 후에도, 이러한 잔류물에 의해 유기물 잔류물 등이 크게 발생될 수 있다. 이와 같이 CMP 후 CMP된 웨이퍼 표면을 세정하기 위해서, 실질적으로 워터 제트 스크러버 방식을 이용한다.
예컨대, 도 2에 제시된 바와 같이 웨이퍼(200)를 회전시키며 웨이퍼(200) 상 에 도입된 제1 노즐(first nozzle: 310)을 통해 친수성 용제를 포함하는 제1 세정액을 웨이퍼(200) 상으로 제트 분사한다. 이와 같은 친수성 용제를 사용하는 제1 세정(도 1의 120)에 의해서, 웨이퍼(200) 표면에 존재할 수 있는 유기물 잔류물은 효과적으로 제거되게 된다.
이때, 친수성 용제(hydrophilic solvent)는 웨이퍼(200) 표면의 유기물을 제거하는 역할을 한다. 예컨대, 에탄올(ethanol), 카르복실산(carboxylic acid), 아미노산(amino acid), 벤질알콜(benzyl alcohol), t-부탄올(t-butanol), I-프로판올(I-propanol) 등을 이용할 수 있다.
이후에, 순수 또는 물을 포함하는 제2 세정액을 도 3에 제시된 바와 같이 웨이퍼(200)를 회전시키며 웨이퍼(200) 상에 도입된 제2 노즐(second nozzle: 330)을 통해 순수를 포함하는 제2 세정액을 웨이퍼(200) 상으로 제트 분사한다. 이와 같은 순수를 사용하는 제2 세정(도 1의 130)에 의해서, 제1 세정 이후에도 웨이퍼(200) 표면에 존재할 수 있는 잔류물 또는/및 친수성 용제 등이 효과적으로 제거되게 된다. 제1 세정에 사용된 친수성 용제는 친수성 특성을 가지고 있어 순수의 제트 분사에 의해서도 충분히 효과적으로 제거되게 된다.
이러한 본 발명의 실시예에 의한 세정 방법에 의해 구리층과 같은 금속층의 CMP 후에 CMP된 웨이퍼 표면으로부터 유기물 잔류물을 효과적으로 제거할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 구리층 화학기계적 연마(Cu CMP) 후 표면에 잔존하는 유기물 잔류물을 효과적으로 제거함으로서, 유기물 잔류물에 의해 유발되는 결함(defect)을 감소시킬 수 있으며, CMP 공정에서의 공정 안정성과 재현성을 확보할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예들을 통하여 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명은 여러 형태로 변형될 수 있다.
Claims (5)
- 화학기계적 연마된 웨이퍼 표면 상에 친수성 용제를 포함하는 제1 세정액을 제트(jet) 분사하여서 상기 웨이퍼 표면을 제트 스크러빙(jet scrubbing)하여 상기 웨이퍼 표면의 유기물 잔류물을 제거하는 제1 세정 단계; 및상기 웨이퍼 표면에 상기 친수성 용제를 제거하기 위한 순수를 포함하는 제2 세정액을 제트 분사하여서 상기 웨이퍼 표면을 제트 스크러빙(jet scrubbing)하여 상기 웨이퍼 표면에 잔존하는 상기 친수성 용제 성분을 제거하는 제2 세정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마 후 세정 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 친수성 용제는 에탄올(ethanol), 카르복실산(carboxylic acid), 아미노산(amino acid), 벤질알콜(benzyl alcohol), t-부탄올(t-butanol) 및 I-프로판올(I-propanol)을 포함하여 이루어지는 일군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마 후 세정 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 화학기계적 연마된 웨이퍼 표면은 비아 퍼스트 방식을 이용한 구리 다마신(Cu damascene) 과정에 의해 연마된 구리층 표면 및 산화물층 표면을 포함하고, 상기 제1 세정은 상기 표면으로부터 유기물 잔류물을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마 후 세정 방법.
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2004
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