KR100641506B1 - 반도체 소자 세정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 듀얼 다마신 구조를 갖는 반도체 소자의 세정 기술에 관한 것으로, 층간 절연막 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴을 마스크로 층간 절연막을 식각하여 듀얼 다마신 구조를 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴을 애슁하여 제거하는 단계와, 층간 절연막 상부의 포토레지스트 잔류물과 식각 중 발생된 듀얼 다마신 구조의 내벽의 폴리머를 제거하기 위한 용액과 듀얼 다마신 구조 바닥의 자연 산화막을 제거하는 용액의 혼합 용액으로 듀얼 다마신 구조를 세정한다. 본 발명에 의하면, 포토레지스트와 폴리머를 제거하기 위한 용액과 자연 산화막을 제거하기 위한 용액을 각각 따로 사용하여 공정 단계의 증가와 케미칼 사용량의 증가를 가져왔던 기존의 공정을 개선할 수 있다.
듀얼 다마신, 폴리머, 애슁
Description
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 따라 듀얼 다마신 구조를 갖는 반도체 소자를 제조하는 과정을 설명하는 공정 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 세정 방법에 의해 세정된 후의 듀얼 다마신 구조의 모습을 보여주는 단면도.
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 폴리머, 포토레지스트 잔류물 및 자연 산화막을 동시에 제거하는데 적합한 듀얼 다마신(dual damascene) 구조를 갖는 반도체 소자의 세정 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 축소와 관련하여 배선에서도 단면적의 감소로 인해 전류 밀도가 상승하게 되어 EM(electromigration)에 의한 금속 배선의 신뢰성에 심각한 문제를 일으키게 되었다. 따라서, 일반적인 알루미늄(Al)보다 비저항이 낮으면서 동시에 신뢰성(reliability)이 우수한 구리(Cu)를 금속 배선 재료로 사용하여 반도체 소자를 제조하기 위한 연구 및 개발이 다각도로 이루어졌다.
하지만 구리는 휘발성이 강한 화합물을 형성하는데 어려움이 따르기 때문에 미세 패턴을 형성하기 위한 건식 식각 공정에 적용하기가 용이하지 않다는 단점이 있다. 이러한 구리 배선의 패터닝 문제를 해결하기 위해 다마신(damascene) 공정이 도입되었다.
CMP(Chemical Mechanical Polishing)를 이용한 다마신 공정, 특히 듀얼 다마신 공정은, 층간 절연막을 증착하는 단계, 포토리소그래피 공정을 통해 이 층간 절연막을 패터닝하는 단계, 배선 영역인 트렌치를 형성하는 단계, 트렌치에 구리를 갭필하는 단계, 이를 CMP로 평탄화하여 구리 배선을 형성하는 단계로 이루어지며, 한번의 CMP 공정으로 비아(via)와 금속 배선(metal line)을 동시에 이룰 수 있다는 장점 때문에 현재 다층 금속 배선 공정에서 주로 사용되고 있다.
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 의한 듀얼 다마신 구조를 갖는 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다. 이하 이들 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 듀얼 다마신 제조 방법을 설명하고자 한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판의 하부 구조물(10)(예를 들면, 게이트 또는 금속 배선이 포함된 층)에 제 1 층간 절연막(12)을 증착하고, 그 위에 식각 정지막(14)을 형성하고 그 위에 제 2 층간 절연막(16)을 순차 적층한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 사진 공정을 진행하여 비아 영역을 정의하는 제 1 포토레지스트 패턴(18)을 형성한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 제 1 포토레지스트 패턴(18)에 의해 드러나는 제 2 층간 절연막(16)을 건식 식각한다. 이때 식각된 제 2 층간 절연막은 16a로 표시 한다. 그리고 이때 식각 정지막(14)은 제 2 층간 절연막(16)의 식각 정지 역할을 한다. 이후 상기 제 1 포토레지스트 패턴(18)을 제거한다.
그 다음 도 1d에 도시된 바와 같이, 사진 공정을 진행하여 배선 영역을 정의하는 제 2 포토레지스트 패턴(22)을 형성한다.
이어서 도 1e에 도시된 바와 같이, 제 2 포토레지스트 패턴(22)에 의해 드러나는 제 2 층간 절연막(16)을 식각하여 배선 영역용 트렌치(24)를 형성함과 동시에 식각 정지막(14) 및 제 1 층간 절연막(12)을 건식 식각하여 비아홀(20)을 형성한다. 이러한 식각된 식각 정지막과 제 1 층간 절연막은 각각 14a와 12a로 표시한다.
이때, 이러한 듀얼 다마신의 비아홀(20) 하부면에는 구리 자연산화막(26)이 성장되고, 상기 비아홀(20)과 메탈 라인 내부에는 폴리머(28)가 형성될 수 있다.
한편, 도 1f에서는, 제 2 포토레지스트 패턴(22)을 제거한다. 이후 도면에 미도시되어 있지만, 듀얼 다마신의 구리 제조 공정을 실시하여 비아홀(20)과 트렌치(24)에 구리를 매립하고 이를 평탄화하여 구리 배선을 형성한다.
이때, 제 2 포토레지스트 패턴(22)을 제거한 후 잔류하는 제 2 포토레지스트를 제거하기 위하여 주로 습식 식각 공정이 적용되는데, 이러한 습식 식각 공정은 게이트 콘택의 경우 SPM 용액(H2SO4와 H2O2의 혼합액)을 사용하게 되고 특히 듀얼 다마신 이후 수행되는 잔류 포토레지스트를 제거하는 공정은 구리 금속의 부식을 방지하면서 절연막에 형성된 폴리머(28)를 제거하기 위해서 N396 용액(하이드록시 아민(Hydroxy amine) 혼합액) 또는 SMC 용액(NH4OH+CH3COOH+D.I. 혼합액)을 사용하고 있다.
그러나 SPM을 사용하는 세정 공정의 경우, 140℃이상의 고온 공정이 요구되므로 작업자의 안전이 문제될 수 있고, 또한 설비의 부식 및 환경 오염, 산업 폐수의 문제를 초래할 수 있다. 또한, N396 또는 SMC 용액을 사용하는 세정 공정의 경우 금속 부식을 방지하면서 폴리머를 제거하는 조건이 요구되고 있으나, 폴리머 제거 능력과 금속 배선 부식 방지의 목적이 서로 상반된 결과를 초래하는 등 현재 적절한 조건 설정이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 듀얼 다마신 형성에 사용되는 포토레지스트와 폴리머 제거를 위한 용액과 자연 산화막을 제거하기 위한 구리 배선에 대한 내부식성을 갖는 용액의 혼합액을 듀얼 다마신 세정에 적용함으로써, 콘택홀 내부의 전기적 저항을 감소시키고 소자 특성을 향상시키도록 한 반도체 소자 세정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 층간 절연막 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 층간 절연막을 식각하여 듀얼 다마신 구조를 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 애슁하여 제거하는 단계와, 상기 층간 절연막 상부의 포토레지스트 잔류물과 상기 식각 중 발생된 상기 듀얼 다마신 구조의 내벽의 폴리머를 제거하기 위한 용액과 상기 듀얼 다마신 구조 바닥의 자연 산화막을 제거하는 용액의 혼합 용액으로 상기 듀얼 다마신 구조를 세정하는 단계를 포함하는 반도체 소자 세정 방 법을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 도 1e는 게이트 또는 금속 배선 위에 건식 식각에 의한 듀얼 다마신의 형성을 보여주고 있다. 본 발명의 실시예에서는, 종래의 습식 식각 공정을 이용하는 대신에, 듀얼 다마신 구조를 형성하기 위해 건식 식각의 마스크로 사용된 포토레지스트 패턴(22)을 건식 애슁 공정으로 제거한다.
도 1f는 듀얼 다마신 형성을 위해 건식 식각의 마스크로 사용된 포토레지스트 패턴(22)을 건식 애슁 공정으로 제거한 모습을 보여주는 단면도이다.
통상, 포토레지스트 패턴(22)을 마스크로 하여 하부 구조물(10)의 게이트 또는 금속 배선의 일부가 노출되도록 건식 식각되어 듀얼 다마신이 형성된 후 상기 포토레지스트 패턴(22)을 애슁 공정으로 제거하게 되면, 게이트 또는 금속 배선 위에 자연 산화막(26)이 형성되고, 비아홀 절연막 내벽과 상층에 폴리머(28)가 부착될 수 있다. 그리고, 절연막 상에는 포토레지스트 잔류물(22a)이 잔존하게 된다.
폴리머(28)는 표면 토폴로지(topology)를 거칠게 만들고 단락 및 고저항을 유발하며 이후 공정인 후속 듀얼 다마신을 형성하기 위한 사진 공정에서 디포커스 현상을 유발하여 패턴 불량의 원인을 제공한다. 또한 듀얼 다마신의 비아홀(20) 내부에 형성되는 자연 산화막(26)은 고저항을 유발하여 소자의 작동 저하를 유발하는 원인이 되고 있다.
본 발명에서는 자연 산화막(26)과 비아홀 절연막 내벽과 상층에 형성된 폴리머(28), 그리고 절연막 상층에 잔존하는 포토레지스트 잔류물(22a)을 동시에 제거하기 위한 기술을 제공한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 형성된 듀얼 다마신 구조로서, 포토레지스트 잔류물(22a)과 폴리머(28)를 제거하기 위한 용액, 그리고 자연 산화막(26)을 제거하기 위한 금속 내 부식성을 갖는 용액의 혼합 용액을 사용하여 세정 공정을 진행한 후의 결과를 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 포토레지스트 잔류물(22a), 자연 산화막(26), 폴리머(28)가 모두 제거되어 있음을 알 수 있다.
본 발명에서는, 포토레지스트 잔류물(22a)과 폴리머(28)를 제거하기 위한 용액으로 하이드록시 아민을 포함하는 유기성 용액을 사용하였으며, 자연 산화막(26)을 제거하기 위한 용액으로 HF 또는 NH3F 및 HF가 혼합된 산화막 식각 용액 중 적어도 어느 하나를 사용하였다. 이러한 하이드록시 아민을 포함하는 유기성 용액이 세정 용액의 베이스로 사용되고 산화막 식각 용액이 첨가제로 사용되었다.
이때, 혼합 용액을 사용하여 비아홀을 세정하는 공정은 25℃ 내지 35℃ 사이에서 진행된다.
또한, 자연 산화막(26)을 제거하기 위한 용액인 HF 또는 HF 및 NH3F 용액은 0.1wt% 내지 50wt%의 범위 내에서 사용되고 이는 전체 세정 용액의 0.01vol% 내지 5vol%의 범위를 갖는다.
이와 같이 통상적으로 플로린기를 포함하는 세정 용액을 사용하게 될 경우 폴리머와 자연 산화막은 용이하게 제거되나 금속의 부식을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 내부식성을 갖는 용액을 첨가제로 사용한 것을 특징으로 한다. 이러한 내부식성을 갖는 용액으로는, 예컨대 인산, 초산, 메탄올 등이 적용될 수 있으며, 이는 전체 세정 용액의 5vol% 이상, 10vol% 이하의 범위내에서 사용하게 된다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 비아홀 세정 방법과 함께 본 세정 공정을 적용하기 전, 건식 산소 플라즈마에 의한 포토레지스트 패턴을 제거하기 위한 애슁 공정을 더 포함할 수 있다.
만일, 애슁 공정 없이 건식 식각된 포토레지스트를 제거하게 되면 포토레지스트의 표면이 경화되어 패턴 제거가 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 애슁 공정 추가로 비아홀 세정 효과를 극대화할 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 포토레지스트 잔류물과 절연막 내벽에 존재하는 폴리머를 제거하기 위한 용액과 자연 산화막을 제거하기 위한 용액을 각각 따로 사용하여 공정 단계의 증가와 케미칼 사용량의 증가를 가져왔던 기존의 공정을 개선할 뿐만 아니라, 자연 산화막의 존재로 인한 전기 저항의 증가를 현저히 감소시켜 반도체 성능 향상을 기대할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 기술하였으나 본 발명은 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자로부터 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (9)
- 층간 절연막 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 층간 절연막을 식각하여 듀얼 다마신 구조를 형성하는 단계와,상기 포토레지스트 패턴을 애슁하여 제거하는 단계와,상기 층간 절연막 상부의 포토레지스트 잔류물과 상기 식각 중 발생된 상기 듀얼 다마신 구조의 내벽의 폴리머를 제거하기 위한 용액과 상기 듀얼 다마신 구조 바닥의 자연 산화막을 제거하는 용액의 혼합 용액으로 상기 듀얼 다마신 구조를 세정하는 단계를 포함하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 포토레지스트 잔류물과 상기 폴리머를 제거하기 위한 용액은 하이드록시 아민이 포함된 유기용액인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 자연 산화막을 제거하기 위한 용액은 HF 또는 HF 및 NH3F 혼합 용액중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세정 단계에서, 상기 혼합 용액에 금속 내부식성을 갖는 용액을 첨가제로 혼합하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 첨가제는 인산, 초산, 메탄올 중 적어도 하나의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 첨가제는 상기 혼합 용액 중 5vol% 내지 10vol%이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 애슁은 산소 플라즈마에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세정 단계는 25℃ 내지 35℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 자연 산화막을 제거하기 위한 용액은 상기 혼합 용액 중 0.01vol% 내지 5vol%이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 세정 방법.
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