KR100854455B1 - 반도체 소자의 워터마크 제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체 소자의 워터마크 제거방법은, 기판상에 형성된 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막을 포함하는 패턴에 흡착된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 급속열처리 공정을 포함하는 세정을 수행하여 제거한다.

SRON막, 대기 분자성 오염물질, 워터마크, 열처리

Description

반도체 소자의 워터마크 제거방법{Method for removing watermark in semiconductor device}

도 1 및 도 2는 웨이퍼 상에 오염물질이 흡착된 모습을 나타내보인 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자의 워터마크 제거방법을 설명하기 위해 나타내보인 흐름도이다.

도 4는 SRON 막에 발생한 워터마크를 나타내보인 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 세정에 따른 웨이퍼의 변화를 나타내보인 도면들이다.

도 6a 및 도 6b는 세정에 따른 워터마크의 변화를 나타내보인 도면이다.

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자의 워터마크 제거방법에 관한 것이다.

최근 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 디자인 룰(design rule)이 감소하면서 반도체 메모리 소자, 예를 들어 디램(DRAM; Dynamic Random Access Memory) 소 자가 점점 미세화 및 고밀도화 되고 있다. 이에 따라 웨이퍼 상에 미세 패턴을 형성할 경우, 종래의 감광막을 마스크 패턴으로 한 식각공정으로는 미세 패턴을 구현하는데 어려움이 있다. 따라서 미세 패턴 형성시 하드마스크막, 예를 들어 실리콘(Si)을 포함하는 물질막을 식각 배리어막으로 이용하여 패터닝을 실시하고 있다.

여기서 하드마스크막으로 이용하는 실리콘(Si)을 포함하는 물질막은 주로 실리콘 옥시 나이트라이드(이하 SION라 칭함)막 및 실리콘이 다량 함유된 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(이하 SRON이라 칭함)막을 이용하고 있다. 이 가운데 SRON 막은 SION 막에 비해 실리콘 성분, 예를 들어 비정질 실리콘(a-Si) 성분이 대략 4vol% 정도 높은 함량을 차지하고 있다. 또한 SRON막은 SION막에 비해 장력 스트레스(tensile stress)를 가지고 있다. 이러한 성질을 이용해서 SRON막은 산화막을 식각하는 공정시 하드마스크막으로 주로 이용하고 있다. SRON막을 하드마스크막으로 이용할 경우, 하부막(underlayer)인 산화막에 가해지는 어택(attack)을 방지할 수 있어 이러한 어택에 의해 반도체 기판에 손상이 가해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, SRON막은 자기정렬컨택(SAC; Self Align Contact)의 선택성을 높일 수 있다.

도 1 및 도 2는 웨이퍼 상에 오염물질이 흡착된 모습을 나타내보인 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 소자의 제조공정을 진행하는 가운데 웨이퍼는 공기 중에 많은 종류의 오염물질, 예를 드러 대기 분자성 오염물질(AMC; Airborne Molecular Contaminants)에 노출되어 있고, SRON 막은 이러한 대기 분자성 오염물질(AMC)에 취약한 성질을 가지고 있다.

이에 따라 SRON 막을 공기 중에 오랜 시간동안 노출시키게 되면 대기 분자성 오염물질(AMC)에 오염될 수 있고, 이러한 오염 물질이 SRON막 상에 흡착되면서 층이 두꺼워질 수 있다. 이러한 상태로 후속 식각공정이나 마스크 공정을 진행하면, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, SRON막이 식각이 되지 않거나(unetch) 웨이퍼 상에 워터마크가 발생할 수 있다. 또한 마스크 공정에서는 마스크 코팅 불량이 생겨 디포커스(defocus)를 일으키면서 패턴 형성에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 웨이퍼 상에 발생한 워터마크를 제거할 수 있고, 이러한 워터마크에 의해 SRON막이 식각이 되지 않는 현상을 개선할 수 있는 반도체 소자의 워터마크 제거방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자의 워터마크 제거방법은, 기판 상에 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막을 포함하는 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막 상에 흡착된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 제거하는 제1 세정을 수행하는 단계; 및 상기 제1 세정에 의해 발생하는 파티클을 제거하는 제2 세정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 세정은 황산 및 과산화수소의 혼합액을 포함하는 세정용액을 이용할 수 있다.

상기 제2 세정을 수행하는 단계는, 웨이퍼에 물리적 힘을 이용하여 파티클 을 제거하도록 상기 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막을 스크러빙하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제2 세정 이후에 상기 웨이퍼에 잔류된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 탈착시키기 위해 급속열처리(RTA)를 진행하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 급속열처리는 300-1000℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

상기 제2 세정 이후에 상기 웨이퍼에 잔류된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 탈착시키기 위해 산소(O₂) 플라즈마를 이용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 세정 이후에 상기 웨이퍼에 비.오.이(BOE) 용액 또는 암모니아 및 과산화수소의 혼합액을 포함하는 세정용액을 이용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자의 워터마크 제거방법은, 웨이퍼 상에 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막을 포함하는 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막 상에 흡착된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 제거하는 세정을 수행하는 단계; 및 상기 웨이퍼에 발생한 워터마크를 제거하기 위해 급속열처리(RTA)를 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 세정은 황산 및 과산화수소의 혼합액을 포함하는 세정용액을 이용하는 것이 바람직하다.

상기 세정은 상기 웨이퍼에 비.오.이(BOE) 용액 또는 암모니아 및 과산화수소의 혼합액을 포함하는 세정용액을 이용할 수 있다.

상기 급속열처리는 300-1000℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자의 워터마크 제거방법을 설명하기 위해 나타내보인 흐름도이다. 도 4는 SRON 막에 발생한 워터마크를 나타내보인 도면이다. 도 5는 세정에 따른 웨이퍼의 변화를 나타내보인 도면이다.

도 3을 참조하면, 웨이퍼 상에 실리콘이 다량 함유된 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(이하 SRON이라 칭함)막을 포함하는 패턴을 형성한다(단계 200). SRON 막은 실리콘 옥시 나이트라이드(SION)막에 비해 실리콘 성분, 예를 들어 비정질 실리콘(a-Si) 성분이 대략 4vol% 정도 높은 함량으로 포함되어 있다.

그런데 반도체 소자의 제조공정 중에 SRON 막을 공기 중에 오랜 시간동안 노출시키게 되면, SRON 막은 공기 중에 존재하는 대기 분자성 오염물질(AMC; Airborne Molecular Contaminants)에 쉽게 오염될 수 있다. 대기 분자성 오염물질(AMC)의 주요 성분은 유기물(organic)성 물질이며, 이러한 대기 분자성 오염물질(AMC)이 SRON 막 상에 흡착되어 막의 두께가 두꺼워질 수 있다. 이와 같이 SRON 막이 두꺼워지면, 후속 패턴을 형성하기 위한 식각공정이나 마스크 공정에서 SRON 막이 식각되지 않거나(unetch), 마스크 코팅 불량이 생겨 디포커스(defocus)를 일으키면서 패턴 형성에 문제가 발생할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 실시예에서는, SRON 막에 흡착되어 SRON 막이 식각되지 않는 현상을 유발하는 대기 분자성 오염물질(AMC)을 제거하는 제1 세정을 수행한다(단계 210).

대기 분자성 오염물질(AMC)의 주요 성분인 유기성(organic) 물질은 황산(H₂SO₄), 과산화수소(H₂O₂) 및 물(H₂O)을 혼합한 SPM 용액을 이용하는 제1 세정을 진행하면 대부분 제거가 된다. 그런데 SRON막을 포함하는 하드마스크막에 제1 세정 진행시 파티클이 증가하는 경우가 있다.

구체적으로, 제1 세정은 SPM 용액을 이용하여 웨이퍼의 표면과 파티클이 동일한 극성을 띄게 하여 상호 반발을 유발함으로써 웨이퍼 상에 발생한 파티클을 제거하도록 구현된다.

한편, SRON 막은 나이트라이드(nitride)를 포함하고 있으며, 일반적으로 나이트라이드는 파티클에 취약하다고 알려져 있다. 나이트라이드의 제타 포텐셜(zeta potential)은 실리콘(Si) 또는 실리콘옥사이드(SiO₂)와 같은 물질과 비교하여 양전하(+)를 가지는 구간이 넓다. 이에 따라 세정 용액을 이용하여 웨이퍼의 표면과 파티클이 동일한 극성을 띄게 함으로써 이로 인한 상호 반발로 웨이퍼로부터 떨어져 나온 파티클이 상기 웨이퍼 상에 재부착될 수 있다.

이에 따라 제1 세정을 진행한 다음 상기 제1 세정에 의해 발생하는 파티클을 제거하는 제2 세정을 수행한다(단계 220 내지 단계 250).

구체적으로, 제2 세정은 제1 세정을 진행한 다음(단계 210), 제1 세정에 의해 발생하는 파티클을(단계 220), 웨이퍼 상에 물리적인 힘을 가하여 웨이퍼에 잔류된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 제거하도록 스크러빙(scrubbing)하여 파티클을 제거한다(단계 230, 단계 240).

한편, 제1 세정 이후 다음 단계로의 시간이 지연되면(time delay), 웨이퍼 상에 스크러빙 공정을 진행하여도 파티클이 감소하지 않고, 오히려 증가하여 도 4에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 상에 워터마크(watermark)가 발생하는 결함(defect)이 발생할 수 있다. 이러한 워터마크는 일반적으로 주요 성분이 실리콘산화물(SiOx)로서, BOE(Buffered Oxide Etchant)용액 또는 암모니아 및 과산화수소의 혼합액을 포함하는 SC-1 용액을 이용하면 제거가 되지만, 대기 분자성 오염물질(AMC)에 기인한 워터마크는 이러한 세정을 실시하여도 쉽게 제거되지 않는다.

이에 따라 SRON 막에 흡착 또는 재흡착된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 제거하기 위해서는 제1 세정을 진행한 다음에 후속 공정까지의 시간이 지연되지 않고 스크러빙을 진행하는 것이 바람직하다.

그러나 제1 세정 후, 시간 지연이 발생하여 웨이퍼 상에 대기 분자성 오염물질(AMC)에 기인한 워터마크가 발생하였을 경우에는, 고온의 열처리, 예를 들어 급속열처리(RTA; Rapid Thermal Annealing)를 통해서 대기 분자성 오염물질(AMC)을 제거한다(단계 250).

구체적으로, 대부분의 유기물 성분은 300℃ 이상의 온도에서 웨이퍼 표면에 서 탈착된다. 이에 따라 300 내지 1000℃의 온도에서 급속열처리(RTA) 공정을 진행하면, SRON 막 표면에 흡착되어 있는 대기 분자성 오염물질(AMC) 성분들이 탈착되어 제거되고, 이에 따라 도 5에 도시한 바와 같이, 대기 분자성 오염물질(AMC)에 기인한 워터마크가 제거되는 것을 알 수 있다. 여기서 웨이퍼 상에 발생한 워터마크는 산소(O₂) 플라즈마를 이용하여 제거할 수도 있다.

이와 같이, 화학적 세정과 물리적 힘을 이용하는 스크러빙 공정 그리고 열처리를 진행하여 웨이퍼 상에 발생하는 대기 분자성 오염물질(AMC)에 기인한 워터마크를 제거한 다음에 후속 공정, 예를 들어 마스크 공정 또는 식각공정을 진행한다(단계 260).

본 발명에 따른 반도체 소자의 워터마크 제거방법은, SRON 막 상에 흡착되는 오염물질(AMC)을 화학물질을 이용한 세정, 물리적 힘 또는 열처리를 이용하여 제거함으로써, 상기 대기 분자성 오염물질(AMC)에 의한 워터마크로 인하여 SRON 막이 식각되지 않는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 스크러빙 후에 급속열처리(RTA) 또는 산소(O₂)플라즈마를 이용하여 화학물질을 이용한 세정 후 시간이 지연되어 파티클의 발생 및 증가하는 것을 억제할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 워터마크 제거방법에 의하면, SRON 막 상에 흡착되는 오염물질(AMC)을 화학물질을 이용한 세정 및 물리적 힘을 이용한 스크러빙 공정을 이용하여 제거함으로써, 상기 오염물질에 의 한 워터마크로 인하여 SRON 막이 식각되지 않는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 스크러빙 공정 후에 급속열처리를 추가하여 화학물질을 이용한 세정 후 시간이 지연되어 파티클이 증가하는 것을 제거할 수 있다.

Claims (12)

1. 기판 상에 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막을 포함하는 패턴을 형성하는 단계;

   상기 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막 상에 흡착된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 황산 및 과산화수소의 혼합액을 포함하는 세정용액을 이용하여 제거하는 제1 세정을 수행하는 단계; 및

   상기 제1 세정이 수행된 실리콘 리치 옥시 나이트라이드(SRON)막을 스크러빙하여, 상기 제1 세정을 수정하면서 상기 실리콘 리치 옥시 나이트라이드의 양전하(+)를 갖는 구간이 넓은 나이트라이드의 제타 포텐셜에 의해 유발된 파티클에 기인하는 워터마크를 제거하는 제2 세정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워터마크 제거방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 세정 이후에 상기 웨이퍼에 잔류된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 탈착시키기 위해 열처리를 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워터마크 제거방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 열처리는 급속열처리(RTA)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워터마크 제거방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 열처리는 300-1000℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워터마크 제거방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2 세정 이후에 상기 웨이퍼에 잔류된 대기 분자성 오염물질(AMC)을 탈착시키기 위해 산소(O₂) 플라즈마를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워터마크 제거방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제2 세정 이후에 상기 웨이퍼에 비.오.이(BOE) 용액 또는 암모니아 및 과산화수소의 혼합액을 포함하는 세정용액을 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워터마크 제거방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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