KR100869642B1 - 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법 - Google Patents

반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 금속의 식각공정 후 알루미늄 금속배선 표면에 잔류하는 클로린 성분에 의해 알루미늄 금속배선이 부식되는 것을 방지하기 위한 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법은 금속식각 공정이 진행된 웨이퍼를 이소프로필 알코올 용액으로 세정하는 IPA 세정단계; 아민류를 포함하는 솔벤트 케미컬을 사용하여 세정하는 솔벤트 세정단계; 이소프로필 알코올 용액으로 상기 솔벤트 케미컬을 씻어내는 제1 IPA 린스단계; 탈이온수를 사용하여 린스 하는 QDR 단계; 이소프로필 알코올 용액으로 린스 하는 제2 IPA 린스단계; 웨이퍼 표면에 존재하는 IPA를 기화시켜서 건조하는 IPA 건조단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법에 의하면 금속 부식 발생을 억제하여 금속 배선 공정을 안정화시키고 생산수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
알루미늄 금속배선, 금속 부식(metal corrosion), IPA 린스, 클로린

Description

반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법{Prevention method of corrosion on aluminum metallization of semiconductor devices}
본 발명은 반도체 소자의 금속배선 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 금속의 식각공정 후 알루미늄 금속배선 표면에 잔류하는 클로린 성분에 의해 알루미늄 금속배선이 부식되는 것을 방지하기 위한 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법에 관한 것이다.
일반적으로 알루미늄 금속배선을 형성하기 위하여 알루미늄 금속층을 형성하고, 그 상부에 감광막 패턴을 형성한 후, 클로린(chlorine) 성분을 포함하는 플라즈마를 이용하여 알루미늄 금속을 식각하여 금속배선의 패턴을 형성한다.
이러한 공정으로 이루어진 알루미늄 금속배선이 대기중에 노출되면 알루미늄 금속배선의 표면에 잔류하는 클로린 성분과 대기중에 포함된 수증기와 반응하여 알루미늄 금속배선이 부식(corrosion)된다. 일반적인 반응식은 다음과 같다.
Al + 3/2Cl2 → AlCl3 - - - 반응식1
AlCl3 + 3H2O → Al(OH)3 + 3HCl - - - 반응식2
Al + 3HCl → AlCl3 + 3/2H2 - - - 반응식3
위에서 반응식1은 금속식각 공정에서 알루미늄이 클로린 가스와 반응하는 식을 보여주고, 반응식2는 반응 생성물이 대기중의 수증기와 반응하여 HCl을 생성하는 것을 보여주고, 반응식3은 상기 HCl이 알루미늄과 반응하여 다시 AlCl3를 생성하는 것을 보여준다. 그러므로 공기중에서 수분이 공급되는 한 AlCl3의 촉매작용에 의하여 계속적인 산화반응이 진행되는 것이다.
따라서 최근 대부분의 금속식각장비에 O2 플라즈마 에쉬 챔버(ash chamber)를 부착하여 금속배선이 대기에 노출되기 전에 인시튜(in situ) 공정으로 감광막을 제거함과 동시에 알루미늄 산화막을 형성하여 금속배선의 부식을 방지하고 있다.
또한 플라즈마 에쉬 진행 후에도 금속배선의 측벽에 남아있는 폴리머(side wall polymer, 이하 'SWP'라 한다)의 제거를 위하여 솔벤트 세정(solvent cleaning)을 수행한다. 여기서 솔벤트 세정이라 함은 아민(amine) 성분을 주로 포함하는 유기용제를 사용한 세정 공정을 말한다.
예를 들어, 최근 반도체 공정의 솔벤트 세정에 상용화된 솔벤트 케미컬(solvent chemical) 성분 조성의 일례를 아래 표에 나타내었다.
표1. 솔벤트 케미컬의 조성의 일례
화학 성분 CAS Number %(by weight)
2-(methylamino)-ethanol 109-83-1 76~80
water 18~22
Benzotriazole 95-14-7 1.0~5.0
3,4,5-trihydroxy-Benzoic acid 149-91-7 1.0~5.0
위의 표에서 나타낸 바와 같이 수분 함유가 필수적인 솔벤트 세정의 특성상 금속배선의 부식은 BEOL(Back-End-Of-The-Line) 공정의 중요 디펙트(defect) 중의 하나이다. 도 1은 종래의 기술에 따른 반도체 금속 배선의 부식을 보여주는 전자현미경 사진이다.
첨부된 도 1와 같이 금속 부식(metal corrosion) 현상의 발생 원인은 금속식각 이후 알루미늄 금속 배선의 측벽에 잔존하는 레지듀(residue)에 흡착된 클로린(chlorine; 염소) 성분으로부터 유발된다. 이러한 금속 부식 현상은 금속 식각공정에서 플라즈마의 발생이 불규칙할 경우 레지듀에 클로린 성분이 다량 흡착되어 세정 과정에서 수분과 반응하여 발생한다.
또한 탈이온수(de-ionized water)를 이용한 린스(rinse) 세정이 장시간 진행될 경우 알루미늄 금속 배선은 전극전위(electrode potential)가 낮아 해프 셀 반응(half cell reaction)에 의하여 전자를 잃게 되기 때문이다.
최근 사용되는 알루미늄 금속배선은 순수한 알루미늄 금속을 사용하지 않고, EM(electromigration) 특성을 향상시키기 위해 소량의 구리 금속을 함유한 알루미늄 합금(aluminum alloy)을 사용하기 때문에 갈바니 부식(Galvanic corrosion)에 의하여 부식이 촉진되기도 한다.
갈바니 부식은 이종 금속 혹은 동종 금속이라도 국부적으로 다른 환경에 노출되었을 때, 두 지점간의 전위차가 발생하여 산화, 환원 반응을 통한 전자의 이동 에 의한 부식이다. 따라서 모든 종류의 부식은 갈바니 부식의 한 형태라고 할 수 있다. 음극면적(환원되는 곳)과 양극면적(산화되는 곳)의 비가 클수록 부식 속도는 증가하며 반응식은 다음과 같다.
2Al + 3Cu2 + → 2Al3 + + 3Cu - - - 반응식3
여기서 Al과 Cu 사이에 2.00V 의 전위차 존재하며, 구리(Cu)가 알루미늄(Al) 보다 노블(noble)하기 때문에 알루미늄에서 양극반응(산화)이 진행되고, 구리에서 음극반응(환원)이 진행된다.
일반적으로 알루미늄 금속을 식각하기 위하여 클로린(chorine) 성분이 포함된 가스의 사용은 필수적이다. 또한 금속 식각공정 후 SWP 내지 레지듀의 완전한 제거는 금속배선의 신뢰성에 미치는 영향이 크며, 특히 솔벤트 세정에서 탈이온수를 이용한 QDR(quick dump rinse)의 사용은 SWP 내지 레지듀 제거를 위한 필수 공정이다.
그러나 전술한 바와 같이 종래의 반도체 공정의 솔벤트 세정에 상용화된 솔벤트 케미컬은 18 ~ 22%의 수분을 함유하고 있으므로 이로 인해 솔벤트 세정에서 금속 부식이 발생하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 금속식각 공정후 솔벤트 세정공정 전에 클로린 성분을 제거하는 수단을 구비함으로써 금속 부식의 발생을 방지할 수 있는 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법은 금속식각 공정이 진행된 웨이퍼를 이소프로필 알코올 용액으로 세정하는 IPA 세정단계; 아민류를 포함하는 솔벤트 케미컬을 사용하여 세정하는 솔벤트 세정단계; 이소프로필 알코올 용액으로 상기 솔벤트 케미컬을 씻어 내는 제1 IPA 린스단계; 탈이온수를 사용하여 린스 하는 QDR 단계; 이소프로필 알코올 용액으로 린스 하는 제2 IPA 린스단계; 웨이퍼 표면에 존재하는 IPA를 기화시켜서 건조하는 IPA 건조단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 IPA 세정단계는 55 ~ 65℃의 이소프로필 알코올 용액에 9 ~ 11분 동안 침지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 QDR 단계는 10 ~ 20℃의 탈이온수에 이산화탄소를 용해시켜서 9 ~ 11분 동안 린스 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법에 의하면 금속식각 공정후 솔벤트 세정공정 전에 IPA 세정단계를 구비함으로써 금속 부식 발생을 억제하여 금속 배선 공정을 안정화시키고 생산수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법의 공정 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방 법은 IPA 세정단계, 솔벤트 세정단계, 제1 IPA 린스단계, QDR 단계, 제2 IPA 린스단계 및 IPA 건조단계를 포함하여 이루어져 있다.
상기 IPA 세정단계는 금속식각 공정이 진행된 웨이퍼를 이소프로필 알코올 용액으로 세정하는 단계이다. 즉 본 발명의 기술적 단계는 금속식각 공정 이후 레지듀 또는 SWP에 흡착된 클로린 성분을 IPA(isopropyl alcohol, 이하 'IPA'라 한다) 세정을 통하여 제거하는 것이다.
금속 부식은 금속 배선 측벽에 존재하는 클로린 성분을 함유한 레지듀가 수분과 반응하여 발생하는 것이므로, 솔벤트 세정단계 전에 IPA 세정단계에 의하여 클로린 성분을 제거함으로써 금속 부식의 발생을 방지할 수 있는 것이다.
더욱 바람직하게는 금속 식각공정 이후 카세트 내에 잔류하는 클로린 가스를 희석하여 제거하기 위해 질소 가스의 분위기에 노출시킴으로써 솔벤트 세정단계 전에 금속 부식 반응을 최대한 억제한다. 이후 레지듀에 흡착된 클로린 가스는 IPA세정을 통하여 수분이 함유된 솔벤트 세정 전에 완전히 제거된다.
또한 솔벤트 케미컬 내의 수분 함량은 14 ~ 18wt% 이내로 관리한다. 특히 계절적 요인으로 환절기에는 수분 함량을 14 ~ 16wt%로 세밀히 관리한다. 이는 IPA세정 이후 남아있는 클로린 가스와 수분과의 반응 속도를 최대한 억제하기 위해서이다.
상기 솔벤트 세정단계는 아민류를 포함하는 솔벤트 케미컬을 사용하여 세정하는 단계이고, 상기 제1 IPA 린스단계는 이소프로필 알코올 용액으로 상기 솔벤트 케미컬을 씻어내는 단계이다.
따라서 솔벤트 세정단계 전에 수행되는 IPA 세정단계에 의하여 클로린 성분을 제거된 후에 솔벤트 세정단계가 진행되기 때문에 솔벤트 케미컬에 포함된 수분은 더 이상 금속 부식의 발생을 유발시키지 아니하는 것이다.
상기 QDR 단계는 탈이온수를 사용하여 린스 하는 단계이고, 상기 제2 IPA 린스단계는 이소프로필 알코올 용액으로 린스 하는 단계이다. 일반적인 QDR과는 달리 다량의 수분이 웨이퍼에 단시간에 접촉하여 배수(drain)되도록 45LPM이상의 다량의 탈이온수를 공급하고 배수용 배관(drain line)을 전용으로 설치하여 적용한다. 이후 후속되는 IPA 건조단계에서 탈이온수를 효과적으로 제거하기 위하여 최종적으로 이소프로필 알코올 용액으로 린스 한다.
상기 IPA 건조단계는 130℃의 온도에서 10분 정도로 진행하여 웨이퍼 표면에 존재하는 IPA를 기화시켜서 건조하는 단계이다.
따라서 종래에는 QDR과정에서 흡착된 탈이온수가 IPA 드라이어(IPA dryer)로 투입되어 치환되기까지 수분의 시간이 소요되었으나, 본 단계에서는 상기 제2 IPA 린스단계에 의해 이미 치환된 IPA를 건조하게 되어 건조시간을 줄일 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법에서, 상기 IPA 세정단계는 55 ~ 65℃의 이소프로필 알코올 용액에 9 ~ 11분 동안 침지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법에서, 상기 QDR 단계는 10 ~ 20℃의 탈이온수에 이산화탄소를 용해시켜서 9 ~ 11분 동안 린스 하는 것이 바람직하다.
따라서 상기 QDR 단계에서 탈이온수가 클로린 가스와 반응하여 부식을 유발하는 것을 억제하기 위하여 이산화탄소(CO2)를 저온의 탈이온수에 용해하는 것이다. 아래 표2에서는 본 발명의 바람직한 일실시 예에 따른 공정 조건을 나타내었다.
구분 IPA 세정 솔벤트 세정 제1 IPA린스 QDR 제2 IPA린스 IPA 건조
진행온도 (℃) 60±5 75±5 60±5 15±5 60±5 130±10
진행시간 (sec) 600 1200 600 600 600 600
본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 반도체 금속 배선의 부식을 보여주는 전자현미경 사진,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법의 공정 흐름도.

Claims (3)

  1. 금속식각 공정이 진행된 웨이퍼를 55 ~ 65℃의 이소프로필 알코올 용액에 9 ~ 11분 동안 침지하는 IPA 세정단계; 아민류를 포함하는 솔벤트 케미컬을 사용하여 세정하는 솔벤트 세정단계; 이소프로필 알코올 용액으로 상기 솔벤트 케미컬을 씻어내는 제1 IPA 린스단계; 탈이온수를 사용하여 린스 하는 QDR 단계; 이소프로필 알코올 용액으로 린스 하는 제2 IPA 린스단계; 웨이퍼 표면에 존재하는 IPA를 기화시켜서 건조하는 IPA 건조단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 QDR 단계는 10 ~ 20℃의 탈이온수에 이산화탄소를 용해시켜서 9 ~ 11분 동안 린스 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 알루미늄 금속배선 부식 방지 방법.
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