KR100891401B1 - 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 화학적 기계적 연마 방법에 관한 것으로, 가장 자리 영역을 포함한 반도체 기판 상에 금속층을 형성하는 단계와, 상기 금속층 상에 보호층을 형성하는 단계와, 상기 가장 자리 영역 상에 형성된 상기 보호층을 식각하여 상기 금속층을 노출시키는 단계와, 노출된 상기 금속층을 식각하여 제거하는 단계, 및 화학적기계적 연마 공정을 실시하여 상기 금속층을 평탄화하여 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법을 개시한다.
CMP, 분사 노즐, 금속 배선
Description
도 1은 종래 기술에 따른 CMP 진행시 발생하는 문제점을 나타내기 위한 소자의 사진이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10 : 반도체 기판 11 : 다마신 패턴
12 : 확산 방지막 13 : 금속층
14 : 보호막 15 : 분사 노즐
16 : 층간 절연막
본 발명은 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법에 관한 것으로, 특히 웨이 퍼의 에지 영역에 잔존하는 잔류물을 제거하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법에 관한 것이다.
화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하, CMP) 방법은 슬러리(slurry)에 의한 화학 반응과 연마패드(polishing pad)에 의한 기계적 가공이 동시에 이루어지는 평탄화 공정이다. 이러한 CMP 방법은 표면 평탄화를 위해 기존에 이용되어져 왔던 리플로우(reflow) 또는 에치-백(etch-back) 공정 등과 비교해서 글로벌 평탄화를 얻을 수 있고, 또한 저온에서 수행될 수 있다는 이점이 있다.
특히, 상기 CMP 방법은 평탄화 공정으로 제안된 것이지만, 최근에 들어서는 자기정렬콘택(self aligned contact) 공정에서의 소자분리막(Isolation) 형성을 위한 절연막의 식각 공정과, 비트라인 콘택 플러그 및 스토리지 노드 콘택 플러그 형성을 위한 폴리실리콘막의 식각 공정에도 이용되는 바, 그 적용 분야가 점차 확대되고 있는 추세이다.
여기서, CMP 방법에서 이용되는 장치(이하, CMP 장치)를 살펴보면, 크게, 표면에 연마패드를 구비한 플래튼(platen)과, 웨이퍼 연마가 이루어질 때 연마패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 장치와, 연마패드를 포함한 플래튼 상에 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마헤드, 및 연마패드 면을 재생하기 위한 연마패드 컨디셔너로 구성된다. 그러나, 종래의 CMP 방법은, 연마 패드(pad)의 마모 특성 및 플래튼(platen)과 패드간의 조합에 따른 웨이퍼 내의 연마속도 차이로 인해 웨이퍼 내의 연마 불균일을 초래할 수 있다. 이러한 연마 불균일은 웨이퍼의 중앙부(center)와 가장자리부(edge)에서 심하게 나타난다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMP 진행시 발생하는 문제점을 나타내기 위한 소자의 사진이다.
다마신 공정을 이용한 반도체 소자의 금속 배선 형성시 반도체 기판 상에 텅스텐막을 형성한 후, CMP 공정을 이용하여 금속 배선을 형성한다. 이때 연마 패드와 웨이퍼의 접촉이 끝나는 웨이퍼의 가장 자리 10mm 부근에서 웨이퍼에 가해지는 패드 압력이 일정치 않아 텅스텐막이 웨이퍼 가장 자리에 뷸균일하게 남는다. 이러한 상태로 후속 열공정이나 상호 박막(film) 스트레스가 큰 산화막 또는 질화막 증착 식각 공정시 불균일하게 남아 있는 텅스텐이 원이이 되어 리프팅 현상(lifting)이나 파티클 잔류, 아크링 현상(arcing) 등의 공정 이상이 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 기판 상에 금속층 및 보호층을 순차적으로 적층한 후, 반도체 기판을 회전 시키면서 식각액을 분사하는 노즐을 이용하여 반도체 기판 가장 자리 영역의 보호층을 제거한 후, 에치백 공정을 실시하여 가장 자리 영역 상에 형성된 금속층을 제거함으로써, 후속 평탄화 공정시 가장 자리 영역의 불균일 연마로 인한 공정 이상을 예방할 수 있는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법은 가장 자리 영역을 포함하는 반도체 기판 상에 금속층을 형성하는 단계와, 상기 금속층 상에 보호층을 형성하는 단계와, 상기 가장 자리 영역 상에 형성된 상기 보호층을 식각하여 상기 금속층을 노출시키는 단계와, 노출된 상기 금속층을 식각하여 제거하는 단계, 및 화학적기계적 연마 공정을 실시하여 상기 금속층을 평탄화하여 금속 배선을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 금속층을 형성하는 단계는 절연막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 하드 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 상기 하드 마스크 패턴을 이용한 식각 공정을 실시하여 다마신 패턴을 형성하는 단계와, 기 하드 마스크 패턴을 제거하는 단계, 및 상기 다마신 패턴을 포함한 전체 구조 상에 상기 금속층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 금속층을 형성하기 전에 상기 다마신 패턴을 포함한 전체 구조 상에 확산 방지막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 금속층은 텅스텐, TiSix, TiN, Cu, 또는 Al으로 형성한다. 상기 확산 방지막은 Ti/TiN막 또는 WN막으로 형성한다.
상기 가장 자리 영역은 상기 반도체 기판의 끝단에서부터 1 내지 10mm이다.
상기 보호막은 상기 금속층과의 식각 선택비가 5:1 내지 10:1이며, 상기 보호막은 SOG(Spin On Glass)막으로 형성한다. 상기 SOG막은 유기(Organic) 또는 무기(Inorganic) 타입을 사용하고 Silicate, Siloxane, Silsesquioxane, Perhydrosilazane 구조를 사용하여 형성한다.
상기 보호막을 형성한 후, 베이크 공정 및 큐어링 공정을 실시하는 단계를 더 포함한다. 상기 베이크 공정은 100 ~ 250℃의 온도 범위와 N2 분위기에서 진행 하며, 상기 큐어링 공정은 350 ~ 450℃의 온도 범위와 N2 분위기에서 진행한다.
상기 보호층을 식각하는 단계는 상기 가장 자리 영역 상에 분사 노즐을 이용하여 식각액을 분사하고, 상기 반도체 기판을 회전시켜 식각 공정을 실시한다.
상기 분사 노즐은 상기 가장 자리 영역에 SOG 솔벤트를 분사한다.
상기 금속층을 제거하는 단계는 SF6 를 이용한 식각 공정을 실시한다.
상기 화학적기계적 연마 공정은 pH 2 내지 8에서, 파티클 사이즈(Particle Size) 50-150nm의 건식(Fumed) SiO2나 구형(Spherical)의 Al2O3를 이용하여 실시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허청구범위에 의해서 이해되어야 한다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다. 본 발명의 실시예는 다마신 공정을 이용한 금속 배선 형성 방법을 예로 들어 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 절연막이 형성된 반도체 기판(10)을 식각하여 금속 배선을 형성하기 위한 다마신 패턴(11)을 형성한다. 다마신 패턴(11)은 반도체 기판(10) 상에 하드 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후 이를 마스크로 이용한 식각 공정을 실시하여 형성할 수 있다. 하드 마스크 패턴은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 이 후, 하드 마스크 패턴을 제거한다.
이때 반도체 기판(10)의 끝단에서 부터 1 내지 10mm 영역을 가장 자리 영역(X)으로 설정한다. 가장 자리 영역(X)은 웨이퍼 상 다이(Die)의 배치나 공정 장비의 구조등을 고려하여 설정한다.
도 3을 참조하면, 다마신 패턴을 포함한 전체 구조 상에 확산 방지막(12) 및 금속층(13)을 순차적으로 적층하여 형성한다. 확산 방지막(12)은 Ti/TiN막 또는 WN막으로 형성하는 것이 바람직하다. 확산 방지막(12)은 CVD 또는 PVD 방식으로 형성할 수 있다. 금속층(13)은 텅스텐으로 형성하는 것이 바람직하다. 금속층(13)은 텅스텐 대신 TiSix, TiN, Cu, Al으로 형성할 수 있다. 금속층(13)은 1000Å 내지 5000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 금속층(13)은 다마신 패턴이 완전히 채워지도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 금속층(13)을 포함한 전체 구조 상에 보호막(14)을 형성한다. 보호막(14)은 금속층(13)과의 식각 선택비가 5:1 내지 10:1인 것이 바람직하다. 보호막(14)은 1000Å 내지 5000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 보호막(14)은 SOG(Spin On Glass)막으로 형성하는 것이 바람직하다. SOG막은 유기(Organic) 또는 무기(Inorganic) 타입을 사용하고 Silicate, Siloxane, Silsesquioxane, Perhydrosilazane 구조를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이 후, 보호막(14)의 막질 개선 즉, 보호막(14) 내의 수분 및 솔벤트 성분 제거 및 밀도개선을 위해 베이크 공정 및 큐어링 공정을 추가적으로 실시할 수 있다. 베이크 공정은 100 ~ 250℃의 온도 범위와 N2 분위기에서 진행하는 것이 바람직하다. 큐어링 공정은 350 ~ 450℃의 온도 범위와 N2 분위기에서 진행하는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 가장 자리 영역(X) 상에 형성된 보호막(14)을 식각하여 제거한다. 이때 식각 공정은 반도체 기판(10)을 회전시키는 동시에 식각 액을 분사하는 분사 노즐(15)이 반도체 기판(10)의 가장 자리 영역(X) 상에 위치하도록 하여 실시한다. 이때 분사 노즐(15)은 SOG 솔벤트를 분사하여 가장 자리 영역(X) 상에 형성된 보호막(14)을 제거한다.
도 6을 참조하면, 반도체 기판(10)의 가장 자리 영역 상에 노출된 금속층(13) 및 확산 방지막(12)을 식각하여 제거한다. 식각 공정은 SF6 를 이용하여 실시하는 것이 바람직하다.
도 7을 참조하면, 반도체 기판(10)이 노출되도록 화학적기계적 연마 공정(CMP) 공정을 실시하여 금속 배선(13)을 형성한다. 화학적기계적 연마 공정(CMP)은 pH 2 내지 8에서, 파티클 사이즈(Particle Size) 50-150nm의 건식(Fumed) SiO2나 구형(Spherical)의 Al2O3를 이용하여 실시하는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 금속 배선(13)을 포함한 전체 구조 상에 층간 절연막(16) 을 형성한다. 층간 절연막(16)은 BPSG, PSG, FSG, PE-TEOS, PE-SiH4, HDP USG, HDP PSG, APL 산화막 등의 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다. 층간 절연막(16)은 2000~6000Å 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 반도체 기판 상에 금속층 및 보호층을 순차적으로 적층한 후, 반도체 기판을 회전 시키면서 식각액을 분사하는 노즐을 이용하여 반도체 기판 가장 자리 영역의 보호층을 제거한 후, 에치백 공정을 실시하여 가장 자리 영역 상에 형성된 금속층을 제거함으로써, 후속 평탄화 공정시 가장 자리 영역의 불균일 연마로 인한 리프팅 현상(lifting)이나 파티클 잔류, 아크링 현상(arcing) 등의 공정 이상을 예방할 수 있다.
Claims (16)
- 가장 자리 영역을 포함한 전체 구조 상에 반도체 기판 상에 금속층을 형성하는 단계;상기 금속층 상에 보호층을 형성하는 단계;상기 가장 자리 영역 상에 분사 노즐을 이용하여 식각액을 분사하고, 상기 반도체 기판을 회전시켜 상기 가장 자리 영역 상에 형성된 상기 보호층을 식각하여 상기 금속층을 노출시키는 단계;노출된 상기 금속층을 식각하여 제거하는 단계; 및화학적기계적 연마 공정을 실시하여 상기 금속층을 평탄화하여 금속 배선을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 단계는절연막이 형성된 상기 반도체 기판 상에 하드 마스크 패턴을 형성하는 단계;상기 하드 마스크 패턴을 이용한 식각 공정을 실시하여 다마신 패턴을 형성하는 단계;상기 하드 마스크 패턴을 제거하는 단계; 및상기 다마신 패턴을 포함한 전체 구조 상에 상기 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 금속층을 형성하기 전에 상기 다마신 패턴을 포함한 전체 구조 상에 확산 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속층은 텅스텐, TiSix, TiN, Cu, 또는 Al으로 형성하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 확산 방지막은 Ti/TiN막 또는 WN막으로 형성하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 가장 자리 영역은 상기 반도체 기판의 끝단에서 부터 1 내지 10mm인 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호층은 상기 금속층과의 식각 선택비가 5:1 내지 10:1인 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호층은 SOG(Spin On Glass)막으로 형성하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 SOG막은 유기(Organic) 또는 무기(Inorganic) 타입을 사용하고 Silicate, Siloxane, Silsesquioxane, Perhydrosilazane 구조를 사용하여 형성하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호층을 형성한 후, 베이크 공정 및 큐어링 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 베이크 공정은 100 ~ 250℃의 온도 범위와 N2 분위기에서 진행하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 큐어링 공정은 350 ~ 450℃의 온도 범위와 N2 분위기에서 진행하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 분사 노즐은 상기 가장 자리 영역에 SOG 솔벤트를 분사하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속층을 제거하는 단계는 SF6 를 이용한 식각 공정을 실시하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 화학적기계적 연마 공정은 pH 2 내지 8에서, 파티클 사이즈(Particle Size) 50-150nm의 건식(Fumed) SiO2나 구형(Spherical)의 Al2O3를 이용하여 실시하는 반도체 소자의 화학적기계적 연마 방법.
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