KR20010004742A - 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법 - Google Patents

반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝(CMP post-cleaning) 방법에 관한 것으로, 반도체 소자의 제조 공정중 화학기계적 연마 공정을 실시한 후, 파티클(particle)과 유기(organic) 물질을 제거하기 위하여, 전기적 산화-환원 반응법으로 메탈 잔류물(metal residue)과 메탈을 제거하고, 전기영동법으로 메탈 파티클과 메탈 옥사이드 파티클을 제거하므로써, 반도체 소자의 생산성 증가와 클리닝 용액(cleaning solution)의 반영구적 사용에 따른 경제성 및 오염을 방지할 수 있는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법에 관하여 기술된다.

Description

반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법 {Method of a CMP post-cleaning in a semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝(CMP post-cleaning) 방법에 관한 것으로, 특히 파티클(particle)과 유기(organic) 물질을 완전히 제거하면서 반도체 소자의 생산성 증가와 클리닝 용액(cleaning solution)의 반영구적 사용에 따른 경제성 및 오염을 방지할 수 있는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자의 제조 공정중 클리닝(cleaning)이나 스크러빙 (scrubbing)을 위하여 H2O를 매개체(media)로 사용하여 고압 분사하거나 웨이퍼를 회전시켜서 원심력을 이용하여 파티클을 제거하였으나, 작은 사이즈(size)의 파티클을 제거하는 데에는 한계가 있다. 다른 방법으로는 알칼리성 용액을 이용하여 웨이퍼 표면을 식각하므로써 파티클을 제거하거나, 위의 두 방법을 병행하는 방법들이 일반적으로 사용된다. 그러나 현재의 디자인 룰(design rule)이 줄어듦에 따라 콘트롤(control) 및 제거되어야 할 파티클 사이즈는 점점 0.1㎛이하 정도가 요구되어 진다. 따라서, 현재의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 공정은 메모리 소자 공정의 중요 공정으로 대두되고 있다.
따라서, 본 발명은 파티클과 유기 물질을 완전히 제거하면서 반도체 소자의 생산성 증가와 클리닝 용액의 반영구적 사용에 따른 경제성 및 오염을 방지할 수 있는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법은 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성되고, 화학기계적 연마 공정이 실시된 웨이퍼가 제공되는 단계; 상기 웨이퍼를 클리닝 바스의 클리닝 용액속에 담그는 단계; 전기적 산화-환원 반응법으로 1차 포스트-클리닝 공정을 진행하는 단계; 및 전기영동법으로 2차 포스트-클리닝 공정을 진행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1a 내지 도 1c 는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 화학기계적 연마 포스트-클리닝을 실시하기 위한 클리닝 바스의 개략도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
11: 웨이퍼 12: 파티클
13: 유기 물질 21: 클리닝 바스
22: 클리닝 용액 23: 양극판
24: 음극판
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c 는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 화학기계적 연마 포스트-클리닝을 실시하기 위한 클리닝 바스(cleaning bath)의 개략도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성되고, 화학기계적 연마 공정이 실시된 웨이퍼(11)가 제공된다. 웨이퍼(11)에는 화학기계적 연마 공정에 의해 파티클(12)과 유기 물질(13)이 존재한다. 이러한 파티클(12)과 유기 물질(13)을 제거하기 위하여, 웨이퍼(11)를 도 2에 도시된 클리닝 바스(21)의 클리닝 용액(22)속에 담근 다음, 포스트-클리닝 공정을 2단계로 진행한다.
상기에서, 포스트-클리닝 공정은 NH3를 매개체로 사용한다. 클리닝 바스(21)에는 양극판(23)과 음극판(24)의 전극판(electroplate)이 설치되고, 전기적인 배선을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 메탈 잔류물(metal residue)과 메탈을 제거하기 위하여, 전기적 산화-환원 반응법으로 1차 포스트-클리닝 공정을 진행한다. 전기적 산화-환원 반응법에 의해 음극판(24)에서 메탈 이온 환원 반응으로 메탈이 석출되며, 클리닝 용액(22)내의 메탈 이온이 제거되어 용액(22)의 순도(purity)가 높아진다. 1차 포스트-클리닝 공정시, 인가된 전기장에 의하여 웨이퍼(11)의 메탈 이온이 클리닝 용액(22)에 용해되는 것이 촉진되며, 용액(22)속의 메탈 이온 농도 감소에 의하여 웨이퍼의 메탈의 용해도가 증가되며, 용해된 메탈 이온은 환원 반응에 의하여 제거된다.
도 1c를 참조하면, 메탈 파티클과 메탈 옥사이드 파티클을 제거하기 위하여, 전기영동법으로 2차 포스트-클리닝 공정을 진행한다. 전기영동법에 의해 메탈 옥사이드 파티클에 표면 전하(surface charge) 분극을 이용하여 용액이나 웨이퍼 위의 파티클이 제거되며, 전기 전도도를 증가하기 위하여 원자 사이즈가 커서 소자 특성에 영향을 주지 않는 칼륨(potasium)을 용액(22)에 첨가하거나, 순수(DI water)에 대한 용해도가 큰 요오드(I2)를 사용한다.
상기한 본 발명의 실시예에 따른 기술적인 원리는 전기적 산화-환원 반응법으로 메탈 잔류물과 메탈을 제거하고, 전기영동법으로 메탈 파티클과 메탈 옥사이드 파티클을 제거한다. 전기적 산화-환원 반응법과 전기영동법은 전압 및 전류를 조절하여 연속적으로 실시할 수 있다. 전기적 산화-환원 반응법은 클리닝 바스에 전극판을 설치하여 간단하게 실시한다. 일반적으로 불활성 물질인 백금이나 은을 주로 사용하지만, 전도도가 좋은 구리나 니켈 등을 사용할 수도 있다.
용액에 녹아있는 메탈 이온은 용액내에서 전기장이 만들어지면 음(-)전기가 흐르면, 양이온은 음극판으로 이동하여 환원 반응에 의하여 메탈이 석출된다. 또한 음이온은 양극판으로 이동하여 산화 반응을 한다. 따라서 용액내의 메탈 이온이 제거된다.
웨이퍼에 존재하는 메탈 불순물(metal impurity)은 전기장 내에서 용해가 촉진되거나, 이온 석출에 의하여 용액내의 메탈 이온이 감소함에 따라 이온화가 촉진(르 싸트리에 법칙)되어서 산화-환원 반응법에 의하여 음극판에 석출된다.
또한, 용액내의 부유하는 메탈 옥사이드나 메탈 파티클은 전기영동법에 의하여 제거된다. 즉, 용액에 전기장이 가해지면 메탈 옥사이드 파티클은 표면 전하가 분극되어, 전하는 전극의 양극과 음극 위치와 동일한 방향으로 전극을 갖게된다. 메탈의 경우에는 전하가 약하지만 높은 전기장 하에서는 메탈 옥사이드와 동일하게 전극을 띠게 된다. 이때 형성된 표면 전하는 전기장 하에서 파티클을 전극으로 이동(migration)시키는 추진력(driving force)으로 작용하게 되어 파티클을 전극에 석출시키게 된다. 다만 메탈 옥사이드가 이동되는 방향으로 용액이나 전해액에 따라 변하게 된다.
한편, 용액속의 메탈 양이온은 외부로부터 제공되는 전자에 의하여 음극판에서 메탈로 석출되며, 다음과 같은 환원 반응에 의한다.
M2+ (ion)+ 2e-= M(S)
또한, 웨이퍼의 메탈은 아래와 같은 반응식을 나타낼 수 있다.
M(bulk)= M+ (ion)+ e-
M+ (ion)+ e-= M(S)
메탈 양이온이 2가나 3가이면, 전자의 개수도 화학양론에 따라 2e-또는 3e-로 나타내면 된다.
메탈 옥사이드 파티클인 경우에는 표면 전하 분극을 나타낼 수 있다. 일반적으로 전기영동법은 전기적 산화-환원 반응법보다는 높은 전기장에서 진행되며, 파티클 사이즈에 따라서 전압을 조절하여 본 발명을 실시할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전기적인 산화-환원 반응법과 전기영동법을 메모리 및 비메모리 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝에 적용하므로써, 획기적인 기술 향상이 기대되며, 소자의 생산성 증가와 클리닝 용액의 반영구적 사용에 따른 경제성 및 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성되고, 화학기계적 연마 공정이 실시된 웨이퍼가 제공되는 단계;
    상기 웨이퍼를 클리닝 바스의 클리닝 용액속에 담그는 단계;
    전기적 산화-환원 반응법으로 1차 포스트-클리닝 공정을 진행하는 단계; 및
    전기영동법으로 2차 포스트-클리닝 공정을 진행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 포스트-클리닝 공정은 NH3를 매개체로 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 클리닝 바스에는 양극판과 음극판의 전극판이 설치되고, 전기적인 배선이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 포스트-클리닝 공정에 의해 상기 웨이퍼에 존재하는 메탈 잔류물과 메탈이 제거되면서, 상기 클리닝 용액내의 메탈 이온이 제거되어 상기 용액의 순도가 높아지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 포스트-클리닝 공정에 의해 상기 용액내에 부유하는 메탈 파티클과 메탈 옥사이드 파티클 및 상기 웨이퍼에 존재하는 파티클이 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 포스트-클리닝 공정시 전기 전도도를 증가하기 위하여, 원자 사이즈가 커서 소자 특성에 영향을 주지 않는 칼륨을 용액에 첨가하거나, 순수에 대한 용해도가 큰 요오드)를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학기계적 연마 포스트-클리닝 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 포스트-클리닝 공정에 적용되는 전기적 산화-환원 반응법과 전기영동법은 전압 및 전류를 조절하여 연속적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화화기계적 연마 포스트-클리닝 방법.
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