KR20030018469A - 반도체 소자의 세정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀을 형성하는 공정에서 발생하는 불순물을 제거할 수 있는 반도체 소자의 세정 방법에 관한 것으로서, 반도체 소자의 표면을 불화물계 환원제, 카르복실기를 포함하는 유기산, N-DMAC(N-Dimethylacetamide) 및 부식방지제를 포함하는 유기 세정액과 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에서 배선 물질 및 절연막의 손상없이 불순물을 완전히 제거할 수 있다. 또한, 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에 통일적으로 적용가능한 유기 세정액을 사용함으로써, 공정 진행이 간편해진다.

Description

반도체 소자의 세정 방법{Cleaning method of semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 세정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀을 형성하는 공정에서 발생하는 불순물을 제거할 수 있는 반도체 소자의 세정 방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하기 위해서는 웨이퍼 상에 다양한 배선(예 : 텅스텐, 알루미늄, 티타늄 또는 티타늄질화 배선 등) 패턴과 이 배선 패턴을 노출시키는 콘택홀 또는 비아홀을 형성해야 한다. 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀을 형성하는 공정은 사진 공정, 식각 공정, 에싱 공정, 세정 공정, 린스 공정 및 건조 공정으로 이루어진다.
세정 공정은 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀을 형성하기 위한 식각 공정 및 에싱 공정시 발생한 식각 잔류물과 같은 불순물을 웨이퍼의 표면으로부터 제거하는 것을 목적으로 한다. 제거되어야 할 불순물로는 플라즈마 식각 또는 반응성 이온 식각(RIE) 공정시 포토레지스트 패턴을 구성하는 C, H, O등의 성분과 배선 물질이 플라즈마와 반응하여 형성된 유기 폴리머, 식각 공정 또는 에싱 공정시 배선 물질이 포토레지스트 패턴 및 콘택홀 또는 비아홀의 측벽으로 백-스퍼터링(back-sputtering)되어 형성된 유기 금속성 폴리머(organometallic polymer), 에싱 공정 후에 웨이퍼 표면에 잔존하는 레지스트 잔류물 및 배선 패턴 하부의 절연막 등이 과식각되면서 백-스퍼터링되어 형성된 절연물(주로 실리콘산화막) 또는 금속성 절연물 등이 있다. 반도체 집적회로의 고집적화 추세에 따라 불순물이 제거되지 않아 발생한 오염이 제품의 수율과 신뢰성에 큰 영향을 미치게 되었다. 따라서, 세정 공정의 중요성은 더욱 증대되고 있다.
종래에는 용매, 산화제 또는 환원제 및 금속 부식방지제(metal corrosion inhibitor)를 주성분으로 하는 세정액을 주로 사용하였다. 여기에 계면활성제(surfactant)나 제2의 용매 및 착화합물화제(chelating agent)를 첨가하기도 하는 것으로 알려져 있다. 특히, 종래에는 알코올 등과 같은 극성 용매(polar solvent), 히드록실아민(hydroxylamine, Na2OH) 등과 같은 염기성 아민(basic amine) 환원제, 및 금속 부식방지제로 구성된 염기성 유기 세정액(organic cleaning solution)을 사용한 세정 방법이 널리 이용되었다. 상기 염기성 유기 세정액의 환원제 성분은 금속성 산화물과 결합되어 있는 비아홀의 측벽 및 바닥에 잔류하는 폴리머와 작용하여 상기 금속성 산화물을 환원시킴으로써 폴리머의 결합을 분해시킨다. 분해된 폴리머 성분은 상기 염기성 유기 세정액에 함유되어 있는 착화합물화제에 의해 용매에 쉽게 용해되는 상태로 변화될 뿐만 아니라, 금속의 부식을 방지하는 역할을 하기도 한다.
그런데, 이러한 종래의 염기성 세정액은 산화막에 대한 제거력이 낮다는 문제가 있다. 예를 들어, 텅스텐 배선 패턴의 경우, 텅스텐과 티타늄 등의 금속이 식각 가스 성분과 결합한 금속 할라이드(metal halide)성의 폴리머가 텅스텐 배선 패턴의 측벽에 존재하게 되는데, 그 상부에는 상대적으로 두꺼운 금속 산화막이 형성되어 있기 쉽다. 또한, 최상부에는 배선 패턴 형성시 하부의 절연막이 과식각되면서 백-스퍼터링되어 부착된 산화막이 존재한다. 그런데, 종래의 염기성 세정액을 사용하면, 텅스텐 배선 패턴의 표면을 감싸고 있는 이러한 산화막들은 쉽게 제거되지 않으며, 세정 공정 후에도 잔류한다. 이 때문에, 그 하부의 폴리머 또한 쉽게 제거되지 않는다.
따라서, 산화막에 대한 제거력이 우수한 불화물을 포함한 유기 세정액이 필요하다. 이러한 유기 세정액의 예로서, 불산(HF), 수산화암모늄(NH4OH) 및 초산(CH3COOH)으로 구성된 유기 세정액이 있다. 그러나 이러한 세정액은 상기 텅스텐 배선 패턴의 폴리머는 쉽게 제거하지만, 알루미늄 배선 패턴에 적용하는 경우 알루미늄이 심하게 부식되는 문제가 있다. 그리고, 절연막으로서 저유전율막(예 : 불화 실리케이트 글래스막)을 적층하고 이에 비아홀을 형성하여 세정하는 경우에는 상기 절연막에 심한 손상을 주는 단점을 가지고 있다.
이처럼, 종래에는 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에서 배선 물질 및 절연막의 손상없이 통일적으로 적용가능한 유기 세정액이 없었으며, 각각의 공정에 맞게 개발된 기존의 유기 세정액을 사용함으로써 공정 진행이 번거로운 문제가 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배선 물질 및 절연막의 손상없이 불순물을 완전히 제거할 수 있는 반도체 소자의 세정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에 통일적으로 적용가능한 유기 세정액을 사용함으로써, 공정 진행이 간편해진 반도체 소자의 세정 방법을 제공하는 것이다.
도 1a는 텅스텐 배선 패턴 형성 후에 잔류하는 폴리머를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 단면 사진이다.
도 1b는 텅스텐 배선 패턴 형성시 본 발명에 따른 세정 방법을 적용한 결과를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 단면 사진이다.
도 2a는 알루미늄 배선 패턴 형성 후에 잔류하는 폴리머를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 상면 사진이다.
도 2b는 알루미늄 배선 패턴 형성시 본 발명에 따른 세정 방법을 적용한 결과를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 상면 사진이다.
도 3a는 비아홀 형성 후에 잔류하는 폴리머를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 상면 사진이다.
도 3b는 비아홀 형성시 본 발명에 따른 세정 방법을 적용한 결과를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 상면 사진이다.
〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉
35... 텅스텐 비트라인60... 알루미늄 배선 패턴
70... 절연막80... 비아홀
A, B, C... 폴리머
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 반도체 소자의 불순물을 제거하기 위하여, 반도체 소자의 표면을 불화물계 환원제, 카르복실기를 포함하는 유기산, N-DMAC(N-Dimethylacetamide) 및 부식방지제를 포함하는 유기 세정액과 접촉시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에서 배선 물질 및 절연막의 손상없이 불순물을 완전히 제거할 수 있다. 또한, 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에 통일적으로 적용가능한 유기 세정액을 사용함으로써, 공정 진행이 간편해진다.
이하, 본 발명에 따른 반도체 소자의 세정 방법에 관해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
반도체 소자의 불순물을 제거하기 위하여, 불화물계 환원제, 카르복실기를포함하는 유기산, N-DMAC 및 부식방지제를 포함하는 유기 세정액을 준비한다. 다음에, 스핀타입(spin type), 스프레이타입(spray type), 스핀 스프레이타입(spin spray type) 또는 딥타입(dip type)의 세정장비를 이용하여, 반도체 소자의 표면을 상기 유기 세정액과 접촉시킨다. 이 때, 필요에 따라 각 세정장비별로 브러쉬(brush), 탈이온수 소닉(DI-sonic) 또는 메가소닉(megasonic) 기능을 부가하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 탈이온수 소닉을 포함한 스핀 방식, 메가소닉을 포함한 딥 방식을 이용할 수 있다. 상기 유기 세정액의 온도는 23℃ 내지 60℃로 유지하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 반도체 소자의 표면과 상기 유기 세정액이 접촉되는 시간은 1분 내지 30분 정도로 설정한다.
여기서, 불화물계 환원제는 상기 유기 세정액에서 산화막에 대한 제거력이 우수한 불소 이온을 제공한다. 상기 불화물계 환원제로는 불화암모늄(NH4F) 또는 불산(HF)을 이용할 수 있다. 불화물계 환원제가 제공하는 불소 이온에 의해 식각 잔류물, 폴리머 및 유기 금속성 폴리머가 박리되고, 실리콘산화막 등은 식각됨으로써 제거된다. 이 때, 박리된 폴리머 잔류물은 용매인 N-DMAC에 의해 용해된다. 카르복실기를 포함하는 유기산은 상기 유기 세정액의 pH를 일정하게 조절하는 역할을 한다. 상기 카르복실기를 포함하는 유기산으로는 초산을 이용할 수 있다.
본 발명에 의한 세정 방법은 반도체 제조 공정 중 세정이 필요한 모든 단계에 적용시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 의한 세정 방법은 텅스텐 또는 알루미늄 배선 패턴을 형성한 다음의 세정 단계에 적용될 수 있다. 텅스텐 또는 알루미늄배선 패턴 등 금속 배선 패턴에는 보통 티타늄질화막 또는 티타늄막/티타늄질화막의 복합막으로 이루어진 배리어 메탈을 형성한다. 따라서, 이 때에는 상기 반도체 소자의 표면의 일부는 텅스텐, 알루미늄, 티타늄 또는 티타늄질화막으로 이루어진 금속성 표면이 된다. 또한, 본 발명에 의한 세정 방법은 콘택홀 또는 비아홀을 형성한 다음의 세정 단계에 적용될 수 있다. 이 때에는 상기 반도체 소자의 표면의 일부는 절연막의 표면이 된다. 상기 절연막은 콘택홀의 경우에 있어서 층간절연막(ILD : Inter Layer Dielectric), 비아홀의 경우에 있어서 금속간절연막(IMD : Inter Metal Dielectric)이라고 흔히 지칭한다. 상기 절연막은 저유전율막, 예를 들어 불화 실리케이트 글래스막을 포함할 수 있다.
<실험예>
먼저 본 발명에 따라 불화물계 환원제, 카르복실기를 포함하는 유기산, N-DMAC 및 부식방지제를 포함하는 유기 세정액을 준비하였다. ASHLAND사로부터 입수한 NE200이 본 발명을 구현하기에 적합한 것으로 판단되어, NE200을 상기 유기 세정액으로서 선정하였다. 제조사에 따르면, NE200은 불화암모늄, 초산, 초산염인 CH3COONH3, N-DMAC 및 부식방지제를 포함한다고 한다. 다음에, 스핀 스프레이타입의 세정장비를 이용하여, 웨이퍼가 회전하는 동안 노즐을 통해 상기 웨이퍼에 NE200을 분사함으로써 웨이퍼의 표면을 NE200과 접촉시켰다. 이 때, NE200의 온도는 35℃로 유지하였으며, NE200을 분사하는 시간은 8분이었다.
실험예 1
첫 번째로, 텅스텐 배선 패턴으로서 DRAM의 텅스텐 비트라인을 형성하는 공정에서 본 발명에 따른 세정 방법을 적용하였다. 도 1a는 종래 텅스텐 배선 패턴 형성 후에 잔류하는 폴리머를 보여주는 사진이고, 도 1b는 텅스텐 배선 패턴 형성시 본 발명에 따른 세정 방법을 적용한 결과를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 단면 사진들이다.
도 1b를 참조하면, 트랜지스터 등 소정의 하부구조가 형성된 웨이퍼 상에 절연막(10)을 형성하고, 상기 절연막(10)을 관통하여 트랜지스터의 소스/드레인 영역에 전기적으로 접하는 콘택플러그(단면에서 보이지 않음)를 형성하였다. 상기 콘택플러그가 형성된 결과물 상에 티타늄질화막, 텅스텐막 및 실리콘질화막을 순차적으로 형성한 다음, 상기 실리콘질화막 상에 소정의 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각마스크로 하여 상기 실리콘질화막을 식각함으로써 비트라인 캡핑마스크(20)를 형성하였다. 다음에, 상기 포토레지스트 패턴을 에슁한 다음, 폴리머 잔류물을 제거하기 위하여 본 발명에 따른 세정 방법을 이용하여 상기 웨이퍼를 1차 세정하였다.
이어서, 상기 비트라인 캡핑마스크(20)를 식각마스크로 하여 상기 텅스텐막 및 티타늄질화막을 순차 식각함으로써, 비트라인 도전층(25) 및 티타늄질화막 패턴(30)을 형성하였다. 이로써, 비트라인 캡핑마스크(20), 비트라인 도전층(25) 및 티타늄질화막 패턴(30)을 포함하는 텅스텐 비트라인(35)이 형성되었다. 이 때, 식각에 의해 발생된 폴리머가 상기 텅스텐 비트라인(35)의 측벽에 존재하므로 이를 제거하기 위해 본 발명에 따른 세정 방법을 이용하여 상기 웨이퍼를 2차 세정하였다.
마지막으로, 상기 결과물상에 실리콘질화막(40)을 형성하고, 상기 세정 방법에 의해 상기 텅스텐 비트라인(35)의 측벽에 존재하던 폴리머가 완전히 제거되었는지를 평가하기 위하여 상기 텅스텐 비트라인(35)과 실리콘질화막(40) 사이의 계면을 관찰하였다.
도 1a 및 도 1b에서 확인할 수 있듯이, 종래 텅스텐 배선 패턴 형성 후에 잔류하는 폴리머(A)가 본 발명에 따르면 완전히 제거되었다. 그리고, 상기 텅스텐 비트라인(35)에 포함되는 비트라인 캡핑마스크(20), 비트라인 도전층(25) 및 티타늄질화막 패턴(30)의 적층구조에도 아무런 손상이 발생되지 않았다.
실험예 2
두 번째로, 알루미늄 배선 패턴을 형성하는 공정에서 본 발명에 따른 세정 방법을 적용하였다. 도 2a는 종래 알루미늄 배선 패턴 형성 후에 잔류하는 폴리머를 보여주는 사진이고, 도 2b는 알루미늄 배선 패턴 형성시 본 발명에 따른 세정 방법을 적용한 결과를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 상면 사진들이다.
도 2b를 참조하면, 배선 형성 공정 전 단계의 공정이 완료된 웨이퍼 상에 실리콘산화막(50)을 형성하고, 배리어 메탈로서 티타늄막/티타늄질화막의 복합막을 형성한 다음, 5000Å 정도 두께의 알루미늄을 증착하였다. 이어서, 통상의 사진 식각 공정으로 이들을 패터닝하여 알루미늄 배선 패턴(60)을 완성하였다. 다음에, 본 발명에 따른 세정 방법을 이용하여 웨이퍼의 표면을 세정하였다.
도 2a 및 도 2b에서 확인할 수 있듯이, 종래 알루미늄 배선 패턴 형성 후에잔류하는 폴리머(B)가 본 발명에 따르면 완전히 제거되었다. 그리고, 상기 알루미늄 배선 패턴(60)에도 아무런 손상이 발생되지 않았다.
실험예 3
세 번째로, 비아홀을 형성하는 공정에서 본 발명에 따른 세정 방법을 적용하였다. 도 3a는 비아홀 형성 후에 잔류하는 폴리머를 보여주는 사진이고, 도 3b는 비아홀 형성시 본 발명에 따른 세정 방법을 적용한 결과를 보여주는 사진으로서 반도체 소자의 상면 사진들이다.
도 3b를 참조하면, 실험예 3에서와 같이 알루미늄 배선 패턴을 형성한 다음, CVD법으로 실리콘산화막을 적층하였다. 이어서, 저유전율막으로서 불화 실리케이트 글래스막을 형성하였다. 그 위에 다시 CVD법으로 실리콘산화막을 적층하여 절연막(70)을 완성하였다. 소정 위치의 절연막(70)을 식각함으로써 하부의 알루미늄 배선 패턴을 노출시키는 비아홀(80)을 형성하였다. 이어서, 본 발명에 따른 세정 방법을 이용하여 웨이퍼의 표면을 세정하였다.
도 3a 및 도 3b에서 확인할 수 있듯이, 종래 비아홀(80)의 내벽 및 절연막(70)의 상면에 존재하던 폴리머(C)가 본 발명에 따르면 완전히 제거되었다. 나아가, 비아홀 하부의 알루미늄 배선 패턴과, 저유전율막으로서 불화 실리케이트 글래스막을 포함하는 절연막(70)에 아무런 손상이 발생되지 않았다.
상기 결과를 종합해 볼 때 본 발명에 따르면, 배선 물질(텅스텐, 알루미늄, 티타늄 또는 티타늄질화막)과 절연막에 거의 아무런 손상을 입히지 않으면서도 식각시에 발생되는 폴리머 등을 완벽하게 제거할 수 있었다.
본 발명에 따른 세정 방법에 의하면, 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에서 배선 물질(텅스텐, 알루미늄, 티타늄 또는 티타늄질화막)과 절연막에 거의 아무런 손상을 입히지 않으면서도 식각시 발생할 수 있는 식각 잔류물, 폴리머, 유기 금속성 폴리머, 실리콘산화막 또는 오염된 실리콘산화막과 같은 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 배선 패턴과 콘택홀 또는 비아홀의 세정 공정에 통일적으로 적용가능한 유기 세정액을 사용함으로써, 공정 진행이 간편해진다.
이처럼, 세정 효율을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 세정 공정에서 배선 물질과 절연막이 거의 손상되지 않음으로써 콘택홀 또는 비아홀 프로화일(profile) 등의 왜곡없이 세정을 완료할 수 있다. 이에 따라, 콘택홀 또는 비아홀을 채우는 후속 금속배선 형성공정에서 금속 배선이 단절되는 것을 방지할 수도 있다.

Claims (10)

  1. 반도체 소자의 불순물을 제거하기 위하여, 반도체 소자의 표면을 불화물계 환원제, 카르복실기를 포함하는 유기산, N-DMAC(N-Dimethylacetamide) 및 부식방지제를 포함하는 유기 세정액과 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불순물은 식각 잔류물, 폴리머, 유기 금속성폴리머(organometallic polymer), 실리콘산화막 또는 오염된 실리콘산화막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자의 표면의 일부는 금속성 표면인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속성 표면은 텅스텐, 알루미늄, 티타늄 또는 티타늄질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자의 표면의 일부는 절연막의 표면인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 절연막은 저유전율막으로서 불화 실리케이트 글래스막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 접촉시키는 단계는 상기 유기 세정액의 온도를 23℃ 내지 60℃로 유지하면서 1분 내지 30분간 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 접촉시키는 단계는 스핀타입(spin type), 스프레이타입(spray type), 스핀 스프레이타입(spin spray type) 또는 딥타입(dip type)의 세정장비를 이용하되, 필요에 따라 각 세정장비별로 브러쉬(brush), 탈이온수 소닉(DI-sonic) 또는 메가소닉(megasonic) 기능을 부가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 불화물계 환원제는 불화암모늄(NH4F)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 카르복실기를 포함하는 유기산은 초산(CH3COOH)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 세정 방법.
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