KR20040081352A - 금속배선을 가지고 있는 기판을 세정하는 장치 - Google Patents

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KR20040081352A
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이토겐야
가메자와마사유키
하마다사토미
가타카베이치로
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가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 기판상에 배선을 형성하는데 사용되는 금속들 또는 합금들간의 전위차를 감소시켜, 기판세정공정시 및 그 후에 발생할 수 있는 부식을 최소화시킬 수 있는 세정장치에 관한 것이다. 금속배선을 가지고 있는 기판을 세정하는 세정장치는 상기 기판을 세정하는 세정기구 및 상기 세정기구에 기능수를 공급하는 기능수 공급기구를 포함한다. 세정기구는 상기 기능수를 사용하여 기판의 표면을 세정한다.

Description

금속배선을 가지고 있는 기판을 세정하는 장치 {APPARATUS FOR CLEANING A SUBSTRATE HAVING METAL INTERCONNECTS}
본 발명은 반도체 디바이스와 같은 정밀한 전자성분에 사용하기 위한 금속배선을 가지고 있는 기판을 세정하는 세정장치에 관한 것으로서 특히, 기판상에 배선을 형성하는데 사용되는 금속들 또는 합금들간의 전위차를 감소시킬 수 있어, 기판세정공정시와 그 후에 발생할 수 있는 부식을 최소화시킬 수 있는 세정장치에 관한 것이다.
알루미늄(Al)은 반도체 디바이스에서 배선금속으로 널리 사용되어 왔다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 여타의 금속에 비해 매우 낮은 전위를 갖는 베이스 금속(base metal)이다(일본 금속학회에서 편집된 "금속 가이드북", p 877 참조). 따라서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 구리(Cu), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 또는 그들의 합금과 함께 사용되면, 이러한 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 전위차로 인해 매우 쉽게 부식을 입는다.
예를 들어, 일반적으로 반도체 디바이스에 사용되는 (알루미늄에 소량의 구리가 첨가된)Al-Cu 합금은 순수에서 (Ag/AgCl에 대하여) -730mV의 표면전위를 가진다. 한편, 텅스텐(W)은 -500mV 정도의 표면전위를 갖고, 티타늄 질화물(TiN)은 -430mV의 표면전위를 갖고, 구리(Cu)는 -100mV 정도의 표면전위를 가진다. 따라서, Al-Cu합금과 텅스텐 사이에서 200mV 이상의 전위차가 발생되고, Al-Cu합금과 티타늄 질화물 사이에서 300mV이상의 전위차가 발생되며, Al-Cu합금과 구리 사이에서 600mV 이상의 전위차가 발생된다.
텅스텐은 컨택트 홀에 대한 충전재로 널리 사용된다. 텅스텐 합금 및 티타늄 합금은 배리어재료로 사용되고, 구리는 배선을 형성하기 위한 주재료로 사용된다. 따라서, 기본적으로 Al-Cu를 포함하는 알루미늄 그리고 알루미늄 합금 및 텅스텐, 티타늄 또는 구리와 같은 상기 금속이나 그들의 합금들이 반도체 디바이스의 표면상에 동시에 노출되고, 이러한 반도체 디바이스가 처리되면, 기본적으로 Al-Cu를 포함하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 매우 쉽게 부식될 수 있다.
예를 들어, 다마신 공정에 의하여 알루미늄 배선을 형성하는 경우에, 배선그루브가 먼저, 실리콘 웨이퍼의 표면상에 형성되고, 그런 다음에 TiN 및 Ti와 같은 배리어금속으로 작용하는 금속이 스퍼터링공정 등등에 의하여 실리콘 웨이퍼의 표면상에 증착되어, 예를 들어, TiN 및 Ti의 적층된 막과 같은 박막을 형성한다. 그 후, 알루미늄이 스퍼터링공정 등등에 의하여 증착되어, 배선 그루브의 깊이보다 더 큰 두께를 갖는 알루미늄 막을 형성한다. 이어서, 실리콘 웨이퍼 표면의 볼록부에 증착된 알루미늄 및 배리어금속은 배선 그루브에만 알루미늄 및 배리어금속을 남기도록 CMP(화학적 기계적 폴리싱 또는 화학적 기계적 평탄화)공정에 의하여 제거되고, 그에 따라 알루미늄배선을 형성한다.
CMP공정 후에, 알루미늄배선을 가지고 있는 실리콘 웨이퍼가 세정공정에 의하여 세정된다. 그러나, 알루미늄배선이 세정공정시에 부식되는 문제점이 발생한다. 특히, 실리콘웨이퍼는 일반적으로 순수로 세정된다. 세정시에, 순수가 알루미늄배선 및 배리어금속에 공급되면, 알루미늄배선이 서로 결합된 알루미늄배선과 배리어금속 사이의 전위차로 인해 용해되고 부식되는 심각한 문제점에 직면하게 된다. 이러한 문제점은, "알루미늄 화학적 기계적 폴리싱시에 패턴 특정 부식의 제어" 라는 제목의 보고서("Met. Res. Soc. Symp. Proc.", Vol. 671, 2001, H.Kim 공저)에 기록되어 있다.
또한, 알루미늄 배선이 RIE(반응성이온에칭)공정에 의하여 형성되면, RIE공정 및 레지스트 제거공정 후에, 연이은 세정공정에서 화학액을 사용하여, 기판상에 남아있는 잔여물을 제거해야 할 필요가 있다. 또한, 이러한 세정공정에서는, 알루미늄배선 및 배리어금속이 화학액 및 헹굼액으로 사용되는 순수과 동시에 접촉하게 되므로, 알루미늄배선이 부식 및 용해된다.
기판상에 형성된 회로배선이 넓은 폭을 가지면, 상기의 부식문제가 그리 심각하지 않다. 그러나, 기판이 그 위에 미세한 회로배선을 가지고 있으면, 부식이 단선(disconnection)과 같은 결함을 일으킬 수 있고, 따라서 상기 문제가 심각해진다.
따라서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진 기판상의 배선이 부식되는 것을 방지할 수 있는 세정장치에 대한 요구가 있어 왔고, 본 발명의 목적은 이러한 세정장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 세정장치의 기본 구조를 나타내는 개략도;
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 세정장치의 기본 구조를 나타내는 개략도;
도 3은 배치형 담금 컨테이너(batch-type dipping container)를 가지고 있는 세정모듈의 예를 나타내는 단면도;
도 4는 스프레이형 세정모듈의 예를 나타내는 개략도;
도 5는 가스-용해수 생성유닛을 나타내는 개략도;
도 6은 전해수 생성유닛을 나타내는 개략도;
도 7은 기판을 유지 및 회전시키면서, 롤세정공정을 수행하는 세정/건조모듈의 예를 나타내는 개략도;
도 8a는 세정수로 기능수를 공급하여 기판을 세정하는 세정/건조모듈의 또 다른 예를 나타내는 사시도;
도 8b는 도 8a에 도시된 세정/건조모듈의 주요부분을 나타내는 사시도;
도 9는 펜슬형 클리너를 갖는 세정/건조모듈의 또 다른 예를 나타내는 사시도;
도 10a는 본 발명에 따른 세정장치를 포함하는 폴리싱장치를 나타내는 개략도;
도 10b는 도 10a에 도시된 폴리싱장치의 주요부분을 나타내는 사시도이다.
본 발명의 발명자들은, 기판상의 알루미늄 등등의 배선금속과 배리어층 금속 사이의 전위차로 인해 기판의 세정공정시에 발생하는 오염의 문제를 해결하기 위하여 부단히 노력해왔다. 그 결과, 발명자들은 기판을 세정하기 위한 세정용액으로 순수를 이용하는 대신에, 다양한 종류의 기능수(functional water)를 이용하여, 배선금속과 배리어층 금속 사이의 전위차가 감소될 수 있다는 사실을 발견하였고, 기능수가 부식의 진행을 효과적으로 방지한다는 결론을 토대로 본 발명을 완료하였다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 기판을 세정하는 세정기구; 및 세정기구에 기능수를 공급하는 기능수 공급기구를 포함하는, 금속배선을 가지고 있는 기판을 세정하는 세정장치가 제공되고, 상기 세정기구는 기능수 등등을 이용하여 기판의 표면을 세정한다.
본 발명의 한 바람직한 형태에서, 기능수 공급기구가 기능수로서 가스-용해수(gas-dissolved water)를 생성한다.
본 발명의 한 바람직한 형태에서, 기능수 공급기구는, 기능수로서 전해수(electrolytic water)를 생성하도록 물을 전기분해하는 물전기분해장치를 포함한다.
본 발명의 한 바람직한 형태에서, 세정기구가 기판의 표면을 스크럽하기 위해 세정부재를 구비한 기구, 기판의 표면상에서 회전되는 세정부재를 갖는 기구,기능수에 초음파를 적용하기 위한 기구, 기능수에 캐비테이션을 발생시키기 위한 기구 및 기능수에 캐비테이션을 발생시키고 기능수에 초음파를 적용하기 위한 기구 중의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 바람직한 형태에서, 금속배선을 형성하기 위한 금속 또는 합금은 알루미늄, 텅스텐 및 티타늄 질화물 중의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 바람직한 한 형태에서, 기능수는 CO2및 O3중 적어도 하나를 포함하는 가스-용해수를 포함한다.
세정수로 사용되는 기능수는 CO2가스 또는 O3가스와 같이 사전설정된 가스가 용해되어 있는 순수를 포함한다.
기능수는 전해질의 추가 없이 초순수가 전기분해되는 전기분해공정 및 가스-살포필터(gas-insufflating filter)를 사용하여 가스가 순수에 용해되는 가스-용해공정에 의하여 생성된다.
전기분해공정에 의하여 생성된 기능수의 예로는 애노드측에 생성된 산소-가스-용해수(애노드수) 및 캐소드측에 생성된 수소-가스-용해수(캐소드수)가 있다. 애노드측에 생성된 산소-가스-용해수는 6 내지 7 정도의 pH를 갖고, 200mV 내지 300mV 범위의 산화-환원전위(oxidation-reduction potential)를 가진다. 캐소드측에 생성된 수소-가스-용해수는 7 내지 8 정도의 pH를 갖고, -500mV 내지 -700mV 범위의 산화-환원전위를 가진다.
가스-용해공정에서, 사전설정된 가스가 순수로 뿜어지고 그 안에 용해되어,산소-가스-용해수, 수소-가스-용해수 및 기타 가스-용해수와 같은 가스-용해수를 생성한다.
용해되는 가스의 예로는 이산화탄소가스, 오존가스, 암모니아가스, 염화수소산가스 등등이 있으며, 이들 가스 중의 2개 이상이 순수로 뿜어질 수 있다.
기판상에 배선을 형성하는데 사용되는 금속의 전위는 생성된 기능수를 이용하여 시프트될 수 있다. 예를 들어, 순수에 담긴 알루미늄이 -1120mV의 표면전위를 가지지만, 포화된 농도에서 산소가스를 포함하는 가스-용해수에 담긴 알루미늄은 -310mV 정도의 표면전위를 가진다. 이러한 방식으로, 알루미늄의 표면전위가 노블방향(noble direction)으로 크게 시프트될 수 있다. 알루미늄이 불포화된 농도에서 산소가스를 포함하고 있는 가스-용해수에 담궈지더라도, 알루미늄의 표면전위는 노블방향으로 시프트될 수 있다.
알루미늄이 동일한 공정으로 생성된, 포화된 농도를 갖는 수소-가스-용해수에 담궈지면, 알루미늄의 표면전위가 -770mV가 되고, 이는 크게 시프트되지 않는다. 하지만, 알루미늄이 포화된 농도를 갖는 산소-가스-용해수 및 포화된 농도를 갖는 수소-가스-용해수의 혼합액으로 이루어진 액체에 담궈지면, 알루미늄의 표면전위가 -200mV 내지 -300mV 범위가 된어, 노블방향으로 크게 시프트된다. 가스-살포필터를 이용하여 가스를 불어넣어서 생성된 가스-용해수를 이용하는 경우에, 상술된 바와 동일한 결과값이 또한 얻어질 수 있다. 각각 불포화된 농도를 갖는 산소-가스-용해수 및 수소-가스-용해수가 사용되더라도, 알루미늄의 표면전위가 노블방향으로 시프트될 수 있다.
상술된 바와 같이, 산소 및 수소 이외의 가스를 불어넣어서 생성된 기능수를 사용할 수도 있고, 기능수의 일례로는 이산화탄소-가스-용해수가 있다. 이산화탄소-가스-용해수는 알루미늄의 표면전위를 크게 시프트시킬 수 있는 능력이 없다. 그러나, 3 ppm의 농도를 갖는 이산화탄소-가스-용해수는 알루미늄, 텅스텐, 텅스텐 합금, 티타늄 및 티타늄 합금의 표면전위를 노블방향으로 최대 100mV 정도까지 시프트시킬 수 있기 때문에, 이산화탄소-가스-용해수가 실제로 사용된다.
알루미늄과 여타의 금속 사이의 전위차의 관점에서, 알루미늄과 티타늄 및 알루미늄과 티타늄 합금간의 전위차는 산소-가스-용해수 또는 산소-가스-용해수와 수소-가스-용해수의 혼합액을 이용할 때 최소화된다. 유사하게, 산소-가스-용해수 또는 산소-가스-용해수와 수소-가스-용해수의 혼합액이 알루미늄에 대하여 효과적이다.
본 발명의 기능수를 포함하는 가스-용해수는 이미 기판을 세정하는데 사용되고 있다. 예를 들어, 레지스트 제거공정 후에 기판으로부터 입자들을 제거하기 위하여 또는 기판상에 부착된 금속 불순물을 제거하기 위하여, 수소가스, 환원가스 또는 오존가스 중의 어느 하나가 용해되어 있는 수성용액(aqueous solution)을 이용하여 기판을 세정하는 공정에 알려져 있다. 수성용액을 이용하여 기판을 세정하는 이러한 공정은 : 일본국 특개평 공보 제 10-64867호, 일본국 특개평 공보 제 10-172941호, 일본국 특개평 공보 제 2001-326209호, 일본국 특개평 공보 제 2002-100599호 및 일본국 특개평 공부 제 2002-118085호에 개시되어 있다.
그러나, 상기 명세서들은 그 위에 배선이 형성되어 있는 기판을 세정하는 공정을 개시하고 있지 않으며, 배선을 형성하는 2이상의 금속 또는 합금들간의 전위차를 제어하는 방법을 제안하고 있지 않다.
본 발명에 따라, 그 위에 금속배선이 형성되어 있는 기판을 세정하는 세정장치가 후술된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 세정장치의 기본 구조를 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 세정장치는 세정기구로서 작용하는 세정유닛(1), 기능수 공급기구로 작용하는 기능수 생성유닛(2), 화학액 공급유닛(3), 컨트롤러(4), 한 쌍의 기능수 공급파이프(21a, 21b), 한 쌍의 유량계(22a, 22b), 한 쌍의 밸브(23a, 23b) 및 화학액 공급파이프(29)를 포함한다. 세정유닛(1)은 로딩/언로딩유닛(11), 화학처리모듈(12), 세정/건조모듈(13) 및 이송모듈(14)을 포함한다.
세정될 기판은 로딩/언로딩유닛(11)을 통하여 세정유닛(1)으로 도입된다. 기판은 예를 들어, 화학처리모듈(12)에서 에칭처리된 다음, 세정/건조모듈(13)에서 세정 및 건조된다. 세정 및 건조된 기판은 이송모듈(14)에 의하여 그 다음 공정으로 이송된다.
특히, 그 위에 금속배선이 형성되어 있는 기판은 화학처리모듈(12)로 이송되고, 에칭액과 같은 화학액 또는 화학액 공급파이프(29)를 통하여 화학액 공급유닛(3)으로부터 공급되는 세정액에 의하여 처리된다.
그런 다음, 세정되어야 하는, 금속배선을 가지고 있는 기판이 세정/건조모듈(13)으로 이송된다. 세정/건조모듈(13)에서는, 기판이 기능수에 의하여 세정된다. 기능수는 기능수 생성유닛(2)에 의하여 생성되고, 기능수 공급파이프(21a, 21b), 유량계(22a, 22b) 및 밸브들(23a, 23b)을 통하여 세정/건조모듈(13)로 공급된다. 밸브들(23a, 23b)은 적절한 타이밍에 선택적으로 개폐되도록 컨트롤러(4)에 의하여 제어된다. 이러한 세정공정에서는, 한 종류의 기능수 뿐만 아니라, 여러 종류의 기능수를 세정수로 사용할 수 있다.
예를 들어, 애노드수가 제1기능수로 사용된 다음, 애노드수와 캐소드수의 혼합액이 제2기능수로 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 먼저, 기능수 생성유닛(2)에 의하여 애노드수 및 캐소드수가 기능수로 생성된다. 그런 다음, 애노드수만 기능수 공급파이프(21a), 유량계(22a) 및 밸브(23a)를 통하여 기판에 공급되어, 사전설정된 시간주기동안에 기판을 세정한다. 그 후, 기능수 공급파이프(21b), 유량계(22b) 및 밸브(23b)를 통하여 캐소드수가 기판에 제공되어 기판을 세정한다. 기능수의 종류는 상기 경우에 제한되지 않는다. 예를 들어, 순수와 애노드수 또는 캐소드수의 조합, 애노드수와 캐소드수의 조합 또는 애노드수 또는 음극수와 같은 전해수와 순수에 가스를 도입하여 생성되는 가스-용해수의 조합이 기능수로 사용될 수 있다.
기능수를 이용하는 세정공정의 예로는 세정부재가 세정될 기판의 표면을 스크럽하는 롤세정공정, 세정부재가 세정될 기판의 표면상에서 회전되는 펜슬 세정공정, 캐비테이션 초음파 세정공정 및 이들 공정의 조합이 있다.
세정/건조모듈(13)은 롤세정공정, 세정컨테이너(도시되지 않음)에 유지된 기능수에 1이상의 기판을 담그기 위한 담금공정과 같은 접촉식 세정공정 또는 기판유지기구(도시되지 않음)에 의하여 유지되는, 세정될 기판의 표면에 기능수를 공급하는 비접촉식 헹굼공정을 수행한다.
기판의 표면상에 배선을 형성하기 위해 사용된 금속의 종류에 따라 화학액의 공급과 세정수(기능수)의 공급 및 스위칭이 컨트롤러(4)로부터의 신호들에 의하여 적절한 타이밍에 수행될 수 있다. 세정수들의 조합이 컨트롤러(4)로부터의 신호들에 의하여 적절한 성분으로 만들어 질 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 세정장치의 기본 구조를 나타내는 개략도이다. 후술되지 않는 제2실시예에 따른 세정장치의 구조 및 동작은 제1실시예에 따른 세정장치와 동일하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 세정장치는 연결파이프(26a, 26b), 유량계(24a, 24b) 및 밸브들(25a, 25b)을 포함한다. 연결파이프(26a, 26b)는 기능수 공급파이프(21a, 21b) 및 화학액 공급파이프(29)를 서로 연결하고, 유량계(24a, 24b) 및 밸브들(25a, 25b)이 연결파이프(26a, 26b)상에 각각 제공된다. 이러한 구조에 따르면, 기능수 생성유닛(2)에 의하여 생성된 기능수가 연결파이프(26a, 26b), 유량계(24a, 24b) 및 밸브들(25a, 25b)을 통하여 화학액 공급파이프(29)로 공급된다. 밸브들(25a, 25b)는 몇몇 종류의 기능수들이 연결파이프(26a, 26b)를 통하여 화학액 공급파이프(29)로 선택적으로 공급되도록 컨트롤러(4)에 의하여 제어된다.
도 2에 도시된 세정장치에 따르면, 화학액에 기능수들의 기능(function)을 추가하여, 예를 들어, 바람직한 에칭상태와 같이 바람직한 처리상태를 달설할 수 있다. 제1실시예에 따르면, 화학액의 공급과 기능수(세정수)의 공급 및 스위칭이컨트롤러(4)로부터의 신호들에 의하여 적절한 타이밍에 수행될 수 있다. 화학액에 추가될 기능수의 선택은 또한 적절한 성분을 만들기 위하여 컨트롤러(4)로부터의 신호들에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 금속 배선을 갖고 있는 기판을 세정하기 위한 세정장치의 일례는 기판유지기구, 기판을 세정하는 세정기구 및 세정기구에 기능수를 공급하는 기능수 공급기구를 포함한다. 세정기구는 기능수를 사용하여 기판의 표면을 세정한다.
이러한 세정장치에서, 그 표면상에 금속배선이 형성되어 있는 기판은 기판유지기구에 의하여 유지되고, 세정기구로 이송된다. 기판유지기구는 기판을 단단하게 유지하면서 필요에 따라 적절한 방식으로 기판을 이동시키도록 동작할 수 있다. 특히, 기판유지기구는 그 위에 금속배선이 형성되어 있는 기판을 수평자세로부터 수직자세로 터닝시키도록 동작하거나 또는 그 축선방향을 중심으로 기판을 회전시키고 수평면으로 기판을 이동시키도록 동작할 수 있다.
세정될 기판은 담금 컨테이너에 놓여질 수 있고, 순수는 기판을 세정하도록 담금 컨테이너로 공급될 수 있다. 도 3은 세정유닛에 포함되는 배치형 담금 컨테이너를 가지고 있는 세정모듈의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 세정모듈(30)은 담금 컨테이너(31) 및 담금 컨테이너(31) 위에 배치된 기능수 공급노즐(32)을 포함한다. 배수파이프(34)는 담금 컨테이너(31)의 바닥부에 연결되고, 밸브(33)는 배수파이프(34)상에 제공된다. 복수의 기판(W)을 유지하는 기판홀더(35)는 담금 컨테이너(31)에 배치된다. 상기 구조를 갖는 세정모듈(30)에서는, 복수의 기판(W)이 기판홀더(35)에 의하여 유지되고 그런 다음, 밸브(33)가 폐쇄된다. 기능수는 기판(W)이 기능수로 완전히 잠길 때까지 기능수 공급노즐(32)로부터 담금 컨테이너(31)로 공급된다. 기판(W)은 사전설정된 시간주기 동안 기능수에 담궈진 채로 유지된다. 이러한 시간주기 동안에, 담금 컨테이너(31)의 상부 개방단부(31a)가 뚜껑(도시되지 않음)으로 밀봉하여 닫히거나 덮혀질 수 있다. 대안적으로, 기능수가 담금 컨테이너(31)로부터 넘쳐 흐를 수도 있다. 특히, 기능수가 수소-가스-용해수를 포함하는 경우에는, 수소가 물로부터 쉽게 분리(release)되는 경향이 있기 때문에, 수소-가스-용해수가 담금 컨테이너(31)로부터 넘쳐 흐르는 것이 바람직할 것이다. 초음파 진동기(36)는 초음파가 기능수에 적용되어, 세정효과를 증진시키도록 담금 컨테이너(31)에 제공될 수 있다. 도 3에서, 배수파이프(34)는 담금 컨테이너(31)의 바닥부에 연결된다. 그러나, 담금컨테이너(31)는 기능수가 상부 개방단부(31a)로부터 넘쳐 흐르게 하도록 구성될 수도 있다. 이 경우에, 담금 컨테이너(31)로부터 넘쳐 흐른 기능수를 임시적으로 유지하기 위한 저장컨테이너(도시되지 않음)가 제공될 수 있다.
도 4는 세정유닛에 포함되는 스프레이형 세정모듈의 일례를 나타내는 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 세정모듈(37)은 복수의 노즐(38a, 38b)을 포함한다. 노즐들(38a)은 이송기구(도시되지 않음)에 의하여 이송된 복수의 기판(W) 위에 배치되고, 노즐들(38b)은 기판(W)의 아래에 배치된다. 기능수들은 기판(W)을 세정하도록 노즐들(38a, 38b)로부터 기판들(W)로 공급된다. 노즐들(38a, 38b)은 액체샤워의 형태 또는 안개스프레이의 형태로 기능수를 공급할 수 있다.기판들(W) 또는 노즐들(38a, 38b) 또는 기판들(W) 및 노즐들(38a, 38b) 모두는 세정공정시에 서로 상대적으로 이동할 수 있다. 대안적으로, 기판들(W) 및 노즐들(38a, 38b) 모두가 이동되지 않을 수 있다.
도 5는 기능수 생성유닛(2)의 일례로서 가스-용해수를 생성하는 가스-용해수 생성유닛을 나타내는 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가스-용해수 생성유닛(40)은 가스용해장치(42)를 포함한다. 사전설정된 가스가 가스공급파이프(44)를 통하여 가스용해장치(42)로 공급되고, 순수 또한 순수공급파이프(45)를 통하여 가스용해장치(42)로 공급된다. 가스용해장치(42)는 가스와 순수를 혼합하여, 가스-용해수 공급파이프(41)를 통하여 세정유닛으로(도 1 또는 도 2참조) 공급되는, 기능수로서 작용하는 가스-용해수를 생성한다. 가스용해장치(42)는 폴리테트라플루오르에틸렌으로 만들어진 중공 얀멤브레인(yarn membrane)의 형태로 가스용해막을 포함한다. 가스공급파이프(44)는 수소가스 컨테이너 또는 산소가스 컨테이너와 같은 가스 컨테이너(48)에 연결된다. 압력계(47a)가 없을 수도 있지만, 압력계(47a)가 가스공급파이프(44)상에 제공된다. 압력계(47b)가 순수공급파이프(45)상에 제공되고, 가스-용해수의 유량을 측정하는 유량계(43)가 가스-용해수 공급파이프(41)상에 제공된다. 압력계(47b) 및 유량계(43)가 없을 수도 있다. 배수파이프(46)는 가스용해장치(42)로부터 가스 및 순수를 배출시키기 위하여 가스용해장치(42)에 연결된다.
가스-용해수 생성유닛(40)에서, 순수 및 가스가 가스-용해수를 생성하기 위하여 가스용해 멤브레인을 통하여 서로 접촉하게 된다. 가스용해장치(42)에서, 가스 및 순수는 대향류로 흐르느 것이 바람직하다.
순수 및 가스가 서로 접촉하게 되면, 가스용해 멤브레인의 근처에서 가스방울들이 생성되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 순수의 압력이 가스의 압력보다 약간 높아져서, 순수에 용해되는 가스의 농도를 용이하게 조절할 수 있다. 도 5에 도시된 가스-용해수 생성유닛(40)에서, 가스는 가스 컨테이너(49)로부터 공급된다. 하지만, 가스가 플랜트내의 파이프시스템으로부터 공급될 수도 있다.
도 6은 기능수 생성유닛(2)의 또 다른 예로서 전해수 생성유닛을 나타내는 개략도이다. 물전기분해장치로서 작용하는 전해수 생성유닛(50)은 예를 들어, 순수 또는 초순수와 같은 물을 유지하기 위한 전해질욕조(51)를 포함하고, 이는 이온교환 멤브레인(54)에 의하여 2개의 영역으로 분리된다. 애노드전극(52)이 영역들 중의 하나에 배치되고, 캐소드전극(53)이 나머지 영역에 배치된다. 전해질욕조(51)에 유지된 물을 전기분해하기 위하여 전원장치(58)가 애노드전극(52) 및 캐소드전극(53)에 접속된다. 애노드수 파이프(56)는 전해질욕조(51)내에 생성된 애노드수를 추출하기 위하여 전해질욕조(51)에 연결되고, 캐소드수 파이프(57)는 전해질욕조(51)내에 생성된 캐소드수를 추출하기 위하여 전해질욕조(51)에 연결된다. 탈이온화수(deionized water) 공급파이프(55)는 예를 들어, 순수 또는 초순수와 같은 탈이온수를 전해질욕조(51)로 공급하기 위하여 전해질욕조(51)에 연결되어, 전해질욕조(51)내의 물부족을 해소시킨다.
이온교환 멤브레인(54)은 양이온교환 멤브레인 또는 음이온교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 그러나, 이온교환 멤브레인(54)이 양이온교환 멤브레인을 포함하는 것이 바람직할 것이다. 각각의 애노드전극(52) 및 캐소드전극(53)은 백금 또는 티타늄과 같은 불용성 금속으로 만들어진 전극 또는 그 표면이 이러한 불용성 금속으로 덮혀진 전극으로 이루어지는 것이 바람직할 것이다.
기판이 CMP공정에 의하여 폴리싱된 후에, 상술된 세정장치가 알루미늄 배선을 갖는 기판을 세정하는데 사용되면, 다음과 같이 작업이 수행된다 : 슬러리를 이용하는 CMP공정에 의하여 폴리싱된 기판이 CMP공정 직후에 기능수를 이용하여 물로 폴리싱된다. 그 후, 스크러버(scrubber), 롤 또는 펜슬형 클리너들 중의 하나 이상을 이용하여 기판이 세정된다. 대안적으로, 헹굼공정과 같은 비접촉식 세정공정에 의하여 기판이 세정된다. 스크러빙 및/또는 헹굼공정에서, 기능수를 이용하는 것이 효과적이다.
산소-가스용해수 및 수소-가스용해수가 기능수로 사용되면, 알루미늄배선이 부식되는 것을 실질적으로 완전히 방지할 수 있다.
본 발명이 RIE공정 후에 알루미늄배선을 갖는 기판을 세정하는데 적용되면, 알루미늄배선이 부식되는 것을 방지하기 위하여 산소-가스용해수 또는 산소-가스용해수와 수소-가스용해수 모두를 이용하는 것이 효과적이다.
도 7은 본 발명의 제1 또는 제2실시예에 따른 세정장치에 포함된 세정/건조모듈의 일례를 나타내는 개략도이다. 도 7에 도시된 세정/건조모듈(70)은 배선을 가지고 있는 기판을 유지 및 회전시키면서 롤세정공정을 수행한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 세정/건조모듈(70)은 기판(W)을 유지 및 회전시키기 위한 복수의 롤러(73a, 73b), 기판(W)을 세정하기 위한 복수의 롤형상의 세정부재(74a, 74b),기판(W)에 기능수를 공급하기 위한 기능수 공급노즐들(75a, 75b) 및 기판(W)에 에칭액 또는 화학적 세정액과 같은 화학액을 공급하기 위한 화학액 공급노즐들(76a, 76b)을 포함한다. 롤러들(73a, 73b)은 기판(W)의 둘레에지부를 유지하고, 그 축선을 중심으로 수평면으로 기판(W)을 회전시킨다. 롤형상 세정부재(74a, 74b)는 기판(W)의 상면 및 하면과 각각 접촉하게 되고, 기판(W)의 상면 및 하면을 스크럽하도록 그 축선을 중심으로 회전된다. 각각의 롤형상 세정부재(74a, 74b)는 예를 들어, PVA 스폰지롤을 포함한다. 기능수 공급노즐(75a, 75b)은 기판(W)의 위와 아래에 각각 배치된다. 화학액 공급노즐(76a, 76b)은 기판(W)의 위와 아래에 각각 배치된다. 필수 기능수는 기능수 공급노즐(75a, 75b)로부터 기판(W)으로 공급된다. 기능수가 열화되는 것을 방지하기 위하여 즉, 농도가 감소되는 것을 방지하기 위하여, 기능수가 기능수 생성유닛(2)에 의하여 생성된 후에 가능한 한 빠르게 기능수 공급노즐(75a, 75b)로부터 공급되는 것이 바람직할 것이다. 이러한 이유로, 기능수 생성유닛(2) 및 세정/건조모듈(70)을 상호연결하는 파이프의 길이가 가능한 한 짧아야 한다. 또한, 이러한 파이프는 폴리테트라플루오르에틸렌으로 만들어지는 것이 바람직할 것이다.
초음파 진동기(77)는 필요에 따라 각각의 기능수 공급노즐(75a, 75b)상에 제공될 수 있다. 각각의 초음파 진동기(77)는 기능수에 초음파 에너지를 가해 세정능력을 증가시킨다. 필요하다면, 기능수 생성유닛(20)(도 1 또는 도 2 참조)이 기능수의 pH 및 이온농도와 같은 특성을 측정 및 모니터링하기 위한 측정장치(도시되지 않음) 및 측정장치에 의하여 측정된 값들을 토대로 이러한 특성들을 제어하는제어장치(도시되지 않음)를 포함하는 것이 바람직하다.
도 8a는 본 발명의 제1 또는 제2실시예에 따른 세정장치에 포함된 세정/건조 모듈의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 8b는 도 8a에 도시된 세정/건조 모듈의 주요부분을 나타내는 사시도이다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 세정/건조 모듈(80)은 기판(W)상에 세정액을 공급하여 기판(W)을 세정하는 기구를 가진다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 세정/건조 모듈(80)은 기판(W)을 유지하는 복수의 기판유지아암(84), 기판(W)을 회전시키는 회전테이블(86), 기판(W)상으로 액체를 공급하는 액체공급노즐(82), 스윙운동을 수행하는 스윙아암(87) 및 기판(W)을 건조시키도록 기판(W)에 가스를 공급하는 가스공급노즐(80)을 포함한다.
세정/건조 모듈(80)에서, 기판(W)은 기판유지아암(84)에 의하여 유지되고, 높은 회전속도로 회전할 수 있는 회전테이블(86)에 의하여 회전된다. 액체공급노즐(82)은 스윙아암(87)상에 장착된다. 에칭액 또는 화학세정액과 같은 화학액이 액체공급노즐(82)로부터 기판(W)의 상면으로 공급되어, 기판(W)을 처리한다. 또한, 세정액 또는 헹굼액과 같은 기능수가 또한 액체공급노즐(82)로부터 기판(W)의 상면에 공급되어, 기판(W)을 세정한다. 필요하다면, 화학액, 기능수 및 헹굼액이 수십 kHz 내지 5kHz 범위의 높은 주파수를 갖는 초음파에 의하여 진동하게 된다.
액체공급노즐(82)은 1x106내지 5x106Pa 범위의 높은 압력을 갖는 상기 액체를 공급하기 위한 노즐을 포함할 수 있다. 대안적으로, 액체공급노즐(82)은 저압액체노즐 및 각각의 노즐로부터 분출되는 고압액체와 저압액체 사이의 시어(shear)로 인해 캐비테이션을 발생시키기 위하여 저압액체노즐의 중심에 배치된 고압액체노즐을 포함할 수 있다. 이 경우에, 고압액체는 1x106내지 5x106Pa 범위의 압력을 가지고, 저압액체는 예를 들어, 1x105내지 5x105Pa 범위의 압력을 가진다. 상술된 기능수는 고압액체 및 저압액체 중의 적어도 하나에 사용될 수 있다. 기판(W)이 세정된 후에, 액체공급노즐(82)로부터 세정액, 헹굼액 등등의 공급이 정지된 다음, 회전가능한 테이블(86)이 2000 rpm(min-1)이상의 높은 회전속도로 회전되어, 기판(W)을 원심력에 의하여 건조시킨다.
기판(W)은 도 8a 및 도 8b에 도시된 세정/건조 모듈(80)에서 비접촉식 방식으로 세정된다. 그러나, 기판(W)은 세정될 기판(W)의 표면상에서 회전운동을 수행하는 펜슬형 클리너에 의하여 대안적으로 또는 부가적으로 세정될 수 있다. 도 9는 이러한 펜슬형 클리너를 갖는 세정/건조 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 9에서, 세정될 반도체기판(W)은 도 10a 및 도 10b에서 후술되는 이송로봇에 의하여 스핀척(92) 위의 위치로 이송되고, 세정될 기판(W)의 표면이 위쪽으로 향하는 상태로 스핀척(92)에 의하여 유지된다. 그런 다음, 스핀척(92)이 기판(W)을 회전시키기 위해 사전설정된 회전속도로 회전되는 동시에, 기능수가 기판(W)의 실질적인 중심부를 향하여 기능수 공급노즐(98)로부터 공급된다.
펜슬형 클리너(96)는 회전샤프트(90)에 의하여 스윙아암(97)상에 장착된다. 펜슬형 클리너(96)는 PVA스폰지 등등을 포함하고 펜슬형 클리너(96)상에 장착되는 세정부재(93)를 가진다. 스윙아암(97)은 스윙운동 및 수직운동을 수행하도록 작동될 수 있다. 세정유닛은 다음과 같이 세정공정을 수행한다 : 스윙아암(97)은 펜슬형 클리너(96)를 기판(W)의 실질적인 중앙부 위의 위치로 가져가도록 스윙된다. 이 때, 펜슬형 클리너(96)는 회전되지 않는다. 그런 다음, 스윙아암(97)이 아래쪽으로 이동하여, 펜슬형 클리너(96)의 세정부재(93)를 기판(W)의 상면과 접촉시킨다. 세정부재(93)가 기판(W)과 접촉하기 직전에, 펜슬형 클리너(96)가 사전설정된 회전속도로 회전샤프트(90)를 중심으로 회전하기 시작한다. 세정부재(93)는 스핀척(92)에 의하여 회전되는 기판(W)과 독립적으로 회전되고, 사전설정된 가압력을 받아 스윙아암(97)에 의하여, 세정될 기판(W)의 표면에 대하여 가압된다. 그런 다음, 스윙아암(97)이 사전설정된 속도로 세정부재(93)를 기판(W)의 둘레에지부로 가져가도록 스윙되어, 기판(W)을 스크럽한다.
도 10a는 본 발명에 따른 세정장치를 포함하는 폴리싱장치를 나타내는 개략도이다. 도 10b는 도 10a에 도시된 폴리싱장치의 주요부분을 나타내는 사시도이다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 폴리싱장치는 CVD장치 또는 도금장치(도시되지 않음)에 의하여 기판의 표면상에 형성되는 금속배선재료와 같은 도전재료 또는 절연재료를 갖는 기판(W)을 폴리싱하고 평탄화시키는 역할을 한다. 폴리싱장치는 폴리싱유닛(100), 로딩/언로딩유닛(122), 2개의 이송기구(이송로봇)(124a, 124b), 3개의 세정모듈(126a, 126b, 126c)을 갖는 세정유닛(세정기구; 126) 및 반전기기(128)를 포함한다. 세정모듈들(126a, 126b, 126c)은 도 7에 도시된 바와 같이 롤세정기구, 도 9에 도시된 바와 같이 펜슬형 클리너를 채택하는 세정기구 및 도 8a 및 도 8b에 각각 도시된 바와 같이 세정액을 공급하는 세정기구를 포함할 수 있다.
기판(W)은 다음과 같이 폴리싱장치에서 처리된다 : 이송기구(124b)는 기판(W)을 로딩/언로딩유닛(122)으로부터 반전기기(128)로 이송한다. 기판(W)은 반전기기(128)에 의하여 폴리싱될 표면이 아래쪽을 향하는 상태로 반전된다. 그런 다음, 반전된 기판(W)은 이송기구(124a)에 의하여 기판-이송베이스(138)로 이송된다. 기판(W)이 기판-이송베이스(138)사에 놓여진 다음, 탑링(113)에 의하여 진공상태로 유지된다. 기판(W)은 사전설정된 가압력을 받아 폴리싱테이블(112)상에 부착된 폴리싱패드에 대하여 가압된다. 이 때, 폴리싱액이 폴리싱테이블(112)상에 공급되는 동안, 톱링(113) 및 폴리싱테이블(112)이 예를 들어, 서로 상대적으로 회전되어 이동되는 기판(W)을 폴리싱한다.
폴리싱된 기판(W)은 탑링(113)에 의하여 기판-이송베이스(138)로 이송된 다음, 이송기구(124a)에 의하여 기판-이송베이스(138)로부터 세정모듈(126a)로 이송된다. 예를 들어, 롤 세정기구를 포함할 수 있는 세정모듈(126a)은 본 발명의 기능수를 사용하여 기판(W)을 세정한다. 그런 다음, 세정모듈(126a)에 의하여 세정된 기판(W)이 순차적으로, 이송기구(124a)에 의하여 세정모듈(125b) 및 세정모듈(126c)로 이송되고, 여기서 기판(W)이 기능수를 이용하여 세정된다. 세정모듈(126c)이 세정된 기판(W)을 높은 회전속도로 회전시켜, 기판(W)을 스핀건조시킨다.
세정 및 건조된 기판(W)은 이송기구(124b)에 의하여 로딩/언로딩유닛(122)으로 이송되고, 카세트(도시되지 않음)로 수용된다. 세정유닛(126)에는 기능수생성유닛(도 1 또는 도 2 참조)으로부터 본 발명의 기능수가 세정수로 공급되어,기판(W)이 폴리싱된 후에 세정될 때, 기판(W)이 부식되는 것을 방지할 수 있다. 폴리싱유닛(100)에 사용된 폴리싱액은 슬러리, 콜로이드 또는 연마입자로 불리는 알카리성 액체를 포함한다. 따라서, 세정모듈(126a) 및 연이은 세정모듈(126b, 126c)로 기능수를 선택적으로 공급하도록 기능수의 분배 및 기능수에 용해되는 가스의 종류가 변화될 수 있다. 본 발명의 기능수의 세정능력은 기판에 공급될 때의 기능수의 온도에 따라 변화한다. 따라서, 기능수의 온도를 측정하는 장치(도시되지 않음) 및 기능수의 온도를 조절하는 장치(도시되지 않음)가 기능수 생성유닛 또는 기능수 공급파이프(도 1 및 도 2 참조)에 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기판상에 회로를 생성하기 위한 1이상의 금속들 또는 합금들의 표면전위를 시프트시키기 위하여, 가스-용해수와 같은 기능수가 순수 대신에 사용되어, 금속이 부식되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 기능수가 산소-가스-용해수 또는 수소-가스-용해수를 포함하면, 산소-가스-용해수 및 수소-가스-용해수 모두가 중성이기 때문에, 산소-가스-용해수 또는 수소-가스-용해수로 세정된 후에, 기판이 순수로 세정될 필요가 없다. 또한, 산소-가스-용해수 또는 수소-가스-용해수와 같은 가스-용해수로 세정된 후에, 기판이 순수로 헹궈지더라도, 가스-용해수에 포함되어 있는 산소에 의하여 금속의 표면이 패시베이션(passivated) 되기 때문에 기판이 순수에 의하여 부식되지 않는다.
또한, 본 발명에 따르면, 금속의 표면전위 뿐만 아니라, 실리콘기판 또는 글래스의 표면전위도 시프트시킬 수 있다. 특히, 2이상의 가스가 용해되어 있는 가스-용해수는, 수소가스, 환원가스 또는 오존가스와 같이 하나의 가스만 가스-용해수에 용해되는 경우에 발생할 수 있는, 기판에 대한 어떠한 손상을 최소화시키는데 효과적이다.
본 발명의 일례가 후술된다. 그러나, 본 발명이 후술되는 예시들로 제한되지 않는 것으로 이해하여야 한다.
기능수내의 금속들의 전위의 측정치 :
Al(알루미늄), TiN(티타늄 질화물) 및 W(텅스텐)의 전위는 이들 금속들이 여러 종류의 기능수들에 담궈질 때 측정된다. 측정된 전위들이 아래의 표 1에 도시된다. 측정된 전위들에서 구해지는 상기 금속들간의 전위차는 아래의 표 2에 도시된다.
표 1에 도시된 결과치로부터, 금속을 세정하는데 사용되는 기능수를 선택하여, 금속의 표면전위를 시프트시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 표 2에 도시된 결과치들로부터, 금속들의 조합에 따라 기능수를 선택하여 금속들 간의 전위차를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 금속이 세정될 때, 금속이 부식되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 세정장치는, 기능수를 세정수로 선택하여 회로형성금속 및 배리어금속과 같이 상이한 종류의 금속들간의 전위차로 인해 발생할 수 있는 부식을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 낮은 전위를 갖는 알루미늄과 같은 베이스 금속이 기판상에 미세배선을 형성하는데 사용될 수 있으며, 따라서 기판상에 높은 집적회로가 형성될 수 있게 한다.
본 발명에 따르면, 기판상에 형성되어 있는 배선이 부식되는 것을 방지할 수 있는 세정장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 금속배선을 가진 기판을 세정하는 세정장치에 있어서,
    상기 기판을 세정하는 세정기구; 및
    상기 세정기구에 기능수를 공급하기 위한 기능수공급기구를 포함하여 이루어지고,
    상기 세정기구는 상기 기능수를 사용하여 상기 기판의 표면을 세정하는 것을 특징으로 하는 금속배선을 가진 기판을 세정하는 세정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기능수공급기구는 가스-용해수를 상기 기능수로서 생성하는 것을 특징으로 하는 금속배선을 가진 기판을 세정하는 세정장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기능수공급기구는, 전해수를 상기 기능수로서 생성하기 위하여 물을 전기분해하는 물 전기분해장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선을 가진 기판을 세정하는 세정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세정기구는 상기 기판의 표면을 스크럽하기 위하여 세정부재를 가지는기구, 상기 기판의 표면상에서 회전되는 세정부재를 가지는 기구, 상기 기능수에 초음파를 가하기 위한 기구, 상기 기능수내에 캐비테이션을 발생시키기 위한 기구 및 상기 기능수에 캐비테이션을 발생시키며, 상기 기능수에 초음파를 가하는 기구 중의 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속배선을 가진 기판을 세정하는 세정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속배선을 형성하기 위한 금속 또는 합금은 알루미늄, 텅스텐 및 티타늄 질화물 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속배선을 가진 기판을 세정하는 세정장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 기능수는 CO2및 O3중의 하나 이상을 포함하는 가스-용해수를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속배선을 가진 기판을 세정하는 세정장치.
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