KR20070091396A - 반도체 소자의 패턴 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 패턴 형성 방법 Download PDF

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윤효섭
김우진
문옥민
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Abstract

반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제시한다. 본 발명에 따르면, 반도체 기판 상에 하드 마스크로 폴리 실리콘 패턴을 형성하고, 폴리 실리콘 패턴 표면을 불산(HF)을 포함하는 세정액으로 세정한 후, 세정된 폴리 실리콘 패턴 표면을 오존을 함유하는 순수를 이용하여 린스(rinse)한다.
폴리 실리콘 하드 마스크, 물반점, 오존수, 소수성, 친수성

Description

반도체 소자의 패턴 형성 방법{Method for forming patterns of semiconductor device}
도 1 및 도 2는 종래의 폴리 실리콘층을 이용한 패턴 형성 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폴리 실리콘층을 이용한 패턴 형성 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히, 폴리 실리콘층(poly-silicon layer)을 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 나노(nano) 급 이하로 축소됨에 따라, 소자 패턴의 형성하는 과정에 포토레지스트(photoresist)에 비해 단단한 하드 마스크(hard mask)가 도입되고 있다. 예컨대, 질화물(nitride)의 하드 마스크를 식각에 대한 장벽(barrier)으로 이용하여 식각 대상층의 선택적 식각, 즉, 패터닝을 진행하고 있다.
그런데, 소자의 디자인 룰이 보다 더 작아짐에 따라, 패터닝 과정에서의 공 정 마진(margin)을 확보하기 위해서, 질화물 하드 마스크 보다 단단한 재질의 하드 마스크, 예컨대, 폴리실리콘층을 하드 마스크로 이용하고자하는 시도가 이루어지고 있다.
폴리실리콘 하드 마스크를 도입할 경우 보다 좁은 선폭의 패턴을 구현하는 데 실리콘 질화물 하드 마스크에 비해 상대적으로 유리한 것으로 평가되고 있다. 그럼에도 불구하고, 폴리실리콘층은 패터닝을 위한 식각 공정 후 수반되는 세정 공정에서의 취약한 표면 특성을 나타내는 것으로 평가되고 있다. 예컨대, 폴리실리콘층의 표면에 물반점(water mark)이 형성되는 불량이 발생되고 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 폴리실리콘층을 이용한 패턴 형성 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 패터닝 과정이 수행될 대상층(20)을 형성하고, 대상층(20) 상에 하드 마스크를 위한 폴리실리콘층을 형성한다. 폴리실리콘층 상에 포토리소그래피(photo lithography) 과정을 수행하여, 포토레지스트 패턴(도시되지 않음)을 형성한다.
포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 폴리실리콘층을 선택적으로 식각하는 패터닝 과정을 수행하여 폴리실리콘 패턴(30)을 형성한다. 이후에, 폴리실리콘 패턴(30)에 의해 선폭(CD: Critical Dimension)을 유지하며 하부의 대상층(20), 예컨대, 실리콘 산화물층을 선택적으로 건식 또는 습식 식각하여 대상층(20)의 패턴을 형성한다.
이후에, 포토레지스트 패턴을 제거하고 결과물 상을 세정하는 과정을 수행한 다. 이러한 세정 과정은 불산(HF)을 포함하는 세정액, 예컨대, 버퍼 산화물 식각액(BOE: Buffered Oxide Etchant) 또는 희석 불산 용액을 이용하는 세정 과정으로 수행될 수 있다. 세정 이후에 탈이온수(DI water 또는 순수)를 이용하여 세정 결과물을 린스(rinse)하고 건조한다.
그런데, 폴리실리콘 하드 마스크(30)의 표면은 소수성 특질을 나타내고 있으므로, 순수의 린스 및 건조 이후에 표면에 물반점(40)과 같은 불량이 발생될 수 있다. 이러한 물반점(40)은 실리콘 산화물(SiOx) 계열의 물질이 잔류하는 원인으로 이해될 수 있다.
도 2를 참조하면, 물반점(40)이 발생된 경우에 폴리실리콘 패턴(30)을 선택적으로 제거하는 공정을 수행하면, 물반점(40)에 따른 결함(35)이 대상층(20) 패턴 표면에 잔류되게 된다. 이는 폴리 실리콘과 물반점(40)의 실리콘 산화물의 식각 선택비 차이에 의해서, 물반점(40)의 프로파일(profile)이 그대로 전사되어 결함(35)이 발생되는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 하드 마스크(30)의 제거를 위한 식각 공정에 불량을 야기하는 요인으로 물반점(40)은 작용할 수 있다.
이러한 물반점(40)에 따른 결함(35)은 대상층(20) 패턴 상에 증착되는 막질(도시되지 않음)의 증착 시 증착 불량을 야기하는 요인으로 작용할 수 있다. 또한, 후속 포토 과정 등에 노광 불량 또는 포커스(focus) 불량을 야기하는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 이러한 물반점(40)에 따른 불량 발생을 방지하기 위한 방법의 개발 이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 폴리실리콘층 표면에 물반점이 잔류하는 것을 방지할 수 있는 폴리실리콘층을 이용한 패턴 형성 방법을 제시하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 반도체 기판 상에 폴리 실리콘 패턴을 형성하는 단계, 상기 폴리 실리콘 패턴 표면을 불산(HF)을 포함하는 세정액으로 세정하는 단계, 및 상기 세정된 폴리 실리콘 패턴 표면을 오존을 함유하는 순수를 이용하여 린스(rinse)하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제시한다.
상기 린스는 대략 18 내지 35℃ 온도의 상기 오존을 함유하는 순수를 이용할 수 있다.
상기 린스는 많아야 70ppm의 오존이 용존된 상기 오존을 함유하는 순수를 이용할 수 있다.
상기 폴리 실리콘 패턴은 패터닝을 위한 하드 마스크(hard mask)로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 폴리 실리콘층의 표면에 물반점이 발생되는 것을 방지하는 표면 세정 방법을 제시할 수 있다. 이에 따라, 폴리 실리콘층을 하드 마스크로 이용하여 보다 미세한 선폭의 패턴을 형성할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는, 폴리 실리콘층 표면을 세정, 린스 및 건조할 때 표면에 물반점이 발생되는 것을 효과적으로 방지하기 위해서, 순수를 이용한 린스 과정을 배제하고 오존수와 같은 기능수를 이용한 린스 과정을 도입한다. 오존수(O3-UPW)는 오존(O3)을 포함하는 초순수(Ultra Purified Water)를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 오존수를 이용하여 폴리 실리콘층의 표면을 린스할 경우, 소수성 특성의 폴리 실리콘층 표면은 친수성(hydrophilic) 특성으로 개질되게 된다. 이에 따라, 물반점의 발생을 효과적으로 배제할 수 있다.
패터닝 과정에 따라 노출되는 폴리 실리콘층 표면 또는 폴리 실리콘층 표면을 포함하는 패터닝 결과물을 세정하는 과정은, 배치식(batch type) 또는 매엽식(single type) 습식 세정으로 수행될 수 있다. 이때, 다양한 세정액이 이용될 수 있으며, 여러 서로 다른 세정액들을 이용한 다단계 세정이 도입될 수 있다.
폴리 실리콘층 표면을 SPM(H2SO4: H2O2: H2O), SC1, SC2 등을 이용하여 세정할 경우, 세정액 내에 함유된 과산화수소(H2O2)에 의해 폴리 실리콘층 표면에 산화물층이 유발되게 된다. 이에 따라 폴리 실리콘층 표면의 친수성 상태로 변경될 수 있 다. 그런데, BOE 또는 희석 HF 용액을 이용하는 세정의 경우, HF의 산화물 식각 작용에 의해서 폴리 실리콘층 표면의 자연 산화물층(native oxide layer)은 모두 제거되게 되어, 폴리 실리콘층 표면은 소수성 상태가 유지된다. HF 세정된 폴리 실리콘층 표면에 순수를 이용한 린스를 후속 수행할 경우 물반점이 발생되게 된다.
본 발명의 실시예에서는 오존수를 이용한 린스 과정을 도입하여 폴리 실리콘층 표면 특질을 친수성으로 개질함으로써, 폴리 실리콘층 표면에 물반점의 발생을 억제 또는 최소화함으로써 결함 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 폴리 실리콘층을 포함하는 하드 마스크 제거 시 물반점에 따른 결함에 의한 토폴로지(topology) 불량 등이 방지될 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폴리실리콘층을 이용한 패턴 형성 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 패터닝 과정이 수행될 대상층(200), 예컨대, 실리콘 산화물층을 형성한다. 이후에, 대상층(200) 상에 하드 마스크 형성을 위한 폴리실리콘층(300)을 형성한다.
도 4를 참조하면, 폴리실리콘층(300) 상에 포토리소그래피 과정을 수행하여, 포토레지스트 패턴(400)을 형성한다. 포토레지스트 패턴(400)은 폴리실리콘층(300)을 하드 마스크(400)로 패터닝하기 위한 식각 마스크로 이해될 수 있다.
이후에, 포토레지스트 패턴(400)을 식각 마스크로 이용하여 폴리실리콘층(300)을 선택적으로 건식 식각하는 패터닝 과정을 수행하여 하드 마스크(301)를 형성한다. 이후에, 하드 마스크(301)에 의해 선폭(CD) 프로파일을 유지하며 하부의 대상층(200)을 선택적으로 건식 또는 습식 식각하여 대상층 패턴(201)을 형성한다. 이러한 대상층 패턴(201)은 콘택홀(contact hole)이 하드 마스크(301)에 의해 형성된 절연층 패턴으로 이해될 수 있다.
도 5를 참조하면, 잔류하는 포토레지스트 패턴(400)을 애슁(ashing) 및 스트립(strip) 등으로 선택적으로 제거하고 결과물 상을 세정한다. 이러한 세정 과정은 불산(HF)을 포함하는 세정액, 예컨대, 버퍼 산화물 식각액(BOE) 또는 희석 불산 용액을 이용하는 세정 과정으로 수행될 수 있다. 예컨대, LAL 15, LAL 400, LAL 800, LAL 1200) 등의 세정액을 이용한 세정을 수행한다.
이러한 HF 세정 이후에 잉여 오존을 함유하는 초순수, 즉, 오존수를 이용하여 세정 결과물을 린스하고 건조한다. 이러한 린스에 의해 하드 마스크(301)의 폴리 실리콘층 표면에 자연 산화물층 수준의 산화물층(500)이 생성된다. 이러한 산화물층(500)에 의해서 하드 마스크(301)의 폴리 실리콘층 표면 특질이 소수성에서 친수성으로 개질되게 된다. 따라서, 하드 마스크(301) 표면에 물반점의 발생이 억제되게 된다.
오존수는 양극쪽에서 발생되는 오존 가스를 순수에 주입시키는 방식, 예컨대, 전기 분해 방식으로 제조될 수 있다. 또는 오존수는 산소 방전에 의해서 발생된 오존 가스를 순수에 주입시키는 방식, 예컨대, 방전(discharge) 방식으로 제조될 수 있다. 또는, 오존 가스를 순수에 직접 주입하는 방식인 직접(direct) 방식으로 제조될 수 있다. 이러한 오존수는 대략 70ppm 이하의 오존이 용존된 순수로 이해될 수 있다.
한편, 오존수를 이용한 린스는 대략 10분 이하 시간 동안 배치식 또는 매엽식 장비에서 수행될 수 있다. 매엽식의 경우 대략 3분 이내의 시간 동안 수행될 수 있다. 한편, 오존수의 온도는 대략 18 내지 35℃ 정도인 것이 바람직하다. 이는 오존수에 의한 린스 시 과다한 산화물층(500)의 생성은 후속 폴리 실리콘층의 하드 마스크(301)를 제거하는 과정을 고려할 때 바람직하지 않기 때문이다.
도 6을 참조하면, 하드 마스크(301)를 건식 식각 등을 이용하여 선택적으로 제거한다. 이에 따라, 콘택홀(205)과 같은 선폭 프로파일을 가지는 대상층 패턴(201), 예컨대, 층간 절연층 패턴이 형성된다.
한편, 본 발명의 실시예는 폴리 실리콘층 자체를 패터닝하는 과정에도 적용될 수 있다. 예컨대, 폴리 실리콘층을 증착하고, 이를 패터닝하는 과정 이후에 수행되는 세정 후 린스 과정에 오존수를 이용한 린스를 도입함으로써, 폴리 실리콘층 패턴 표면에 물반점과 같은 결함 발생을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, 세정 후 오존수 린스 과정을 도입함으로써, 폴리 실리콘층 표면에 자연 산화물층의 성장을 유도할 수 있다. 이에 따라, 폴리 실리콘층 표면의 특질을 친수성으로 개질할 수 있어, 물반점 또는/ 및 결함 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 폴리 실리콘층의 패턴을 하드 마스크로 이용하는 것이 가능하다. 이에 따라 미세한 선폭을 요구하는 콘택홀 형성 불량률을 크게 개선할 수 있다. 또한, 물반점에 따른 부대 효과, 예컨대, 패터닝 불량, 막질 증착 불량, 마스크 불량, 디포커스(defocus) 불량 등을 개선할 수 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판 상에 폴리 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 폴리 실리콘 패턴 표면을 불산(HF)을 포함하는 세정액으로 세정하는 단계; 및
    상기 세정된 폴리 실리콘 패턴 표면을 오존을 함유하는 순수를 이용하여 린스(rinse)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 린스는 대략 18 내지 35℃ 온도의 상기 오존을 함유하는 순수를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 린스는 많아야 70ppm의 오존이 용존된 상기 오존을 함유하는 순수를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리 실리콘 패턴은 패터닝을 위한 하드 마스크(hard mask)로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
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