KR100444308B1 - 반도체 소자의 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 금속 캐패시터 (capacitor) 제조 시에 하부 전극 물질로 증착되는 루테늄 (Ruthenium; Ru) 층에 대한 식각 (etching)용 용액 및 화학적 기계적 연마 (Chemical mechanical process; 이하“CMP”라 칭함)용 용액을 제공하여 반도체 소자를 형성하는 방법에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 용액을 이용하여 CMP를 실시하면 반도체 공정 상의 단차 제거 및 소자 분리 (isolation) 공정에 대한 기술 진보를 가져올 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 금속 캐패시터 (capacitor) 제조 시에 하부 전극 물질로 증착되는 루테늄 (Ruthenium; 이하“Ru”이라 칭함) 층에 대한 식각 (etching)용 용액 및 화학적 기계적 연마 (Chemical mechanical process; 이하“CMP”라 칭함)용 용액을 제공하여 반도체 소자를 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근 DRAM 소자 내에서 금속층-유전막 (inslutor)-금속층 캐패시터에 대한 전극 물질로 각광받고 있는 루테늄은 화학적 및 기계적으로 안정한 귀금속 (noble metal)물질이면서, 고성능 반도체 소자를 제조하는데 필수적인 물질로, 유전막에 증착되어 하부 전극으로 사용되고 있다.
그러나, 상기 Ru층은 화학적 반응이 낮기 때문에, 식각하는 경우나 CMP 공정을 실시하는 경우 적절하게 사용할 수 있는 슬러리가 없어서, 텅스텐용 슬러리나 알루미늄용 슬러리와 같은 금속용 슬러리를 대신 사용하여 CMP 공정을 실시해 왔다.
또한, 상기 Ru층은 연마 속도가 매우 작기 때문에, 높은 연마 압력을 가하면서 장시간 연마해야 하는 단점이 있다.
상기 Ru층을 연마할 때 사용하는 텅스텐용 슬러리나 알루미늄용 슬러리는 실리콘 기판 위에 생기는 각종 절연막을 평평하게 형성하기 위하여 이용하는 약품으로서, 일반적으로 i) 주 식각 용액으로서, pH 2∼4 가량의 강산 용액과, ii) 산화제로서, 과산화수소 (H2O2) 및 Fe(NO3)2,및 iii) 연마제 (abrasive)로서 알루미나 (Al2O3), 산화망간 (MnO2)등을 포함하는 조성물이며, CMP 특성을 향상하기 위하여 계면 활성제 (surfactant)를 소량 첨가하기도 한다.
그러나, Ru층에 대하여 장시간의 연마 공정을 진행하는 경우, 상기 텅스텐 용이나 알루미늄용 슬러리에 포함된 연마제로 인하여, Ru층 하부에 있던 산화막이 심하게 긁히는 경우 (scratch)나 슬러리 찌꺼기 같은 불순물이 잔존하는 문제점이 발생한다.
또한, Ru층은 산화막과의 부착력 (adhesion)이 불량하므로 높은 연마 압력 하에서 장시간 연마하면 산화막으로부터 Ru층이 떨어져 나가는 현상이 발생하거나, 산화막과 인접한 Ru층에서 심한 디싱 (dishing)과 에로존 (erosion) 현상이 발생하게 되어 소자의 특성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기 종래의 Ru층을 연마 시에 발생하는 문제점을 해결하기 위한 CMP 방법을 제공하여 반도체 공정 상의 단자 제거 및 소자 분리 공정에 대한 신뢰성을 향상 시키는 것을 목적으로 한다.
도 1은 패드 CMP 실시 전 단면 사진.
도 2는 본 발명의 용액을 이용한 루테늄 (Ru) 에칭 후 표면 사진.
도 3은 본 발명의 패드 CMP 실시 후 단면 사진
상기 목적을 위한 본 발명에서는 전극 물질로 사용하는 Ru층을 연마하기 위하여 식각용 용액 및 연마 공정에 사용하는 용액을 제공한다.
먼저, 본 발명에서는 연마제 없이, 분산액으로 종래의 과산화수소, Fe(NO3)2또는 페리오딕 산 (H5IO6) 대신에 질산을 사용하고, 산화제를 포함하는 Ru CMP용 슬러리 조성물을 제공한다.
이때, 상기 질산을 슬러리 조성물의 농도가 0.01∼10M이 되도록 포함하여, 용액의 pH가 1∼3이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산화제는 Ru에서 전자를 빼내 산화시키는 물질로 세릭 암모늄 나이트레이트 (Ceric ammonium nitrate; [(NH4)2Ce(NO3)6])를 사용하는데, 이때, 상기 산화제는 상기 질산 수용액의 농도가 0.01∼10M이 되도록 포함한다.
상기 산화제는 질산 이외의 다른 산에서는 안정하게 용해되지 않으며, 쉽게 분해되어 버리는 성질이 있다. 또한, 질산을 슬러리 조성물의 농도가 0.01∼10 M 이하가 되도록 포함하면 상기 산화제가 분해되어 산화제의 역할을 하지 못하므로, 패턴 웨이퍼의 연마 특성을 높이기 위하여 상기 범위로 질산 및 산화제를 유지하여 본 발명의 용액의 안정성 및 취급 용이성을 확보한다.
이와 같이 상기 용액은 pH 1∼3 의 강한 산성으로, Ru층의 표면의 부식 속도 및 용해 속도를 증가시키고, Ru층의 원자간 결합력과 치밀도를 저하시키는 화학적 변화를 일으켜, CMP 공정에서 Ru층이 쉽게 연마될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에서는 CMP 공정 시에 연마제가 포함된 슬러리를 사용하지 않고 패드 (pad) 마찰 만으로 연마하여 반도체 소자를 형성한다.
이하, 본 발명에 따른 Ru CMP용 용액을 제조하는 방법은 다음과 같다.
증류수를 교반하면서 질산을 0.01∼10M이 되도록 첨가한 다음, 상기 질산 수용액 내에 상기 세릭 암모늄 나이트레이트를 농도가 0.01∼10M이 되도록 첨가한다. 혼합물이 완전히 혼합되면서 안정화될 때까지 약 30분 동안 더 교반하여 본 발명의 용액을 제조한다.
또한, 본 발명에서는 연마제를 포함하는 슬러리 대신 질산 및 세릭 암모늄 나이트레이트를 포함하는 Ru CMP용 용액을 이용하여
(a) 반도체 기판 상에 금속 콘택홀을 구비한 층간 절연막을 형성하는 단계;
(b) 상기 결과물 상에 Ru층을 증착하는 단계; 및
(c) 제 1항 기재의 Ru용 슬러리를 사용하여 상기 결과물 전면에 대해 상기 층간 절연막을 식각 정지막으로 하는 CMP 공정을 실시하여, Ru 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 금속 패턴 형성 방법을 제공한다.
상기 (a) 단계 후에는 결과물 전면에 금속막을 적층하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 (c) 단계는 상기 금속막 상부에 Ru층을 형성한 후 (도 1 참조), 배리어 산화막이 노출될 때까지 본 발명의 Ru용 CMP 용액을 이용하여 Ru층을 연마하는데 (도 2 참조), 이때, 연마 속도와 절연막과의 패턴 웨이퍼의 연마 특성을 고려하여 연마 압력을 1∼3 psi로 하고, 회전형 장비의 테이블 회전수를 10∼80 rpm으로, 선형식 장비의 경우 테이블 이동 속도를 100∼600 fpm 의 조건에서 1차 CMP 공정을 진행한다 (도 3 참조). 이 경우 하부 전극으로 Ru층이 증착된 캐패시터는 CMP 장비의 회전 테이블에 형성된 연마 패드에 가압 접착 되는데, 이때 연마 패드는 연마되는 (application) 층, 즉, 본 발명의 Ru층을 연마하는 특성에 따라 다른 성질의 패드를 사용한다. 예를 들어 연마되는 층의 균일도 (uniformity)를 높이고자 할 때는 소프트 (soft) 패드를, 평면화도 (planarity) 를 높이고자 할 때는 하드 (hard) 패드를 사용하며, 또는 두 가지 가 적층된 (stack) 패드를 사용하거나, 이 들을 함께 사용하기도 한다.
또한, 금속막 (barrier metal)용 슬러리를 이용하는 2차 CMP 단계를 진행한다.
또한, 상기 패드를 사용하여 부분적으로 증착되어 있는 Ru층을 연마할 때, 디싱 (dishing) 현상이 발생되므로, 산화막이 노출되는 시점에서 산화막용 슬러리를 이용하여 완충 (buffering)단계로 상기 결과물 전면에 추가적으로 약한 연마공정 (touch polishing)을 수행하여 Ru 패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 (c) 단계 후에 금속막용 슬러리를 이용하는 CMP 공정을 수행하여 하부 전극 패턴인 배리어 금속 패턴을 형성하는 단계를 더 포함한다.
통상, 금속막용 CMP 슬러리와 산화막용 CMP 슬러리의 조성물은 연마제로 산화 세슘 (CeO2), 산화망간 (MnO2), 지르코니아 (ZrO2), 알루미나 (Al2O3) 또는 실리카 (SiO2) 중 하나 이상을 포함하고, 산성이나 염기성을 가지도록 불산 (HF) 및 인산 (H2PO4) 또는 암모늄을 포함한 것을 사용한다.
즉, 본 발명에서는 Ru층 하부에 TiN 등의 금속막이 존재하는 경우 2 단계로 일반적인 금속용 슬러리를 적용하여 하부 금속막을 제거한다. 즉, 1 단계로 Ru용 슬러리를 사용하여 Ru층을 CMP 하고, 2 단계로 TiN등의 금속막용 슬러리로 CMP 공정을 진행한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 용액을 Ru층의 화학적 기계적 연마 공정 시에 사용함으로써, Ru층을 연마하여 반도체 공정 상의 단자 제거 및 소자 분리 (isolation) 공정에 대한 기술 진보를 가져올 수 있다.
Claims (10)
- 조성물 내에 연마제를 포함하지 않으면서, 슬러리 조성물에서의 농도가 0.01∼10M이 되도록 질산을 포함하고, 상기 질산 수용액에서 산화제를 0.01∼10M이 되도록 첨가한 pH 1∼3의 슬러리인 것을 특징으로 하는 Ru용 CMP 슬러리 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 산화제는 세릭 암모늄 나이트레이트 [(NH4)2Ce(NO3)6]인 것을 특징으로 하는 Ru용 CMP 슬러리 조성물.
- 삭제
- (a) 반도체 기판 상에 금속 콘택홀을 구비한 층간 절연막을 형성하는 단계;(b) 상기 층간 절연막 상에 Ru층을 증착하는 단계; 및(c) 제 1항 기재의 Ru용 슬러리를 사용하여 상기 층간 절연막을 식각 정지막으로 층간 절연막이 노출될 때까지 CMP 공정을 실시함으로써 Ru 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 (c) 단계의 CMP 공정 이후에 산화막용 슬러리를 이용하여 상기 노출된 층간 절연막 전면에 2차 CMP를 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성 방법.
- (a) 반도체 기판 상에 금속 콘택홀을 구비한 층간 절연막을 형성하는 단계;(b) 상기 층간 절연막 상에 금속막(barrier metal)을 적층하는 단계;(c) 상기 금속막 상에 Ru층을 증착하는 단계;(d) 제 1항 기재의 Ru용 슬러리를 사용하여 상기 금속막을 식각 정지막으로 금속막이 노출될 때까지 CMP 공정을 실시하는 단계; 및(e) 상기 노출된 금속막에 대해 금속막용 슬러리를 이용하여 층간절연막이 노출될 때까지 CMP 공정을 실시하여 금속막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 (e) 단계의 CMP 공정 이후에 산화막용 슬러리를 이용하여 상기 노출된 층간 절연막 전면에 3차 CMP를 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 금속 패턴은 하부 전극 패턴인 것을 특징으로 하는 금속 패턴 형성 방법.
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