KR0156487B1 - 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
건조 에칭에 의해 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 소정의 파장 이상을 갖는 방사는 구리 층 표면 내의 에칭 가스 및 구리를 형성하는 화합물의 탈착(desorption)을 가속하도록 기판 표면에 인가된다. 미세 구리 전도체 패턴은 인가된 방사 및 이온의 선형성에 근거하여 비등방성적으로 형성된다.
Description
본 발명은 LSI(large scale integration, 고밀도 집적 회로) 회로 내의 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이며, 특히 염소를 포함한 가스를 사용한 건식 에칭 공정(dry etching process)에 의해 보다 미세한 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
현재까지는 LSI 회로에서 회로 전도체나 배선을 위해 알루미늄을 사용해 왔다. 그러나, LSI 회로 전도체나 또는 배선이 미세할 수록, 상기 알루미늄은 스트레스 마이그레이션(stress migration) 및 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 대한 내성이 나빠져서 반도체 장치의 신뢰성과 관련한 문제를 노출시킨다. 반도체 장치와 관련된 다른 문제는 반도체 장치는 보다 빠른 속도로 동작함에 반해 반도체 장치의 처리 속도는 회로 전도체 또는 배선에 의해 야기된 지연에 따라 좌우된다는 점이다. 그러므로 ,보다 빠른 속도의 반도체 장치를 실현하기 위해 전기 저항이 더 낮은 재료를 회로 전도체나 배선 재료로 사용할 필요가 있다.
상기 요구 조건에 부합하기 위해서, 다른 반도체 장치용 전도체나 배선 재료로서 구리를 사용하여 왔다. 그러나, 현재 이용 가능한 알루미늄 전도체 패턴을 미세하게 형성하는 건식 에칭 공정을 이용해서 LSI 회로용 구리 전도체 패턴을 미세하게 형성하는 것과 관련해서 단점을 갖는다. 현재의 건식 에칭 공정이 미세 구리 전도체를 생성하는데 사용될 수 없는 이유는 다음과 같다. 즉, 통상적인 건식 에칭 공정에 있어서, 플라즈마에 의해 분리된 할로겐은 에칭되어야 할 기판 표면에 흡수되어, 기판 표면으로부터 쉽게 제거될 수 있는 분자를 형성ㅎ나다. 이온 충돌이 일어나면, 상기 분자들은 기판 표면으로부터 제거되고 그래서 기판을 에칭한다. 이때, 상기 이온이 기판에 수직으로 적용되기 때문에, 에칭 공정은 기판 상의 측벽이 에칭되지 않는 비등방성이 된다. 그러나, 구리 기판이 통상적인 건식 에칭 공정에 의해 에칭 될 때에는, 구리 할로겐 화합물이 상기 구리 기판으로부터 제거되지 않으므로 에칭이 이루어지지 않는다. 이것은 구리 할로겐 화합물의 평형 진공압력(equilibrium vapor pressure)이 알루미늄의 그것보다 낮기 때문이며, 또한 이 온-원조 효과(ion-assisted effct)가 것의 발생하지 않는다. 결과적으로, 기판이 실온에서 Cl2플라즈마에 노출되면, CuCl2층만이 구리 기판 상에 형성되어 에칭이 이루어지지 않는다. 한가지 해결책은 250℃이상으로 구리 기판을 가열하여 구리 할로겐 화합물의 제거를 가속시켜 구리 기판을 에칭하는 것이다.
상기 미세 구리 전도체를 형성하는 통상적인 공정은 건식 에칭 공정에는 적합하지 않은데 왜냐하면 구리 기판을 에칭할 때 포토레지스트는 기판의 높은 온도로 인해 딱딱해질 수 있기 때문에 알루미늄 전도체 또는 배선을 형성하기 위해 현재에 주로 사용되는 상기 포토레지스트가 마스크로 사용될 수 없기 때문이다. 기판 온도가 높기 때문에, 에칭되는 구리 전도체로 염소가 쉽게 열적으로 확산되며 그 결과 많은 염소 분자는 에칭 공정이 이루어진 후 막 기판 위와 막 내에서 존재한다. 상기 막 위와 막내의 염소 분자들은 공기 중의 습기와 반응하고 구리 전도체를 부식시켜 반도체 장치의 신뢰성을 저하시킨다.
현재의 건식 에칭 공정이 미세 구리 전도체를 형성하기 위해 사용되면, 상기 에칭 반응은 이온-원조로 진행되기 보다는 먼저 열적으로 진행한다. 상세히 설명하면, 에칭 동안 구리 기판 상에 생성된 분자는 기판으로부터 열 에너지를 획득함으로써 제거된다. 이온과의 충돌에 의해 흡착 분자를 제거하는데 융용한 이온-원조 효과가 존재하는 경우에는, 이온이 적용되는 영역에서 에칭이 진행되며, 다른 영역에서는 에칭 반응이 발생하지 않는다. 따라서, 인가된 이온의 선형성(linearity)에 의해 생성된 비등방성 특성을 갖춘 미세 전도체 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 기판으로부터 열에너지에 의해 주로 제거되는 분자인 구리를 건식 에칭함에 있어서, 에칭 공정은 측벽에서도 이루어진다. 결론적으로, 등방성적으로 에칭된 구성이 이루어져서, 구리의 건식 에칭에 의해 미세 전도체 또는 배선 패턴을 형성하는데 필요한 비등방성 특성을 얻는 것은 어렵다.
본 발명의 목적은 저온에서 비등방성 에칭 공정으로 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 실현하기 위해, 본발명에 따라 건식 에칭에 의한 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법을 제공하며 상기 방법은 구리 막을 갖춘 기판을 챔버(chamber) 내에 위치시키는 단계와, 에칭 가스를 챔버 내로 도입하는 단계와, 챔버내를 소정의 압력으로 유지하는 단계와, 구리 막의 표면에 있는 구리 막의 구리와 에칭 가스로 형성된 화합물에 의해 흡수될 수 있는 파장을 가진 방사를 구리 막의 에칭 동안 기판 표면에 적용하는 단계 및 구리 막의 건식 에칭을 시작하기 위해 챔버 내에 플라즈마를 발생하는 단계를 구비한다.
구리 할로겐 화합물의 증기압(vapor pressure)은 낮으므로 통상적인 건식 에칭 공정으로 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 것이 어렵다. 기판을 가열함으로써 구리 할로겐 화합물의 제거를 가속시키면, 상기의 문제점이 발생하여 미세 구리 전도체 패턴을 형성하기가 어렵게 된다. 미세 구리 전도체 패턴을 형성하기 위해서는 에칭 생성물(흡수된 분자)에 대해 열에너지와는 다른 에너지를 전달하여 그 제거를 증진시킬 필요가 있다. 본 발명에 따라, 에칭 생성물의 제거를 가속하기 위해 광학적 여기(optical excitation)를 사용한다. 예를 들면, Cl2가 구리 막의 표면에 공급되면, 구리 막의 표면에 CuCl2층이 형성된다. 상기 에칭 속도는 CuCl2층의 표면으로부터 제거 속도에 의해 결정된다. CuCl2분자는 방사를 효과적으로 흡수하는데 상기 방사의 파장은 700nm보다 길며, 특히 800 내지 900nm 범위이다. 이러한 방사가 흡수되면, CuCl2분자와 표면 사이의 안정 결합을 형성하도록 기여하는 Cu의 3d 궤도 내의 전자가 여기 된다. 결과적으로 방사가 인가되는 마스크 되지 않은(unmasked) 표면 영역에서, 흡착된 조각(absorbed species)은 여기되고 쉽게 흡착됨에 따라 상기 구리 막은 통상적인 건식 에칭 공정 보다 낮은 온도에서 에칭될 수 있다. 방사 및 이온이 선형이므로, 에칭된 구성이 비등방성이 된다.
흡착된 분자의 제거를 촉진하기 위해서, 인가된 방사의 강도를 증가시킬 필요가 있다. 인가된 방사의 일부는 열에너지로 변환되며, 기판을 가열한다. 인가된 방사 효과를 효과적으로 사용하기 위해서, 기판을 냉각시킬 필요가 있다. 충분한 방사 강도가 장치 제한(apparatus limitations) 때문에 이용 불가능한 경우에는 제한적 여기 효과의 부족을 보충하기 위해 기판을 가열할 필요가 있다. 그러므로, 우수한 제어성(controllability)을 갖춘 미세 구리 전도체 패턴을 형성하기 위해 방사의 적용에 부가해서 기판 온도를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특성 및 장점은 본 발명의 양호한 실시예를 설명하는 첨부 도면과 결부시킴으로써 명백하게 된다.
제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법을 수행하는 장치는 평행판 RIE(parallel-plate reactive ion etching) 장치 형태로 된다. 상기 장치는 진공 펌프(21)에 의해 진공 상태가 될 수 있으며 기판(12)을 지지하는 챔버(11)와, 고주파수 전원 공급(10)과 챔버(11)내에 플라즈마를 생성하기 위한 상위 및 하위 전극(13,14)과, 상기 챔버(11)로 에칭 가스로 삽입하기 위한 가스 삽입 포토(gas inlet port)(17), 및 석영 윈도우(16)를 통과하는 상기 챔버(11)내의 기판(12)에 적외선 방사를 공급하는 적외선 램프(15)를 구비한다. 가스 삽입 포트(17)에 질량 유량계(mass flowmeter, 18) 및 에칭 가스의 공급과 차단을 제어하는 밸브(19)에 연결되어 있다. 가스 삽입 포트(17)로부터 챔버(11)내로 유입되는 에칭 가스의 압력은 진공 펌프(21)에 연결된 압력 조절 가변 밸브(20)에 의해 일정한 레벨을 유지한다.
제2도는 미세 구리 전도체 패턴을 형성하기 위해 기판(12)을 처리함으로써 수행되는 기판 구조의 단면도이다. 제2도에 도시된 바와 같이, 두께가 100nm인 실리콘 산화물 막(23)이 제1도에 도시된 기판(12)에 해당하는 실리콘 기판(22)상에 열 산화에 의해 기저층(base layer)으로서 형성된다. 구리는 실리콘 산화 막으로 쉽게 확산될 수 있어서 반도체 장치의 특성을 저하시키는 것으로 알여져 있다. 그러므로, 스퍼터링(sputtering)법을 이용해서 실리콘 산화막(23)상에 100nm 두께로 TiN 층(24)을 장벽 금속으로서 증착시킨다. 그후, 상기 TiN 층(24) 위에 구리 막(25)을 500nm 두께로 전도체 물질로써 증착시킨다. 마스크에 대한 접착력을 증가시키고, 또한 구리막(25)이 침식되는 것을 막기 위해서, 스퍼터링법을 이용해서 구미 막(25)상에 50nm 두께로 TiN층(26)을 증착시키며, 그런 다음 CVD(화학 진공 증착, chemical vapor deposition)를 이용해서 TiN 층(26)상에 실리콘 산화막(27)을 300nm 두께로 두꺼운 마스크로서 증착시킨다. 그 후, 실리콘 산화막(27)상에 스핀 코팅된(spin-coated) 포토레지스트를 노출시키고 에칭하여 0.45 마이크론의 최소 전도체 두께를 갖는 전도체 패턴을 형성한다. 결과적으로 상기 포토레지스트를 마스크로서 사용해서 실리콘 산화막(27)을 건식 에칭을 이용해서 제거하고 이에 의해 상기 전도체 패턴을 갖춘 두꺼운 마스크가 형성된다.
미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법과 같은 제1도에 도시된 장치의 동작을 이후에 기술한다.
상기 기판(12)은 챔버(11)내에 위치되며, 상기 챔버는 진공 펌프(20)에 의해 진공 상태가 된다. 그후, Cl2가스가 가스 삽입 포트(17)를 통해 챔버(11)내로 삽입된다. 가변 압력-조절 밸브(20) 및 진공 펌프(21)를 이용해서 챔버(11)내의 압력을 약 3Pa로 유지한다. 적외선 램브(15)가 에너지화되어 기판(12)의 표면에 적외선 방사를 석영 윈도우(16)를 통해 인가한다. 고주파수 전원 공급 장치(10)가 턴온되어 전극(13,14) 사이에 Cl2플라즈마가 생성되고 이에 의해 기판(12)이 에칭되기 시작한다. 이때, 기판(12) 표면은 150℃의 온도로 유지된다. 기판(12)이 약 2분 동안 에칭된 후에, 고-주파수 전원 공급 장치(10)는 턴 오프 되며, 적외선 램프(15)는 비 에너지 화되어, Cl2가스의 공급이 중지된다. 기판(12) 온도가 실내 온도로 떨어진 후에, 기판(12)을 그 구성 평가를 하기 위해 챔버(11)로 부터 꺼낸다.
본 실시예에 따라 딱딱한 마스크 아래의 구리는 에칭되지 않은 한편, 다른 영역은 비등방성에 의해 제거된다. 결과적으로, 0.45 마이크론의 폭을 각각 가진 미세 구리 전도체가 기판(12)상에 형성된다. 위에서 언급한 0.45 마이크론 폭의 최소 전도체는 두꺼운 마스크의 치수에 의해 결정된다. 보다 작은 전도체 폭을 갖춘 두꺼운 마스크가 사용되면, 보다 미세한 구리 전도체가 생성될 수 있다.
형성된 미세 구리 전도체는 약 24 시간 동안 대기 중에서 유지되지만, 전도체 부식은 발생하지 않는다. 이것은 에칭 공정 동안 구리막에서 확산된 염소 양이 저온에서 처리된 구리만큼이나 낮기 때문이다.
상기 실시에에서, 적외선 램프는 광원으로 사용된다. 그러나, 방출된 광이 에칭 공정 동안 구리 표면에서 생성된 CuCl2에 의해 흡수되는 파장을 갖는 한 임의의 여러가지 다른 광원이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 파장을 갖는 광을 방출하기 위해서 또는 대역 필터를 통해 백색 광원을 통과함으로써 생성될 수 있는 상기 파장을 갖는 광을 방출하기 위해 다른 광원이 사용될 수 있다.
제3도는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세 구리 전도체 패턴을 형성하기 위한 방법을 수행하는 장치를 도시하고 있다. 제3도에 도시된 장치는 저위전극(14)이 기판(12)의 온도를 변화시키는 기판 가열/냉각 메카니즘(30)을 갖춘 것을 제외하고는 제1도에 도시된 장치와 동일하다. 기판 가열/냉각 메카니즘(30)은 기판(12)의 온도를 제어하는 기판 온도 제어기(32)에 열전쌍(thermocouple)(31)을 통해 전기적으로 접속된다.
기판 가열/냉각 메카니즘(30)은 상기 기판(12)의 온도가 제어되지 않았다면 상기 기판(12)이 적외선 방지를 적용함에 따라 250℃로 가열될 수 있는 조건하에서 기판(12)을 150°이하로 냉각시킨다. 다른 에칭 조건 및 단계는 상기 제1실시예와 동일하다. 결론적으로, 상기 에칭 속도는 인가된 적외선 방사 강도가 보다 낮은 제1실시예에 따른 방법보다 약 1.5 배정도 빠르다.
기판(12)이 제2실시예에 따라 냉각되는 동안, 충분한 적외선 방사 강도가 장치 제한 때문에 이용할 수 없는 경우에는, 상기 공정에 따라 허용된 범위 내에서 기판(12)을 가열함으로써 동일한 이점이 얻어질 수 있다.
본 발명의 원리에 따라, 통상의 에칭 공정에 따른 250℃보다 낮은 온도에서 제거되지 않는 에칭 생성물의 제거가 가속되며, 그래서 통상의 에칭 공정보다 낮은 온도에서 기판이 에칭될 수 있다. 적외선 방사 및 이온의 비등방성에 의거해서, 마스크된 구리 영역은 에칭되지 않지만 노출된 구리 영역은 에칭되는 비등방성 속성을 갖는 그러한 구림가을 처리하는 것이 가능하다. 결론적으로, 1 마이크론 이하의 전도체 폭을 갖는 각 미세 구리 전도체 패턴이 충분한 비등방성을 갖는 저온에서 형성될 수 있다. 또한, 적외선 방사의 적용과 동시에 기판 온도를 제어함으로써 보다 우수한 제어성으로 미세 구리 전도체 패턴을 처리할 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예가 특정한 용어를 사용하여 위에서 서술된 목적만을 위해 설명하였으나, 후술하는 청구 범위의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 변형 및 수정이 이루어질 수 있다.
제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도.
제2도는 본 발명의 제1실시예에 따른 방법에 사용되는 기판 구조의 단면도.
제3도는 본 발명의 제2실시예에 따른 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 챔버 12 : 기판
15 : 적외선 램프 21 : 진공 펌프
Claims (4)
- 건식 에칭에 의해 미세 구리 전도체 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 구리막을 갖는 기판을 챔버 내에 위치시키는 단계와, 상기 챔버 내로 에칭 가스를 도입하는 단계와, 상기 챔버 내를 소정의 압력으로 유지하는 단계와, 상기 구리막의 건식 에칭 동안 구리막의 표면 내에 있는 구리막의 구리 및 에칭 가스로 형성되는 화합물에 의해 흡수될 수 있는 파장을 갖는 방사를 상기 기판 표면에 적용하는 단계, 및 상기 구리막의 건식 에칭을 시작하기 위해 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생하는 단계를 구비하는 미세 구리 전도체 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 에칭 가스는 염소를 함유한 가스를 구비하는 미세 구리 전도체 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 방사를 적용하는 상기 단계는 700 내지 900nm의 파장을 갖춘 방사를 적용하는 단계를 구비하는 미세 구리 전도체 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판 온도를 소정의 온도에서 제어하는 단계를 더 구비하는 미세 구리 전도체 패턴 형성 방법.
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