KR100221992B1 - 할로겐화합물을 사용하는 구리 식각 프로세스 - Google Patents
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Abstract
집적 회로 제조에 사용될 수 있는 구리층(10,11)을 식각하기 위한 식각 프로세스에 있어서, 구리층(10,11)과 반응하기 위해 할로겐화합물을 이용하고, 고강도 자외선의 광여기 및 광조사의 도움을 적절히 이용하여 휘발성이거나 용해되어 쉽게 제거되는 생성물을 생성하기 위한 프로세스이다. 이 프로세스는 비등방적이다.
Description
제1도는 본 발명에 따른 프로세스에 사용되는 반응 챔버(reaction chamber)의 실시예의 개략도.
제2a도 및 제2b도는 본 발명에 따른 식각 프로세스의 두단계 동안 전자 현미경에 의한 반도체 웨이퍼의 측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4 : 자외선원 10 : 구리금속층
5 : 고강도 자외선 10a : 티타늄 텅스텐 장벽
6 : 밀봉 챔버 11 : 패턴된 마스크
7 : 투명창 12 : 입구부
8 : 기판 홀더 13 : 밸브
9 : 기판 9a : 실리콘 이산화층
본 발명은 구리 층을 식각하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 인쇄회로 제조시에 사용되는 제2 물질을 층을 덮고 있는 구리층, 및 광형성(photo-formed)과 광활성화(photo-activated) 할로겐 기(halogen radical)에 의한 인쇄회로 제조시 및 집적회로 금속층들에 사용되는 시드(seed) 구리층들의 식각 방법 및 장치에 관한 것이다.
비교적 두꺼운 구리층이나 보다 얇은 시드 구리층을 패터닝(patterning) 하는 것은 인쇄회로 제조기술에 필요 요소였다. 최근의 인쇄회로 제조 기술에서는 얇은 구리 층을 패터닝 하는 것이 필요하다. 부분적으로 알루미늄이 여러 가지 기술들에 쉽게 패터닝된다는 것으로 알려졌기 때문에, 집적 회로들의 능동 소자들을 사이에 그리고 상기 소자들의 교차하는 도선을 형성하는 집적 회로 기술에 알루미늄이 널리 흔하게 사용되어 왔다. 하지만 "구리에 대한 확산 장벽 연구(Diffusion Barrier Studies for Cu)" 1986 IEEE V-MIC Conference, 9-10, 1986년 6월 페이지 181-187 에서 휴(Hu) 등에 의해 논의된 바와 같이, 구리는 집적 회로의 알루미늄 금속층에 대하여 보다 높은 전도성, 보다 좋은 전자 이동 저항(electromigration resistance), 및 감소된 전력 소모와 같은 여러 가지 장점들을 제공한다. 하지만, 같은 논문(article)에서 더 검토된 바와 같이, 구리는 알루미늄보다 실리콘 내부로 확산하는 경향이 더 크다. 그럼에도 불구하고, 집적 회로들의 실리콘 및 다른 층들과 구리 금속층들 사이에 확산 장벽들을 사용하므로써 이러한 문제들을 만족스럽게 해결하였다.
구리막들의 패터닝 식각은 주로 인쇄 회로 제조에서 포토리지스트(photoresist)와 같은 보호성 패턴막을 구리층에 붙인 다음 보통은 산(acid)인 강한 액체식각제(etchant)를 인가하여 노출된 구리를 기저 물질(base material)까지 식각해내는 습식 프로세스에 의해 이루어진다. 이러한 프로세스는 집적회로 제조에 응용될 때 다음과 같은 몇가지 문제점들을 나타낸다. 상기 습식 프로세스는 식각제 내의 오염물질들이 집적 회로 웨이퍼를 오염시킬 수 있다는데에 본질적으로 "불결"하다고 할 수 있다. 상기 필요한 습식 식각제는 그에 따라 생성된 증기를 조작자들이 흡입하거나 피부에 접촉하게 되는 경우 일반적으로 위험하다. 구리를 식각 하는데에는 집적회로의 다른 층들에 손상을 입힐수도 있는 식각제, 높은 온도, 또는 이 둘다를 필요로 한다. 습식 프로세스에 의한 구리 식각은 등방성이므로, 부적절한 임계치수 제한 및 조절 VLSI 회로에 대한 구리 금속화를 하는 것은 매우 어렵다. 습식 식각 프로세스의 폐기물(waste product)을 처분하는데에도 점점 비용이 든다.
그래서 집적 회로에서 구리 금속화를 사용하려는 욕구가 증가되고 공지된 습식 식각 기술의 본질적인 문제점들 때문에, 특히 집적 회로 제조에 사용되는 구리층을 식각하기 위한 보다 효과적인 식각 프로세스와 장비를 개발하는 것이 보다 더 중요하게 되었다.
현재로는 구리로 도핑된 알루미늄 막으로부터 구리를 제거하기 위해서는 스퍼터링(sputtering) 기술이 사용되고 있는데 따라서 상기 기술은 구리 막을 제거하는데 응용될 수 있다. 하지만, 높은 에너지의 이온 충격에 의해 구리 원자들과 클러스터(cluster)들을 물리적으로 제거하는 스퍼터링은 여러막들을 선택적으로 제거하지 않고, 구리가 휘발성 물질(volatile species)로 변환 되지 않기 때문에, 반응 챔버 내에 잔류물을 많이 쌓이게 한다. 또한, 스퍼터링 제거 기술은 비교적 느리며, 제어하기 어렵고, 또 패터닝 마스킹 층들에 대한 불충분한 선택도를 나타낸다.
반응하여 휘발성 구리 생성물을 형성하는 할로겐, 아민(amine) 또는 유기적기(organic radical)와 같은 반응제를 형성하기 위한 플라즈마를 포함하는 건식 프로세스는 다른 프로세스에서 직면하고 있는 몇가지 문제점들, 특히 반응 챔버 상의 잔류물의 재증착과 같은 문제점을 해결하는 구리에 대한 효과적인 식각 프로세스를 위한 방법일 수 있다. 하지만 이들 플라즈마 프로세스와 관련된 통상의 기판 온도 범위와 결부되어, 형성되는 구리 화합물의 공지된 높은 융점과 비등점으로 인하여, 휘발이 발생되지 않아 이러한 프로세스가 성공하지 못할것 이라고 생각되어 왔다. 더군다나, 플라즈마 방전은 동질적으로나 이질적으로 결합하여 중합체 잔류물을 생성할 수 있는 넓은 범위의 분해된 반응 생성물들을 만들어 낸다. 예를 들면, 탄화수소와 염화 탄소 방전은 많은 인자들을 발생시키는 무거운 잔류 중합체를 만들어 낸다. 또한, 만일 이들 프로세스의 반응 생성물들이 휘발하지 않으면, 표면 반응이 상기 표면 아래의 구리 벌크(bulk) 물질이 더 이상 반응하지 못하도록 방해할 것이라고 생각되어 왔다. "구리와 염소의 상호작용(The Interaction of Chlorine with Copper)", Surface Science. Vol.176(1986) 페이지 32-90,에서 더블유, 서셀만(W.Sesselmann)등에 의해 구리와 염소의 반응에 관한 몇가지 연구결과가 논의되었다. 구리막 이온 식각에 관한 몇가지 초기 연구가 "구리막의 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching of Copper Films)", Journal of the Electrochemical Society, Vol.130, 제8호(1983), 페이지 1777-1779에서 슈봐르쯔(Schwartz)등에 의해 논의되었다.
본 발명자는 빛에 의해서 발생되어 활성화되거나 에너지를 갖게되어 구리막에 노출되는 할로겐 이온을 사용하는 건식 또는 건식/습식 프로세스들이 집적 회로 제조 환경일지라도 구리 금속층을 식각하기 위한 효과적인 프로세스이라는 것을 알아내었다.
본 발명자는 특히 보다 높은 기판 또는 챔버 온도에서, 마스크가 벗겨진 부분으로 부터 구리 할로겐화합물 반응 생성물의 비등방적 휘발성이 가능하다는 것을 발견하였다. 더욱이, 할로겐화합물이 휘발성이 아닐때에도, 구리막과 기의 완전 반응이 마스크되지 않는 영역에서 방향적으로나 비등방적으로 일어나 용제나 물로 세척하므로서 비등방적으로 쉽게 제거되는 할로겐화합물 구리 반응 생성물을 만들어 낸다. 어느 경우이든, 반응 생성물은 비등방적으로 제거된다.
따라서 본 발명의 목적은 집적 회로 제조 프로세스에 유용한 구리 막 식각 프로세스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 패턴된 엄격한 체적 제한을 지속하고 구리 식각 프로세스에서 제어하는 것이다.
패터닝 임계 수치 제한 및 조절을 뒷받침하는 것도 본 발명의 한 목적이다.
본 발명의 다른 목적은 비등방적인 집적 회로 제조에 사용될 수 있는 구리 식각 프로세스를 제공하는 것이다.
부수적으로, 강한 습식 식각제를 필요로 하지 않는 구리막 식각 프로세스를 제공하는 것이 본 발명의 한 목적이다.
또한, 광-유도 방향성 확산을 제공하는 것도 본 발명의 한 목적이다.
또한, 스퍼터링 기술에 의해 일어나는 마스크와 프로세스 챔버의 오염을 피하는 구리 막 식각 프로세스를 제공하는 것이 본 발명의 부가적인 목적이다.
기본적으로, 건식 프로세스인 구리 식각 프로세스를 제공하는 것도 본 발명의 부가적인 목적이다.
본 발명의 이들 및 부가적 이점은 다음의 실시예에 대한 도면과 상세한 설명을 고려하면 통상적인 기술의 하나라는 것이 분명해질 것이다.
제1도를 참조하면, 통상적으로 기판 홀더(8)위에 배치된 기판을 가열하기 위한 온도제어 가열소자(도시생략)를 갖는 기판 홀더(8)을 갖는 밀봉 챔버(6)이 도시되어 있다. 기판 홀더(8) 상에 도시된 것은 실측도는 아니지만 예를 들어 단 결정 실리콘 기판인 기판(9), 구리금속층(10) 및 패턴된 마스크(11)를 갖고 있는 전형적인 집적 회로 웨이퍼이다. 집적 회로 제조 프로세스에서 마스크(11)은 보편적으로 공지된 사진 석판 인쇄술에 의해 패턴되고 식각되는 공지된 타입의 감광 마스크 물질일 것이다. 하지만, 마스크(11)은 사진 석판 인쇄술이 아닌 다른 기술에 의해서도 제조될 수 있다. 기판 홀더(8)은 기판(9)를 원하는 프로세스 온도 까지 가열하기 위해 제어 가열 소자(도시 생략)를 포함할 수 있다. 원하는 프로세스 온도는 몇가지 요인에 의해 결정될 수 있다. 화합적인 구리 생성물의 고 휘발도나 완전한 휘발성을 원하면, 높은 프로세스 온도가 요구된다. 원하는 정확한 온도는 사용되는 기 작용제(radical agent)에 따라 좌우된다. 그러나, 이러한 높은 프로세스 온도 사용에 대해서 분석해 보면, 프로세스되는 집적 회로 웨이퍼가 상당한 휘발성에 필요한 온도에 의해 손상을 입거나 파손될 수 있다는 사실이다. 물론, 인쇄 회로 기판은 높은 프로세스 온도에 의해 이렇게 손상을 입지 않을 수도 있다.
다시 제1도를 참조하면, 여과된 자외선원과 같은 고강도 광원(4), 예를 들면 1,000 Watt Hg/Xe 램프가 챔버(6)의 위에 배치되어 있다. 고강도 빛이 수정으로 만들어질 수 있는 창(window)인 투명한 창(7)을 통해 마스크된 구리층(10 및 11)의 표면상으로 향하도록 촛점 조정 소자(2 및 3)가 정렬되어 있다. 창(7)은 "0"-링(14)에 의해 밀봉된다. 제1도가 웨이퍼에 수직으로 조사되는 고강도 광선을 도시하고 있지만, 광선이 웨이퍼에 다른 각도나, 나란히 향하도록 챔버가 배열되는 경우일지라도 또한 효과적이란 것이 밝혀졌다고 지적된다.
밸브(13)을 갖고 있는 인입부(12)는 반응제 R이 챔버(6)에 들어가 웨이퍼(9,10 및 11)과 접촉하게 한다. 반응제 R은 할로겐 기-염소, 플루오르, 브롬, 또는 요오드기이다. 할로겐 기는 공지된 기술로, 예를 들면, 광화학 해리, 초단파 잔광 해리나 플라즈마 방전 해리에 의한 CF4등의, 할로겐화합물로부터 생성될 수 있다. 또한 상기 할로겐 기는 예를 들어, Cl2를 광원(4)로 부터의 고강도 자외선(5)에 노출시키므로써, 광화학 분해에 의해 챔버내에서 생성될 수 있다 할로겐기 R은 고강도 자외선(5)에 의해 광활성화되고 구리층(10) 및 마스크층(11)과 접촉한다. 광활성화될 수 있는 할로겐기 R을 사용하는 챔버(6)내에서 일어나는 식각 프로세스는 주로 프로세스가 일어나는 온도와 사용되는 반응제에 따라 두가지 상이한 방법을 따른다. 구리층(10)이 광활성화 반응제 R* 에 의해 접촉되기 때문에, 구리와 할로겐 구리 화합물을 형성하도록 구리 표면에서 반응한다. 이 반응은 다음과 같이 표시된다.
[기형성]
P(Gas)+hv---> R(or R*), 여기서 P는 모 분자, R은 아민기 또는 유기 기이고 R*은 광활성화 기이다.
[Cu로 기 형성]
R + Cu(s) ---> CuR or,
R* + Cu(s) ---> CuR or,
Rads --- Cu(s) + hv ---> CuR, 여기서 (g)는 개스, (s)는 고체 상태.
[CuR 제거]
CuR + S ---> CuR(soln) or,
CuR(ads) ---> CuR(g) or,
CuR(ads) + hv ---> CuR(g), 여기서 s는 용제, (soln)은 용해 상태, (ads)는 흡착상태.
CuR이 반응 조건하에서 휘발성이면, 생성물 CuR은 증기로서 방출되고 챔버(6)으로 부터의 증기로서 펌프될 수 있다.
그러나, 생성물 CuR이 휘발성이 아니면, 생성물은 구리층 표면에 남아있게 된다. 그러나, 놀랍게도 CuR을 형서하도록 발명자는 반응이 구리층을 통해 계속된다는 것을 알았다. 표면 반응은 상술한 프로세스 조건하에서 표면 바로 아래에서는 반응을 방해하지 않는다. 반응이 구리층(10)을 통해 일어난 후, 최종 구리 할로겐 생성물 CuR은 적합한 용액을 사용하여 세척될 수 있다. 더욱이, 구리와 더이상 반응을 위한 CuR내의 R의 확산은 광-유도 방향성 확산이다.
제2a도 및 제2b도는 전자 현미경으로 관찰한 본 발명에 따른 두 단계의 프로세스동안 구리 금속화 층을 이용한 집적 회로 웨이퍼를 도시한 것이다. 제2a도의 웨이퍼는 실리콘 기판(9), 이산화실리콘층(9a), 티타늄 텅스텐 장벽층(10a), 및 구리층(10)을 보여주는 식각 프로세스 이전의 것을 도시한 것이다.
마스크(11)이 인가되고 널리 공지된 사진 석판 인쇄 방법 또는 다른 공지된 수단에 의해 패턴된다. 이 경우에, 캔틸레버형(cantilevered) 내식막 돌출부(lla)가 이미지 변환 현상(development) 프로세스에 의해 생성된다.
제2b도는, 다음 조건 하에서, 제1도의 챔버내에서와 같이, 식각 프로세스 단계가 완성된 후와 같은 웨이퍼를 도시한 것이다. 웨이퍼(9,10 및 11)는 묽은 질산에 의해서와 마찬가지로 탈막될 수 있다. 물 여과기를 가진 1000 Watt Hg/Xe 램프가 웨이퍼(9,10 및 11) 상으로 배향된다. 물 여과기는 약 200nm 이하의 자외선을 통과시키는 반면에 1.3㎛ 이상의 대부분의 적외선을 추출하는 역할을 한다. 웨잉퍼는 200℃ 가열된다. 염소 분자 Cl2는 10torr에서 100sccm의 비율로 챔버에 유입된다. Cl2은 Cl 이온기를 발생시키도록 광원의 광 에너지에 의해 광분해 된다. 웨이퍼는 10분 동안 CH3기에 노출된다. 다음, 제2b도는 마스크되지 않은 전체 구리층이 반응되어 그 본래 두께의 약 3배로 팽창된다는 것을 도시한다. 최종 생성물 층 막(12)는 Cu(CH3)2인 것으로 알려졌다. 더욱이, 초기 레지스트 프로필로 인한 보이드(void)(14)가 주목될 수 있다. 남은 막은 단순한 세척 단계에 의해 제거될 수 있다. 반응 생성물들은 보편적으로 아세톤이나 물 세척으로써 제거된다. 레지스트가 구리막 표면과 접촉하는 곳에서 측방향으로 식각되지 않는다는 것을 알아야 한다.
본 발명을 제한되지 않는 실시예에 관련하여 설명하였다. 이 실시예들에서 제시된 파라미터들은 원하는 결과를 얻기 위해 광범위하게 변화될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 단지 첨부된 특허 청구의 범위 및 동등한 변경물에 의해서만 제한된다.
Claims (6)
- 패턴된 도체를 형성하기 위해 밀폐된 챔버 내의 기판상에 있는 구리층을 비등방성 식각하기 위한 프로세스에 있어서, 상기 구리층의 영역 중 식각되지 않아야 할 영역을 마스킹하는 단계, 및 할로겐 기를 고강도 광선에 의해 조사한 후 구리 할로겐 반응 생성물을 형성하기 위해 상기 밀폐된 챔버내의 상기 구리층에 상기 할로겐 기를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구리층의 비등방성 식각 프로세스.
- 제1항에 있어서, 상기 구리 할로겐 반응 생성물이 거의 휘발성이 되는 온도까지 상기 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구리층의 비등방성 식각 프로세스.
- 제1항에 있어서, 상기 구리 할로겐 반응 생성물을 제거하기 위해 상기 기판을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구리층의 비등방성 식각 프로세스.
- 제2항에 있어서, 상기 기판이 2000℃ 이상으로 가열되는 것을 특징으로 하는 구리층의 비등방성 식각 프로세스.
- 제1항에 있어서, 상기 할로겐기는 염소기인 것을 특징으로 하는 구리층의 비등방성 식각 프로세스.
- 제1항에 있어서, 상기 고강도 광선이 자외선 광선인 것을 특징으로 하는 구리층의 비등방성 식각 프로세스.
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