KR100422021B1 - 전이금속박막 건식 식각 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 또는 전자부품을 제작하는 공정중의 전이금속박막 건식 식각 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물리적 건식 식각 단계와 화학적 건식 식각 단계를 반복적으로 수행하여 전이금속박막을 건식 식각하는 공정에 관한 것이다.
본 발명은 이온 밀도와 이온충돌에너지를 독립적으로 조절할 수 있는 고밀도 플라즈마 건식 식각 장비를 사용하며, 식각 가스의 혼합비와 이온충돌에너지를 조절함으로써 물리적 건식 식각 단계와 화학적 건식 식각 단계를 조절하고, 이를 반복적으로 수행하여 전이금속박막을 건식 식각하는 공정을 제공한다.
Description
본 발명은 전이금속박막 건식 식각 공정방법에 관한 것이다. 건식 식각 공정의 포토레지스트에 대한 식각율, 이방성, 식각 형상 등의 식각 특성은 박막자기헤드의 제작 및 성능에 직접적으로 영향을 미친다. 본 발명은 염소 가스와 아르곤 가스의 비율을 조절하여 물리적 식각과 화학적 식각을 주기적으로 반복하여 행하는 방법으로 식각 특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 특히 포토레지스트를 식각 마스크로 사용하여 형상 구조가 좋은 식각 구조물을 구현하는 것을 목적으로 한다.
전이금속은 원소 주기율표상의 3B에서 2B영역에 해당하는 물질(d 또는 f 오비탈이 부분적으로 채워진 원소)로서 대표적인 물질은 니켈, 철, 코발트, 백금 등이 있다. 상기의 물질은 반도체 및 전자 부품을 구성하는 물질로서 일반적으로 건식 식각이 어려운 물질로 알려져 있다. 니켈, 철, 코발트는 자성박막을 구성하는 주요 물질로 자성 박막 센서, 박막 헤드(Thin Film Head), 거대자기저항 헤드(Giant Magneto-Resistance Head) 및 자기메모리(Magnetic Random Access Memory)의 주요 구성물질이다. 백금은 반도체의 금속화(Metallization)에 적용되는 주요 구성물질이다. 종래에는 전이금속박막은 이온밀링(Ion Milling)으로 식각 공정을 수행하였으나, 베일 형성에 의한 소자특성 저하가 문제시 되고 있다.
고밀도 플라즈마를 사용하면 플라즈마의 밀도와 이온충돌에너지를 독립적으로 조절할 수 있기 때문에 전이금속박막의 건식 식각 공정에 널리 활용되고 있다. 고밀도 플라즈마를 이용한 자성체 이방성 건식 식각 적용 예는 크게 세가지로 분류된다. 첫번째 적용 예는 일산화탄소와 암모니아로 구성된 혼합가스를 사용하는 방법이다. 이 방법은 기판온도를 200℃ 이상으로 유지하여야 하는 특성때문에 니켈, 철, 코발트 등의 자성박막의 식각 적용에는 적절하지 않다. 두번째 적용 예는 염화수소 가스와 아르곤가스로 구성된 혼합가스를 사용하여 전이금속박막을 식각하는 방법이다. 이 방법은 식각율이 높고 식각 선택성이 높은 장점을 가지고 있으나 식각 공정후 베일이 잔존한다. 잔존 베일을 제거하기 위해서는 탈이온수에 30∼60분간 담구어 두어야 하므로 공정시간이 길어져 생산성이 낮은 단점을 가지고 있다. 또한 플라즈마에 의해 분리되지 않은 염화수소 가스는 건식 식각 장비를 부식시키기 때문에 건식 식각 장비의 수명이 짧아지는 단점이 있다. 세번째 적용 예는 염소 가스와 아르곤 가스로 구성된 혼합가스를 사용하는 방법이다. 염소 가스가 아르곤 가스에 비해 비교적 적게 포함된 혼합가스로 고밀도 플라즈마를 형성하면 주로 물리적 스퍼터링(Physical Sputtering)에 의해 건식 식각이 수행되고 이때 생성되는 베일은 금속 염화물로 존재한다. 염소 가스가 아르곤 가스에 비해 비교적 많이 포함된 혼합가스로 고밀도 플라즈마를 형성하면 화학적 식각(Chemical Etching)에 의해 건식 식각이 수행된다. 베일의 제거는 상기의 화학적 식각에 의해 수행되고 잔류 금속 염화물을 제거하기 위해서는 탈이온수에 담구어 두어야 한다. 따라서 공정시간이 길어져 생산성이 낮은 단점을 가지고 있다.
본 발명에서는 상기의 적용 예에 따른 문제점을 해결하기 위하여, 염소 가스와 아르곤 가스 혼합비를 조절하여 물리적 식각과 화학적 식각을 순차적으로 반복 수행함으로써 물리적 식각 단계에서 반복적으로 퇴적되는 베일을 화학적 식각 단계에서 반복적으로 제거하는 건식 식각 방법을 제공한다.
제 1 도는 본 발명에서 사용한 고밀도 플라즈마 장치의 구성도이다.
제 2 도 (a)는 본 발명의 실현에 의한 교번 건식 식각 공정시의 형상을 나타내는 단면도이다
제 2 도 (b)는 본 발명의 실현에 의한 교번 건식 식각 후의 기판의 미세 구조물의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1. 유도결합형 인덕터 코일 2. 유전체 튜브
3. 플라즈마 리액터 4. 혼합가스 주입구
5. 진공펌프 6. 식각용 시료
7.척 8. 포토레지스트
9. 전이금속박막 10. 베일
11. 점진적인 식각 진행 모습 12. 현상하기 전 포토레지스트 모습
13. 식각되기 전 전이금속박막 모습
플라즈마를 이용한 전이금속박막 건식 식각을 실행하기 위해서는 플라즈마 밀도, 압력, 전력, 주파수, 이온충돌에너지, 기판 온도, 가스 유량, 가스 혼합비 등의 공정변수에 의한 식각 특성을 파악하여야 한다. 특히 본 발명의 실현을 위해서는 염소 가스와 아르곤 가스의 혼합비를 조절하여 이온충돌에너지를 100eV이하로 유지하면서 운동의 직진성을 가지는 플라즈마 건식 식각 장치가 필요하다. 따라서 본 발명의 적용시에는 상기의 공정변수를 만족할 수 있도록 1∼50mTorr범위의 저압에서 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 고밀도 플라즈마 건식 식각 장치를 사용하였다.
제 1 도에 본 발명에서 사용된 장치의 구성도를 나타내었다. 본 발명의 실현을 위해서는 1011~1013전자 /㎤ 범위의 고밀도 플라즈마가 유효하다. 유도결합형 또는 헬리칼레조네이터형의 고밀도 플라즈마 발생장치 중 어느것을 사용하여도 무방하나, 본 발명에서는 유도결합형 인덕터 코일(1)에 RF 전력을 인가하여 고밀도 플라즈마를 형성하였다. RF주파수는 3∼30MHz 범위가 가능하나, 본 발명에서는 플라즈마 전원용으로 통상적으로 사용하는 13.56 MHz주파수를 이용한 전원공급기를 사용하였다. RF전력은 500∼2,000W범위이다.유전체 튜브(2) 및 플라즈마 리액터(3)의 내부는 혼합가스 주입구(4) 및 진공펌프(5)를 연결하여 1∼50mTorr의 저진공을 유지하였다. 또한 고밀도 플라즈마의 안정성과 물리적 식각 및 화학적 식각을 조절하기 위하여 염소 가스와 아르곤가스를 적절한 비율로 리액터에 주입한다.
물리적 식각 특성을 확보하기 위해서는 아르곤 가스가 염소 가스에 비해 상대적으로 많이 주입되어야 한다. 물리적 식각 특성 확보를 위한 아르곤 가스의 혼합비는 염소 가스의 50% 이상이 적절하다. 1∼50mTorr의 저진공내에서는 플라즈마 시쓰를 통하여 식각용 시료(6)로 입사되는 이온은 직진성을 가지게 된다. 아르곤 이온은 물리적 식각에 관여하고 염소 이온은 화학적 식각에 관여한다. 물리적 식각은 식각 측벽의 양의 경사(Posistive Slope)로 식각한다. 반면 화학적 식각은 등방성 형상으로 식각한다. 아르곤 가스가 염소 가스에 비해 상대적으로 많은 양이 존재하면 아르곤 가스에 의한 물리적 식각 특성이 염소 가스에 의한 화학적 식각 특성보다 강하기 때문에 평균적으로 물리적 식각 특성을 나타낸다.
화학적 식각 특성을 확보하기 위해서는 아르곤 가스가 염소 가스에 비해 상대적으로 적게 주입되어야 한다. 화학적 식각 특성 확보를 위한 아르곤 가스의 혼합비는 염소 가스의 25∼50%범위이다. 염소 가스가 아르곤 가스에 비해 상대적으로 많은 양이 존재하면 염소 가스에 의한 화학적 식각 특성이 아르곤 가스에 의한 물리적 식각 특성보다 강하기 때문에 평균적으로 화학적 식각 특성을 나타낸다.
물리적 식각 및 화학적 식각 공정중의 식각용 시료에 입사되는 이온 에너지는 척(7)에 인가된 바이어스 전압에 의해 조절된다. 이온충돌에너지는 식각 마스크로 사용한 포토레지스트가 손상되지 않게 하기 위해 0∼100eV 범위를 유지하였다.
상기의 장치 및 실험 조건에 의해 고밀도 플라즈마내에는 전이금속박막 건식 식각을 위한 아르곤 이온, 염소 이온 등이 존재하게 된다.
본 발명에서는 전이금속박막의 건식 식각시 생성되는 베일을 효과적으로 제거하기 위하여 물리적 식각 단계와 화학적 식각 단계를 반복적으로 적용하는 교번 공정(Cyclic Process)을 제공한다.
제 2도는 본 발명의 공정단계를 도식적으로 표현한 개략도로 (a)는 교번 건식 식각공정시의 형상을 나타내고,(b)는 교번 건식 식각 공정 후 기판의 미세 구조물의 단면을 나타내었다. 교번 건식 식각 공정시 식각 마스크는 포토레지스트(9)를 사용하여 전이금속박막(8) 식각을 한다. 제2도의 교번 건식 식각 공정시의 형상을 나타내고 있는(a)에서는 공정 진행에서 생성되는 베일(10)과 점진적인 식각 진행 모습(11)을 점선으로 나타내었으며, 건식 식각 공정 후 기판의 미세 구조물의 단면을 나타내고 있는 (b)에서는 현상하기 전 포토레지스트 모습(12)을 가는 점선으로 표현하고 식각되기 전 전이금속박막 모습(13)을 굵은 점선으로 표시했다.
물리적 식각 단계에서 형성되는 베일의 크기는 식각율과 식각 시간에 의존한다. 식각율이 높을수록 베일의 크기는 증가한다. 또한 식각 시간이 길수록 베일의 크기도 증가한다. 물리적 식각 시간이 길수록 양의 경사(Positive Slope)에 의한 임계치수 손실(Critical Dimension Loss)이 증가한다. 또한 베일을 제거하기 위한 화학적 식각 단계에서의 등방성 식각에 의해 이전 단계인 물리적 식각에 의한 양의 경사(Positive Slpoe) 형상에 등방성 식각이 가미된다. 이는 물리적 식각 단계와 화학적 식각 단계의 시간에 의해 식각형상 변조, 임계치수 손실(Critical Dimension Loss), 언더컷(Undercut) 등의 식각 특성이 달라지는 것을 내포한다.
물리적 식각 단계를 수초 단위의 짧은 시간동안 수행하고 화학적 식각 단계를 수초단위의 짧은 시간동안 수행하면, 물리적 식각 단계에서 형성되는 베일의 크기가 작기 때문에 화학적 식각 단계에서 베일을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 식각 깊이가 얕기 때문에 임계치수 손실(Critical Dimension Loss)과 Undercut이 작고 화학적 식각 단계의 시간을 적절히 조절하면 잔물결(Ripple)모양의 수직형상(Vertical Profile)을 형성할 수 있다. 이어 후속되는 물리적 식각 단계와 화학적 식각 단계에서 이미 형성된 측벽에 물리적 식각에 의한 재증착(Redeposit)이 형성되고 화학적 식각 단계에서 제거되기 때문에 전단계에서 형성된 측벽 형상은 후속되는 물리적 시각 단계와 화학적 식각 단계를 반복하면 임계치수 손실(Critical Dimension Loss)과 언더컷(Undercut)을 최소화 하고 작은 잔물결(Ripple)모양으로 형성된 수직측벽형상(Vertical Side Wall Profile)을 가진 식각 특성을 구현할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 교번 공정(Cyclic Process)방법으로 임계치수 손실(Critical Dimension Loss)과 언더컷(Undercut)을 최소화 하고 수직측벽형상(Vertical Side Wall Profile)을 구현하는 전이금속박막 건식 식각 방법을 제공한다.
상기에 기술한 본 발명의 작용에 의해, 전이금속박막의 식각율은 ∼1000Å/min 범위이다. 본 발명은 수직의 측벽 형상을 구현할 수 있고, 임계치수 손실(Critical Dimension Loss)과 언더컷(Undercut)을 최소화하고, 베일이 전혀 없는 식각 형상을 구현하는 방법을 제공한다.
Claims (7)
- 혼합가스 주입구, 플라즈마 리액터, 진공펌프, 유전체 튜브, 유도결합형 인덕터 코일 등으로 구성된 고밀도 플라즈마 장치를 사용하는 건식식각 공정에 있어서, 플라즈마 밀도와 이온충돌에너지를 독립적으로 조절하여 1∼50 mTorr의 공정압력과 0∼100 eV의 이온충돌에너지를 조절하는 단계와, 물리적 식각 특성 확보를 위해 염소 가스에 비해 아르곤 가스의 혼합비가 50%이상인 혼합가스를 사용하는 물리적 식각 단계와 화학적 식각 특성 확보를 위해 염소 가스에 비해 아르곤 가스의 혼합비가 25 ∼ 50%인 혼합가스를 사용하는 화학적 식각 단게를 교번하여 베일을 주기적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 전이금속박막 건식 식각 방법
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- 제 1항에 있어서, 상기 전이금속박막의 식각율은 ∼1000Å/min 범위이고, 수직에 가까운 식각 측면을 보이는 것을 특징으로 하는 전이금속박막 건식 식각 방법
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2001
- 2001-06-16 KR KR10-2001-0036443A patent/KR100422021B1/ko not_active IP Right Cessation
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