KR100432773B1 - 다층구조의어블레이션패턴화방법 - Google Patents

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Abstract

아래에 놓인 전도층을 에칭하지 않을지라도 1개 이상의 유전층을 통과하는 어블레이션 에칭을 위한 방법은 전도성 물질에 도달할 때 이것에 의해 자동적으로 어블레이션 공정이 중단되는 변수들을 선택하는 단계, 또는 원하는 어블레이션 정도의 종말점 감지를 위해 상기의 공정을 측정하는 단계를 포함한다. 선택된 변수들은 전도층의 흡수도에 대한 유전층의 흡수도이다. 종말점 감지 단계는 공정 제품으로부터 반사된 복사 에너지 또는 공정 제품으로부터 어블레이션된 물질의 함량을 측정하는 단계를 포함한다.

Description

다층 구조의 어블레이션 패턴화 방법
본 발명은 어블레이션(ablation) 패턴화에 관한 것이며, 특히 전도체 위에 놓인 1개 이상의 유전층을 선택적으로 패턴화시키는 것에 관한 것이다.
다양한 중합체 물질, 예컨대, 폴리이미드의 어블레이션 패턴화에의 사용은 공지되어 있다. 예를 들어, 브란논(Brannon)등의 미국 특허 제4,508,749호(1985년 4월 2일)에는 에칭을 위해 폴리이미드 층을 통과하는 자외 복사선의 사용이 기재되어 있다. 상기의 특허는 주로 아래에 놓인 금속층의 표면적을 노출시키기 위해 폴리이미드층을 통과하는 점점 가늘어지는 개구부를 형성하는 방법에 관한 것이다. 그리고 나서, 전기적 접속이 상기의 개구부를 통해 금속층에서 이루어진다. 판(Pan)에 의한 미국 특허 제5,236,551호(1993년 8월 17일)는 마찬가지로, 습식 또는 화학 부식제를 사용하여, 아래에 있는 금속층을 에칭 패턴화시키기 위한 에칭 마스크로서 사용되는 중합체 물질층의 패턴화를 위해 어블레이션 에칭을 사용하는 방법에 관한 것이다.
전형적인 어블레이션 공정에서, 레이저 에너지 광선은 어블레이션될 물체의 노출된 표면에 조사된다. 레이저 에너지는 상기의 물질에 의해 흡수되고, 광화학, 열적 및 다른 효과의 결과로서, 재료의 국부화된 폭발이 발생하고 각각의 폭발에 대해 물질의 작은 파편이 떨어져 나간다. 상기의 방법은 폭발이 일어나는 한계 에너지 밀도를 초과하기 위해 충분한 에너지가 물질의 각각의 작은 부피로 축적될 때까지 작은 부피의 물질안에 상당한 양의 에너지가 흡수되고 보유되는 것을 필요로 한다.
폴리이미드와 같은 중합체 물질은 자외선에 대한 높은 흡수도를 가지면서 에너지가 흡수되었던 부피로부터 흡수된 에너지의 확산을 제한하기 위하며 상대적으로 낮은 열확산도를 갖기 때문에 본 발명의 방법에서 사용하는데 매우 적합하다. 따라서, 에너지 준위가 요구된 에너지 밀도 한계 이상으로 빠르게 형성된다.
상기에서 인용된 두 개의 특허에서, 금속층의 위에 놓인 중합체층은 어블레이션된다. 알루미늄, 구리 등과 같은 금속들은 일반적으로 상대적으로 높은 열확산도 이외에도 자외선에 대한 비교적 낮은 흡수도를 갖는다. 따라서, 위에 놓인 중합체층의 어블레이션이 중합체층에 대해 완료되면, 상기의 방법은 자동적으로 중단된다. 이러한 현상은 레이저 광선에 의해 공급된 에너지 밀도가 중합체층의 물질을 어블레이션하기에 충분할지라도, 금속층을 어블레이션하기에는 너무 작기 때문에 발생한다. 금속층내에서, 단지 상대적으로 적은 양의 입사 복사 에너지가 단위 부피당 흡수되고, 에너지가 흡수된 것은 주위의 부피로 빠르게 흩어지는 경향이 있다. 명백하게, 어블레이션은 공급된 레이저 광선의 에너지 밀도가 충분히 높을 때 발생할 수 있다.
상기에 인용된 특허에 기재되어 있지 않을지라도, 많은 경우에 상기의 특허에 기재된 중합체 물질과는 다른 유전 물질을 어블레이션 에칭할 수 있는 것이 또한 바람직하다. 반도체 장치의 제조 방법에서, 예컨대 이산화규소 및 질화 규소와같은 단단한 표면 안정화 물질이 광범위하게 사용되고, 때때로 일부 중합체 물질, 특히 폴리이미드와 결합하여 사용된다.
그러나, 상기의 다른 유전 물질의 어블레이션 에칭에 따른 문제는 유전 물질들이 낮은 흡수도를 갖고 중합체 물질의 어볼레이션에 필요한 것보다 훨씬 큰 복사 에너지 밀도를 요구하는 경향이 있는 것이다. 게다가, 상기의 다른 유전 물질에서 요구되었던 복사 에너지 밀도의 크기는 다양한 금속의 어블레이션 에칭에서 요구된 것과 가깝다. 이와 같이 발생한 문제는 어블레이션 공정의 선택성을 얻는 문제이다; 즉, 다층 구조에서 선택되지 않은 층은 에칭하지 않고 단지 선택된 층만을 어블레이션 에칭하는 것이다. 상기의 문제는 본 발명에 의해 해결된다.
전도층 위에 놓인 1개 이상의 유전층을 포함하는 다층 구조는 전도층의 어블레이션되지 않은 표면 부분을 노출시키기 위해 유전층(들)을 통해 정렬된 개구부의 패턴을 제공하도록 어블레이션 에칭된다.
일실시예에서, 가장 위에 있는 유전층은 이산화 규소층 또는 질화 규소층, 또는 이 두 층 모두의 위에 놓인 폴리이미드층이다. 어블레이션 에칭은 가장 먼저 폴리이미드층을 통해 수행된 후, 아래에 놓인 이산화 규소층 및/또는 질화 규소층을 통해 수행되면서 전도층에서 본 발명의 방법이 중단된다.
또 다른 실시예에서, 고에너지 밀도가 이산화 규소층 및/또는 질화 규소층을 관통하기 위해 사용되고, 전도층에 도달할 때 종말점 감지 수단이 본 발명의 방법을 중단시키기 위해 사용된다.
추가의 실시예에서, 이산화 규소층 및/또는 질화 규소층의 흡수도는 암화제의 부가에 의해 증가되어, 층(들)의 어블레이션을 위한 한계 에너지를 전도층의 어블레이션을 위한 한계 에너지보다 상당히 아래로 낮춘다.
또 다른 실시예에서, 전도층에서보다 어블레이션될 층(들)내에서 복사선의 더 높은 흡수도를 제공하는 어블레이션 복사 에너지 파장이 선택된다.
바람직하게는, 상기의 추가 실시예 둘 모두에서, 폴리이미드 유전층과 결합하여 사용된 유전층의 흡수도는 단일 어블레이션 공정이 모든 유전층에 대해 사용될 수 있을 만큼 높게 된다.
제 1 도는 본 발명에 유용한 다층 구조의 예이다.
제 1 도의 구조는, 예컨대 규소와 같은 반도체 물질의 기판(10); 이 기판의 표면(14)위에 놓인 금속, 예컨대 알루미늄의 층(12); 유전 물질, 예컨대 질화 규소 또는 이산화 규소의 제 1층(16); 및 마찬가지로 유전 물질, 예를 들어 중합체 물질,특히 폴리이미드의 피복층(18)을 포함한다.
본 발명에 따라, 가장 위에 있는 두 개의 유전층 (16) 및 (18)은 아래에 놓인 금속층(12)을 조금 에칭하거나 전혀 에칭하지 않고서 어블레이션 에칭될 수 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 다양한 폴리이미드와 같은 종합체 물질의 어블레이션 에칭은 브란논 등과 판에 의한 상기에서 예시된 특허에 공지되어 있고 설명되어 있다. 따라서, 상부의 중합체층(18)에 대한 완전한 어블레이션 에칭에 대해서는, 상기의 특허에서 설명된 다양한 방법과 동일한 어블레이션 공정이 사용될 수 있다.
예를 들어, 파장이 308nm 또는 266nm(시판되는 레이저에 의해 제공됨)인 자외선 레이저 복사 에너지는 가장 위에 있는 층(18)의 표면(22)으로 조사된다. 개구부(26)의 패턴(제 2도)은 층(18)을 완전히 통과하며 제조될 수 있으며, 본 발명의 목적을 위해, 레이저 광은 형성될 개구부의 원하는 패턴을 함유하는 포토마스크를 통해 조사된다. 포토마스크를 통과하는 광은 상부층(18)의 표면(22)에 집중된다. 레이저 광의 영상 시스템에 대한 상세한 설명은 널리 공지되어 있으므로 기술하지 않는다. 적합한 시스템의 예가 브란논('749)의 특허에 기재되어 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 중합체 물질은 복사 에너지에 의해 어블레이션 되는 것이 상당히 적합하며, 상대적으로 저에너지 밀도, 예컨대 에너지 펄스당 약 200mJ/cm2가 요구된다. 각 에너지 펄스는 폭이 약 20ns이고 반복율은 200Hz 내지 20KHz 이다. 일반적으로, 에칭 단계는 폴리이미드에 대해 약 0.1um/pulse 속도로 진행된다.
제 2 도는 중합체층(18)을 완전히 통과하여 형성된 개구부(26)를 보여준다. 이 시점에서, 어블레이션 공정은 자동적으로 공작물에 대해 연속적으로 방사선 조사를 하여도 중단하게 한다. 상기와 같은 이유는, 이산화 규소 및 질화 규소와 같이 공통적으로 이용된 유전 물질에 대한 초기 에너지 밀도가 중합체 물질에 대해 필요한 것보다 상당히 크기 때문이다. 즉, 상기에서 예시된 실시예와 같이 에너지 밀도가 약 200mJ/cm2이기보다는, 약 600mJ/cm2의 에너지 밀도가 질화 규소층 및 이산화 규소층의 어블레이션에 대해 요구된다(이에 대한 예외가 하기에 설명되어있다).
본 발명의 일 특징에 따라, 층(18)을 통과하는 개구부(26)가 형성된 후에, 방사 에너지 레이저 광선의 에너지 밀도는 유전층(16)을 어블레이션 에칭하기 위해 필요한 양으로 증가한다.
어떤 경우에, 시판되는 레이저 및 광학계를 사용하며 공작물(예를 들어, 지름이 3인치인 규소 웨이퍼)의 전체 표면에 대해 충분한 고에너지 밀도를 얻는 것은 어려울 수 있으며, 이러한 경우에서 한 가지 해결책은 포토마스크의 표면에 상대적으로 작은 직경의 고에너지 밀도의 레이저 광선을 주사하는 것이다. 한 가지 배열에서, 레이저 광선은 포토마스크 위로 래스터 주사된다. 또다른 배열에서, 레이저 광선은 포토마스크에 대하여 정적이며, 포토마스크에 투사된 상은 공지된 방법 및 반복 기술을 사용하여 웨이퍼를 가로질러 나아간다.
제 3 도는 중합체 물질층(18)을 통과하며 층(16)까지 확장하여 통과한 개구부(26)를 보여준다. 본 발명의 특징이 (판의 특허에서 보여진 것과 같이 에칭의 2가지 개별적 유형을 사용하기보다는) 연속층을 통과하는 개구부의 패턴의 어블레이션 에칭인 반면에, 본 발명은 또한 위에 놓인 중합체 물질층(18)이 없는 경우에 유용하다. 즉, 상기에서 설명된 어블레이션 공정은 제 1 도에서 도시된 층(16)에서 시작할 것이다.
유전층(16)를 금속, 예컨대 알루미늄의 층(12) 위에 직접 놓인다. 층(12)은 다른 금속, 예컨대 구리, 도핑된 다결정 규소 등을 포함할 수 있다. 상기에서 설명된 바와 같이, 유전층(16)을 통한 어블레이션을 위해 고에너지 밀도를 사용하는 것이 중요하며, 아래에 놓인 층(12)의 표면(30)에서 어블레이션 공정이 중단되는 문제가 있다. 이러한 문제는 하기에 기재된 많은 상이한 방식으로 해결된다.
어블레이션 공정은 공작물에 자외 복사선을 조사하는 것을 포함한다. 일부 복사선은 반사되고 반사량은 복사선이 조사되는 표면에 대한 함수이다. 이와 같이, 공작물로부터 반사된 복사선을 감지하고 측정함으로써, 어블레이션 공정의 종말점 감지가 가능하다. 구체적으로, 개구부(26)가 유전층(16)을 완전히 통과하여 그 아래에 놓인 금속층 표면(30)을 가장 먼저 노출시키기 시작할 때, 복사된 에너지에서 중요한 변화가 발생하는데 이것은 어블레이션 공정이 즉시 중단되는 신호이다. 공지된 광학적 복사선 감지 및 컴퓨터 시스템을 사용하여, 매우 빠른 반응 시간이 가능함으로써 유전층(16)을 통과하는 비교적 빠른 어블레이션 속도(높은 제조율에 대해서)의 경우에도 정확한 조절 및 금속층(12)의 최소 에칭이 가능하다.
일반적으로, 반사된 복사량은 개구부(26)가 유전층을 통해 진행하고 금속층에 가까워짐에 따라 변화한다. 그리고 나서, 층(16)을 통과하는 개구부가 완성되어 금속층(12)이 노출될 때, 반사된 복사량은 일정하게 유지될 것이다. 다양한 값으로부터 일정한 값까지 감지되는 신호값의 변화는 어블레이션 공정을 중단하기 위해, 장치에 따라, 그리고 시간에 따라 변화하는 조건에 독립적으로 강한 신호를 제공한다.
또 다른 종말점 감지 방법은 진공실 (일반적으로 공정의 조절 및 거버링되지 않은 금속층의 산화 방지에 바람직함)에서 어블레이션 공정을 수행하는 것이고, 공작물로부터 파열되는 물질을 측정하는 것이다. 예를 들어, 층(12)의 물질이 가장먼저 감지될 때, 본 발명의 방법은 중단된다.
상기에서 설명된 공정들은 상대적으로 고에너지 밀도의 사용과 어블레이션 공정의 중단을 나타내는 종말점 감지 단계를 포함한다. 대안적인 접근법은 금속층(12)의 에너지 밀도보다 상당히 낮게 유전층(16)에 대해 요구되는 에너지 밀도를 줄임으로써 금속층에 도달할 때 어블레이션의 자동적 중단이 일어나는 것이다. 에너지 밀도가 충분히 감소될 수 있는 범위에서, 중합체층(18) 및 그 아래에 있는 층(16) 모두에 대해 단일의 어블레이션 공정을 사용하는 것이 가능하다.
감소된 에너지 밀도에서 어블레이션을 완성하기 위한 1가지 방법은 효과적으로 상기의 물질에 탄소 및 플루오르와 같은 암화제(darkening agent)를 첨가함으로써 물질의 흡수도를 증가시키는 것이다. 유전 물질들은, 물론, 전기적으로 부도성이어야 하고, 탄소와 같이 전기적으로 전도성이 있다면, 부가된 물질의 양이 물질의 유전성을 상당히 떨어지게 하지 않기 위해 충분히 작은 것이 바람직하다.
어블레이션 공정의 선택성을 얻는 또다른 방법은 다양한 물질의 복사선의 흡수도가 복사 에너지의 파장에 대한 함수인 사실에 따라 결정된다. 따라서, 어블레이션 공정에서 더 큰 선택성을 제공하기 위해, 아래에 놓인 금속층에서보다 유전층에서 더 높은 선택성을 제공하는 파장이 선택된다.
제 4 도는 본 발명에 유용한 구조의 한 유형에 대한 특정한 예를 보여준다. 제 4 도에서, 2개의 유전층 (40) 및 (42)은 금속, 예컨대 알루미늄, 또는 도핑된 다결정 규소의 층(46)위에 놓이도록 배치된다. 상기의 층(42)은 이산화규소로 이루어져 있고, 층(40)은 질화 규소로 이루어져 있다. 폴리이미드의 층(48)은 전체의구조를 덮는다. 본 발명에 있어서, 개구부의 패턴은 금속층(46)의 표면 일부를 노출시키기 위해 3개의 층 (48), (40) 및 (42)을 완전히 통과하여 어블레이션된다.
본 발명에 따른 부가적인 배열이 하기에 설명된다.
종말점 감지는 하기에 의해 이루어진다:
광학적 방출: 어블레이션 공정에 의해 일어나는 방출은 사용되고 있는 물질에 특이적인 방출에 집중하며, 분광계로 모니터링된다. 방출 변화의 특징은 어블레이션되는 물질에 달려 있고, 방출 분광계에서 최종 산화물/질화물 신호의 종결은 에칭이 완성된 것을 나타내는 우수한 표시이다. 레이저 어블레이션 기기에 상기의 정보를 피드백함으로써, 에칭은 아래에 놓인 금속막이 떨어져 나가는 것 없이 종결될 수 있다.
반사율: 어블레이션 되는 표면에서 반사율의 변화는 소정의 각도로 표면으로부터 레이저 광선(들)(일반적으로 He-Ne)을 반사시키고, 반사 광선의 세기를 광감지기로 측정함으로써 모니터링될 수 있다. 어블레이션되는 각 물질은 특징적인 반사 스펙트럼을 가질 것이다. 예를 들어, 아래에 있는 금속은 절연체보다 훨씬 높은 값으로 프로브 레이저 광선을 반사한다. 유전 물질이 제거되어, 금속을 노출시킬 때, 신호 증가의 감지는 공정을 중단시키는데 사용된다.
이온 방출: 표면으로부터 발생하는 이온들은 또한 적당한 검출 전자장치를 이용하여 수집되고 분석될 수 있다. 금속 이온의 유무에 대해서 상기 이온의 방출을 측정함으로써, 적당한 종말점 피드백이 제공된다.
공정 제어: 절연막이 어블레이션되는 표면적에 대해 일정한 두께를 갖는다면, 공정은 레이저 샷(shot)의 수에 의해 제어될 수 있다. 막의 에칭 속도는 레이저 변수의 함수로서 결정될 수 있기 때문에, 막을 완전히 제거하는데 요구되는 샷의 수가 정확하게 계산될 수 있다. 이는 아래에 놓여 있는 금속막에 충격을 가하지 않고 유전물질의 제거를 가능케 한다.
유전물질의 어블레이션에 요구되는 초기 에너지의 감소는 또한 저밀도 막을 제조하기 위해 증착 조건을 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 이와같이 막의 밀도를 낮추는 것은 결합이 끊어질 필요가 있는 화학 결합수를 감소시켜, 요구되는 어블레이션 에너지의 양을 감소시킨다.
선택도를 개선시키기 위한 앞서 언급된 파장 선택과 관련하며, 더 낮은 레이저 파워에서 효과적인 에칭이 가능함으로써, 낮은 레이저 파장이 유전 물질에 의해 더욱 효과적으로 흡수되는 것이 주목된다. 예를 들어, 산화물 또는 질화물의 같은 양을 전이시키기 위해 요구되는 레이저 파워는 308nm에서 보다 193nm에서 더 낮다. 같은 범위에서, 금속 전이의 효율은 매우 미세하게 변하여, 더 짧은 파장이 공정 선택성을 증가시킨다.
제 1 도는 본 발명이 이용되는 다층 공작물에 대한 단면도이다.
제 2 도 및 제 3 도는 제 1 도의 단면도와 유사하지만, 연속적인 방법 단계에서의 공작물을 도시한 단면도이다.
제 4 도는 제 1 도와 유사하지만 또다른 다층 공작물을 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 반도체 기판
12 : 금속, 예컨대 알루미늄의 층
14 : 반도체 기판(10)의 표면
16 : 유전 물질, 예컨대 질화 규소 또는 이산화 규소의 제 1층
18 : 유전 물질, 예컨대 폴리이미드의 피복층
22 : 상층(18)의 표면
26 : 층(18) 및 층(16)을 완전히 통하는 개구부
30 : 금속층(12)의 표면
40 : 질화규소로 이루어진 유전층
42 : 이산화규소로 이루어진 유전층
46 : 금속, 예컨대 알루미늄 또는 도핑된 다결정 규소의 층
48 : 폴리이미드층

Claims (4)

  1. 전기 전도체의 표면상에 유전 물질의 제 1층을 제공하는 단계,
    상기 제 1층위에 중합체 물질의 제 2층을 제공하는 단계,
    상기 제 2층을 암화제로 도핑하여, 어블레이션 단계에서 사용되는 복사 에너지에 대해, 상기 제 2층이 상기 전도체의 흡수도를 초과하는 흡수도를 갖도록 하는 단계, 및
    개구부를 통해 상기 전도체의 표면 일부를 노출시키기 위해 상기 제 1층 및 제 2층 모두를 통과하는 상기 개구부의 패턴을 어블레이션 에칭하는 단계를 포함하는, 다층 공작물의 패턴화 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2층이 이산화규소 및 질화규소로 이루어지는 군 중의 하나임을 특징으로 하는 다층 공작물의 패턴화 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 어블레이션 에칭을 수행하기 위해 상기 공작물에 복사 에너지를 조사시키는 단계, 상기 공작물로부터 반사된 복사 에너지를 검출 및 모니터링하는 단계, 및 상기 어블레이션 공정이 전도체에 도달했음을 나타내는 감지된 복사 에너지의 변화시에 상기 어블레이션 에칭을 중단하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 다층 공작물의 패턴화 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 어블레이션 공정 동안 상기 공작물로부터 제거된 물질의 내용물을 모니터링하고, 상기 어블레이션 공정이 전도체에 도달했음을 나타내는, 모니터링된 상기 내용물의 변화시에 상기 공정을 중단시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 다층 공작물의 패턴화 방법.
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