KR20060007541A - 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법 - Google Patents

반도체 소자의 금속 부식 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 알루미늄 및 그 합금을 포함한 반도체 소자의 금속막을 건식 식각한 후 연속적으로 N2O 플라즈마를 이용하여 금속막 표면에 측면 산화막을 형성하고 불활성 가스를 사용한 스퍼터 에치로 측면 산화막의 일부를 제거함으로써 금속막의 부식을 방지하고, 금속막에 의한 브리지 형성을 억제하며, 금속막의 프로파일을 개선하여 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법에 관한 것이다.
금속, 알루미늄(Al), N2O 플라즈마, 부식 방지

Description

반도체 소자의 금속 부식 방지 방법{Method for preventing metal corrosion of semiconductor devices}
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 알루미늄 배선 형성 방법을 나타낸 단면도.
도 2a 및 도 2d는 본 발명에 의한 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법을 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 기판 102, 202 : 산화막
104, 204 : 배리어막 106, 206 : 금속막(Al)
108, 208 : 반사방지막 110, 210 : 포토레지스트
212 : 측면 산화막
본 발명은 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법에 관한 것으로, 보다 자세하 게는 알루미늄 및 그 합금을 포함한 반도체 소자의 금속막을 건식 식각한 후 연속적으로 N2O 플라즈마를 이용하여 금속막 표면에 측면 산화막을 형성하고 불활성 가스를 사용한 스퍼터 에치로 측면 산화막의 일부를 제거함으로써 금속막의 부식을 방지하고, 금속막에 의한 브리지 형성을 억제하며, 금속막의 프로파일을 개선하여 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법에 관한 것이다.
근래에 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 발전에 따라 반도체 소자 제조 기술도 비약적으로 발전하고 있다. 상기 반도체 소자는 집적도, 미세화, 동작속도 등을 향상시키는 방향으로 기술이 발전하고 있다.
현재, 초대규모 집적회로(VLSI: Very Large-Scale Integration)와 같은 고집적 회로의 배선 재료로서 전기전도도가 우수하고 값이 싼 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금이 많이 사용되고 있다.
일반적으로, 알루미늄 배선 형성 공정은 알루미늄막을 형성하는 단계, 알루미늄막 상부에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하는 단계, 염소(Cl)를 포함하는 플라즈마를 이용하여 포토레지스트로 덮여 있지 않은 노출된 알루미늄막을 식각하는 단계 및 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 일련의 공정을 거쳐 수행하고 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 알루미늄 배선 형성 방법을 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 산화막(102), 배리어막(Barrier, 104), 알루미늄막(106), 반사방지막(Antireflective coating, 108)이 순차적으로 형성된 기판(100)의 상부에 포토레지스트를 코팅하고 패터닝한 후 상기 패터닝된 포토레지스트(110)를 마스크로 하여 Cl2, BCl3와 같은 가스를 이용한 반응성 이온식각(Reactive Ion Etching, 이하 RIE)을 통해 상기 알루미늄막(106)을 식각한다.
다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트(110)를 O2 플라즈마 애싱(Ashing)을 통해 제거한다. 이때, 라인 내의 불소(F), NH4OH, 수분(H2O) 등의 환경적 이유와 RIE 조건 및 포토레지스트 제거 후 세정하는 세정액, 그리고 무엇보다도 상기 알루미늄막(106) 식각시 발생한 잔류 염소 성분 등에 의해 상기 알루미늄막의 부식(112)이 발생하여 반도체 소자의 전기적 특성을 열화시키거나 심할 경우 단선 등의 불량을 유발하는 원인이 되어 반도체 소자의 수율을 저하시키고 있다.
이러한 부식을 방지하기 위한 방법으로 , 첫째 탈이온수(Deionized water)로 잔류 염소 성분을 씻어내는 방법, 둘째 열처리 공정으로 잔류 염소 성분을 증발시키는 방법, 세째 불소(F)를 함유한 플라즈마를 이용하는 방법 등이 있다.
그러나, 첫번째 방법은 잔류 염소 성분의 제거 효과가 미약할 뿐만 아니라 장기적으로 알루미늄 배선의 부식을 방지하지 못하며, 두번째 방법은 알루미늄의 낮은 융점으로 인해 열처리 온도가 대략 300℃를 넘을 경우 힐락(Hillock), 세그리게이션(Segregation), 재결정화(Recrystallization) 등이 발생하는 문제가 있다.
세번째 방법은, 일본 특허공보 제83-12343호, 대한민국 공개특허 제2000-0027241호에 개시되어 있듯이, 불소를 함유한 식각 가스로 잔류 염소 성분을 제거한 후에 애싱 공정으로 포토레지스트를 제거하는 방법이다. 그러나, 도 1c에 도시한 바와 같이, 이러한 후처리 공정은 불소 플라즈마에 의해 배리어막인 TiN 또는 TiW의 언더컷(Undercut, 114)이 발생하고 하부 산화막의 과도한 손상(114)을 유발하며 알루미늄이 AlF3로 변환되어 반도체 소자의 신뢰성을 현저하게 떨어뜨리는 문제가 존재한다.
좀 더 개선된 반도체 소자 제조 공정에서는 기판이 공기 노출되어 잔류 염소 성분과 수분이 반응하는 것을 억제하기 위해 식각 장비에 애싱 챔버(Ashing chamber)를 설치하여 연속적(In-situ)으로 포토레지스트 스트립 공정을 진행하고 있으며 불소를 함유한 플라즈마를 이용하여 폴리머를 제거하기 전에 H2O 플라즈마를 이용하여 염화수소(HCl)를 형성한 후에 펌핑으로 배기함으로써 알루미늄 표면에 존재하는 잔류 염소 성분을 제거하고 있다. 그러나, 불소를 함유한 플라즈마를 이용하기 때문에 상술한 바와 같은 문제가 여전히 존재한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 특허공고 제95-5351호와 대한민국 공개특허 제2001-35852호는 각각 산소(O2) 및 암모니아(NH3)를 포함하는 혼합가스 사용하여 플라즈마 공정을 수행하는 방법과 H2N2 및 산소의 혼합가스에 의해 형성된 플라즈마에 노출시키는 방법을 포함하는 금속막의 부식 방지 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기와 같이 혼합가스를 사용하기 때문에 혼합가스의 혼합 비율에 따라 부식을 방지하는 정도가 큰 영향을 받는 문제가 있고 부식 방지 효과가 여전히 미미한 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 알루미늄 및 그 합금을 포함한 반도체 소자의 금속막을 건식 식각한 후 인 시투로 N2O 플라즈마를 이용하여 그 표면에 측면 산화막을 형성하고 불활성 가스를 사용한 스퍼터 에치로 측면 산화막의 일부를 제거함으로써 금속막의 부식을 방지하면서 동시에 금속막에 의한 브리지 형성을 억제하고 금속막의 프로파일을 개선하여 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 소정 패턴의 포토레지스트 하부에 존재하는 금속막을 식각하는 단계, 상기 식각이 진행되는 동일 챔버에서 N2O 플라즈마를 이용하여 상기 금속막 표면을 산화시키는 단계 및 상기 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설 명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법을 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 산화막(202), 배리어막(204), 금속막(206) 및 반사방지막(208)이 차례로 형성된 기판(200) 상에 포토레지스트(210)를 코팅하고 패터닝한 후 염소를 포함하는 플라즈마(예를 들어, Cl2, BCl3 가스를 사용한 플라즈마)를 이용하여 상기 반사방지막(208), 금속막(206) 및 배리어막(204)을 건식 식각한다. 상기 건식 식각은 반응성 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etch)을 통해 수행하는 것이 바람직하다.
상기 금속막은 알루미늄, 알루미늄 합금(예를 들어, Al-Cu) 또는 알루미늄-실리콘 합금(예를 들어, Al-Si-Cu) 등으로 이루어진 단층막 또는 다층막이 바람직하나 그 제한이 있는 것은 아니며 본 발명은 모든 금속 및 그 합금으로 구성된 단층막 및 다층막에 적용 가능하다.
특히, 상기 금속막(206)이 알루미늄막일 경우, 알루미늄의 융점은 약 660℃ 정도로 낮기 때문에 전자의 이동에 의해 알루미늄 원자가 잘 이동되므로 전기적 이동(ElectroMigration, 이하 EM)에 취약하다. 이러한 EM을 방지하기 위해 알루미늄막의 하부에 Ti, TiN, W, TiW와 같은 배리어막(204)을 형성하기도 한다. 상기 금속막(206)의 상부에는 TiN, Ti/TiN과 같은 반사방지막(208)을 형성하는데 상기 금속막(206)이 알루미늄막일 경우에는 힐락 형성을 방지하고 EM 및 SM(Stress Migration)을 방지하여 배선의 신뢰성을 높이는 효과도 존재한다. 상기 배리어막(204)과 반사방지막(208)은 일례를 들어 나타낸 것으로 반드시 존재해야 하는 것은 아니다.
상기 금속막(206)의 폭(W)은 형성하고자 하는 임계치수(CD: Critical Dimension) 타겟(Target)보다 50Å 내지 150Å 정도 두껍게 형성하도록 한다. 이는 이후의 공정에서 형성되는 측면 산화막의 두께를 고려한 것이다. 상기 금속막(206)을 식각할 때 어느 정도 과식각(Over etch)하는 것이 보통이나 본 발명에서는 과식각을 하지 않고 상기 금속막(206)의 식각이 끝나면 더 이상 금속막의 하부에 존재하는 산화막(202)의 식각이 이루어지지 않도록 한다.
다음, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 금속막(206)의 식각이 진행되는 동일 챔버에서 연속적(In situ)으로 N2O 플라즈마를 이용하여 상기 금속막(206)의 표면을 산화시켜 측면 산화막(212)을 형성한다. 상기 금속막(206)의 표면에 존재하는 염소 잔류 성분은 N2O 플라즈마에 의해 산화되어 제거된다. 염소 잔류 성분을 더 효과적으로 제거하기 위해서는 N2O 플라즈마에 노출하기 전에 H2O 플라즈마에 노출시켜 염소 성분을 염화수소로 형성하여 배기하는 공정을 추가할 수도 있다. 이때 형성되는 측면 산화막(212)의 두께는 50Å 내지 150Å 정도가 되도록 한다.
다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 불활성 가스를 플라즈마 상태에서 불활성 이온으로 만든 후 가속시켜 물리적으로 식각하는 스퍼터 에치(Sputter etch 또는 Ion beam etch) 방법을 사용하여 상기 측면 산화막(212)의 일부를 제거하면서 상기 산화막(202) 또한 식각(214)되도록 하여 금속막에 의한 브리지를 방지함과 동시에 상기 금속막(206)의 프로파일을 개선한다. 이때 상기 포토레지스트(210)의 일부가 제거된다. 상기 불활성 가스로는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 및 Rn 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트(210)를 제거한다. 상기 포토레지스트(210)의 제거는 Cl2 및 CHF3 가스에 의한 플라즈마 애싱을 통해 수행하는 것이 바람직하며 플라즈마 형성을 위한 애싱 챔버의 조건은 0.7 내지 1.3 Torr의 압력, 800 내지 1700W의 전력, 20 내지 80초의 시간 및 상온 이하의 온도로 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
상술한 도 2a의 금속막의 식각부터 도 2d의 포토레지스트 제거까지의 일련의 공정은 동일한 에치 장비 내에서 연속적으로 진행하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명 실시예는 소정 패턴의 포토레지스트 하부에 존재하는 금속막을 식각하는 단계, N2O 플라즈마를 이용하여 상기 금속막 표면을 산화시키는 단계, 불활성 가스를 사용한 스퍼터 에치로 상기 산화된 금속막의 일부를 제거함과 동시에 상기 금속막을 과식각하는 단계 및 플라즈마 애싱으로 상기 포토레지스트를 제거하는 단계로 구성된 일련의 공정을 나타낸 것이나 상기 불활성 가스에 의한 스퍼터 에치를 생략하고 소정 패턴의 포토레지스트 하부에 존재하는 금속막을 과식각하는 단계, N2O 플라즈마를 이용하여 상기 금속막 표면을 산화시키는 단계 및 플라즈마 애싱으로 상기 포토레지스트를 제거하는 단계로 이루어지는 일련의 공정 또한 가능하다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법은 알루미늄 및 그 합금을 포함한 반도체 소자의 금속막을 건식 식각한 후 인 시투로 N2O 플라즈마를 이용하여 금속막 표면에 측면 산화막을 형성하고 불활성 가스를 사용한 스퍼터 에치로 상기 산화막의 일부를 제거함과 동시에 금속막을 과식각함으로써 금속막의 부식을 방지하고 브리지 형성을 억제하며 금속막의 프로파일을 개선할 뿐만 아니라 배리어막의 언더컷, 산화막의 손상 및 금속막의 변형을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성과 수율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법에 있어서,
    소정 패턴의 포토레지스트 하부에 존재하는 금속막을 식각하는 단계;
    상기 식각이 진행되는 동일 챔버에서 N2O 플라즈마를 이용하여 상기 금속막 표면을 산화시키는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막 표면을 산화시키는 단계 후, 불활성 가스를 사용한 스퍼터 에치로 상기 산화된 금속막의 일부를 제거하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 및 Rn 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 알루미늄 실리콘 합금을 포함하는 단층막이거나 다층막임을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막을 식각하는 단계는 염소를 포함하는 플라즈마를 이용하여 건식 식각하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속막의 식각시 임계치수 타겟보다 50 내지 150Å 정도 두껍게 금속막이 형성되도록 식각하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화된 금속막의 두께는 50 내지 150Å 임을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토레지스트를 제거하는 단계는 Cl2 및 CHF3 가스의 플라즈마 애싱을 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속 부식 방지 방법.
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