KR100971045B1 - 수증기 및 희석 가스를 이용하여 강화되는 수소 애슁 방법 - Google Patents

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Abstract

수소화 실리콘 산탄화물 재료 기재 저-k 유전체 재료에 특히 유용한 무산소 수소 플라즈마 애슁 공정이 개시된다. 주요 애슁 단계는 수소(50)의 플라즈마(48) 및 선택적인 질소(54), 많은 양의 수증기(60), 및 많은 양의 아르곤(80) 또는 헬륨으로 미리 애칭된 유전체 층을 노출하는 단계를 포함한다. 특히 다공성 저-k 유전체를 위해, 주요 애슁 플라즈마는 메탄과 같은 탄화수소 가스(84)를 더 포함한다. 주요 애슁 전에 수소 및 선택적인 질소와 같은 수소-함유 환원 가스의 플라즈마에 의해 짧은 표면 처리가 선행될 수 있다.

Description

수증기 및 희석 가스를 이용하여 강화되는 수소 애슁 방법 {HYDROGEN ASHING ENHANCED WITH WATER VAPOR AND DILUENT GAS}
본 발명은 일반적으로 집적 회로의 제조 시 재료의 플라즈마 에칭에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 포토레지스트의 애슁(ashing)에 관한 것이다.
플라즈마 에칭(plasma etching)은 실리콘 집적 회로의 제조에서 널리 이용된다. 종종 유전체 에칭으로 지칭되는 공정 단계 중 하나의 공정은 집적 회로의 상이한 레벨들 사이에 수직 전기 연결을 제공하도록 유전체 층을 통하여 홀(hole)을 형성하기 위하여 이용된다. 프로토타입의 비아(via) 구조물이 도 1에서 단면으로 개략적으로 도시되어 있다. 웨이퍼의 표면에 형성된 하부 유전체 층(10)은 표면에 형성된 전도성 피쳐(12)를 가진다. 상부 유전체 층(14)은 하부 유전체 층(10) 및 전도성 피쳐(12) 상에 증착된다. 평면형 포토레지스트 층(16)은 지금까지 패턴화되지 않은 상부 유전체 층(14) 상으로 형성되고(spin) 스테퍼는 방사 패턴에 따라 포토그래픽 방식으로(photographically) 노출하여 포토레지스트 층(16)을 통하여 마스크 통공(18)을 형성하도록 하여 전도성 피쳐(12) 위에 배치되는 마스크 통공(18)을 구비한 포토마스크를 형성하도록 하여 비아를 경유하여 전기적으로 접촉되도록 한다. 에칭 하드 마스크 또는 반사 방지 코팅과 같은 포토레지스트 층(16)과 상부 유전체 층(14) 사이에 부가 층이 형성될 수 있다. 포토마스크형 웨이퍼는 플라즈마 에칭 반응기 내로 배치되며, 플라즈마 에칭 반응기는 상부 유전체 층(14)을 통하여 하방으로 전도성 피쳐로 에칭되어 비아 홀(20)을 형성한다. 통상적으로, 동일한 에칭 반응기는 또한 존재하는 경우, 에칭 화학물이 층들 사이에서 변화되면서 반사 방지 코팅 및 하드 마스크를 통하여 에칭된다. 유전체 에칭은 통상적으로 예를 들면, 헥사플루오르부타디엔(C4F6)을 이용하는, 플루오르카본 화학적 작용을 기초로 한다.
유전체 에칭 후, 비아 홀(20)은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속으로 채워져서 전도성 피쳐(12)로 수직 전기 연결을 제공한다. 구리 금속화에 통상적으로 이용되는 이중-물결무늬 구조를 위해, 비아 홀(20)은 상부에서 수평으로 연장하는 트렌치로 연결되는 상부 유전체 층(14)의 바닥에서 더 짧은 비아 홀로 대체되고, 둘다 동시에 구리로 채워진다. 접촉 층 금속화를 위해, 비록 이 경우 적절하게는 접촉 홀로 지칭되는, 비아 홀(20)을 구비한 인터페이스에서 복합 규화물 및 가스 산화물이 있을 수 있지만, 하부 유전체 층(10)은 활성 실리콘 층으로 대체되고 전도성 피쳐(12)는 또한 실리콘으로 구성된다.
유전체 에칭의 완료시, 포토레지스트의 일부는 유전체 층(14)의 상부에 남아 있을 수 있거나 종종 탄소를 포함하는 합성물의 에칭 잔류물이 비아 홀(18)에 남아 있을 수 있다. 잔류물은, 수직 에칭 프로파일을 형성하는 것을 보조하거나 비아 홀(20)의 바닥부에서 일부를 포함하는 격리된 에칭 잔류물을 형성하는, 비아 홀(20)의 측부 상에 폴리메릭 코팅(22)을 형성할 수 있다. 유사한 폴리메릭 코팅은 경화성 외측면을 형성하도록 포토레지스트의 나머지를 덮을 수 있다. 금속 충전 공정은 비아 홀(20)이 배리어 층, 및 전기화학적 도금(ECP)으로 수행되는 구리 금속화의 경우, 시드 층 및 전기 도금 전극에 작용하는 구리 층을 포함하는 등각 라이너로 코팅될 것을 요구한다. 현재, 배리어 층은 통상적으로 TaN/Ta의 이중층이고 구리 시드 층이 스퍼터링의 진보된 형태로 증착될 수 있다. 포토레지스트 및 다른 잔류물이 비아 측벽으로의 부착이 저하되고 비아 바닥부에서의 접촉 저항이 증가되고 이 두 경우에서 장치 생산 및 신뢰성에 영향을 미치기 때문에 포토레지스트 및 다른 잔류물은 비아 홀을 라이닝하는 층의 증착 전에 구조물로부터 제거되어야 하는 것이 중요하다.
플라즈마 애슁(plasma ashing)은 에칭 후 포토레지스트 및 다른 잔류물을 제거하기 위해 오랜동안 실시되어 왔다. 산소 플라즈마는 탄소 기재 층으로부터 에칭시 매우 효율적이다. 비록 애슁(ashing)은 종래에 다수의 웨이퍼의 배치 프로세싱을 위해 설계되는 배리어 애쉬어(asher)로 실시되었지만, 더 많은 현 기술은 개별 에칭 반응기로서 또는 유전체 에칭을 위해 이용되는 동일한 플라즈마 에칭 반응기에서 수행되는 개별 처리 단계에서 단일 웨이퍼 플라즈마 애쉬어를 이용한다.
종래의 애슁은 유전체 층이 SiO2 의 유사한 화학적 구성을 가지고 약 3.9의 유전체 상수(k)를 가지는 실리콘 일산화물(실리카)로 형성된다. 그러나 애슁은 진보된 집적회로를 위해 요구되는 더 많은 저-k 유전체로 인가될 때 어려움이 존재한다. 초기에 저-k 유전체가 유전체 상수를 약 3.5로 감소시키기 위해 플루오르 실리카를 도핑함으로써 형성된다. 3 아래 범위(low-3 range)에 있는 더 낮은 유전체 상수조차 미국의 캘리포니아 산타 클라라의 어플라이드 머티어리얼스로부터 입수가능한 블랙 다이아몬드 유전체와 같은 수소화 실리콘 산탄화물 재료(hydrogenated silicon oxycarbide material)에 의해 얻을 수 있다. 3 보다 작은 여전히 낮은 유전체 상수가 다공성이 되는 이 같은 재료를 증착함으로써 얻을 수 있다. 이러한 재료의 산소 애슁은 많은 문제점을 일으킨다. 산소 플라즈마는 탄소를 포함하는 포토레지스트 잔류물 및 다른 잔류물을 공격만 하지 않으며, 또한 실리콘 산탄화물의 탄소 함량을 고갈시키는 경향이 있어 유전체 상수가 증가된다. 다공성 유전체 재료는 상대적으로 부서지기 쉬우며 더욱이 구멍 내로의 산소의 부분 침수에 의해 산소 플라즈마로부터 손상을 받아 구멍이 붕괴되기가 쉽다.
따라서, 진보된 애슁은 산소 플라즈마의 산화 화학적 작용으로부터 수소 및 가능하게는 질소, 예를 들면, H2, H2/N2, 또는 NH3의 일부 조합물로 형성되는 플라즈마의 감소된 화학적 작용으로 변위된다. 수소 래디컬 H* 기재 애슁은 산소 에칭보다 더 작은 유전체 손상 및 더 높은 성능을 보여준다. 그러나, 수소 래디컬 밀도는 단지 환원 가스의 환경에서 발생되는 저 수소 래디컬 밀도 및 저환원 반응 속도에 의한 매우 느린 공정이다. 산소 애슁은 20초의 공정을 요구하는 반면, 수소 애슁은 10배 긴 시간을 요구할 수 있어, 이는 확실한 경제적 단점이 된다. 따라서, 종종 작은 양의 산소가 애슁 속도 및 애슁 효율을 증가시키기 위해 감소된 가스에 부가될 수 있다. 그러나, 다공성 저-k 재료는 작은 양의 산소에 조차 민감하여, 실리콘 산탄화물 재료로부터 상당한 탄소를 제거할 수 있고 유전체 상수를 증가시킨다.
산소가 없는 플라즈마 애슁 공정은 산소 가스, 선택적인 질소 가스, 수증기 및 아르곤 또는 헬륨과 같은 다른 불활성 또는 희석 가스로부터 형성된 플라즈마를 포함한다. 암모니아는 수소 및 질소를 대체할 수 있다. 플라즈마는 수소 가스보다 더 많은 수증기, 및 수증기보다 더 많은 불활성 가스로부터 형성된다.
애슁은 특히 저-k 유전체 재료 함유 탄소 뿐만 아니라 실리콘 산화물, 예를 들면, 수소화 실리콘 산탄화물에 유용하다.
선택적으로, 메탄과 같은 탄화수소가 주요 애싱 단계의 플라즈마에 부가될 수 있다. 탄화수소의 부가는 특히 예를 들면 3 보다 작은 유전체 상수를 가지는 다공성의 저-k 유전체 재료에 유용하다.
초기의 산소가 없는 플라즈마 애슁 또는 표면 처리 단계는 수소 또는 암모니아, 및 수증기를 제외하지 않은 선택적인 질소 가스와 같은 수소 함유 환원 가스로부터 형성되는 플라즈마를 포함한다. 표면 처리 단계는 주 애슁 단계보다 더 짧을 수 있다.
수소 기재 애슁 플라즈마로의 많은 양의 아르곤 및 수증기의 부가는 수소 래디컬의 농도를 상당히 증가시키고, 저-k 유전체에 대한 손상을 감소시키면서 애슁 속도(ashing rate)를 증가시킨다.
본 발명은 도 2에서 단면으로 개략적으로 도시된, 플라즈마 애슁 반응기(30)에서 실시될 수 있다. 진공 처리 챔버(32)는 낮은 Torr 범위로 진공 펌핑 시스템(36)에 의해 펌핑된다. 챔버(32) 내의 페데스탈(38)은 다수의 통공(44)을 통하여 공정 가스를 공급하는 가스 샤워헤드(42) 반대쪽에서 애슁되는 웨이퍼(40)를 지지한다.
공정 가스는 공정 가스를 플라즈마로 여기시키는(excite) 원격 플라즈마 소스(48)를 통하여 샤워헤드(42)의 후방에 있는 매니폴드(46)로 공급된다. 원격 플라즈마 소스(48)는 진공 처리 챔버(32)로부터 이격된 거리에 위치할 수 있지만 원격 플라즈마 소스(48) 내에 발생된 플라즈마를 포함하는 가스가 활성 플라즈마 상태로 진공 처리 챔버(32) 내로 유동하므로, 여전히 진공 처리 챔버에 대한 부속 부품으로 고려된다. 바람직하게는, 주로 래디컬 및 상대적으로 적은 플라즈마 이온이 진공 처리 챔버(32) 내로 전달된다. 원격 플라즈마 소스 및 매니폴드의 일부가 미국 특허 출원 공보 2007/0190266호로서 지금 상세하게 공개되고 2006년 2월 10일에 출원된 미국 특허 출원 11/351,676호로 푸(Fu)에 의해 상세하게 공개된다. 원격 플라즈마 소스(48)는 서브(sub)-기가헤르쯔 범위, 예를 들면 270 내지 650 kHz에서 작동하는 RF 여기 소스, 또는 낮은 기가헤르쯔 범위, 예를 들면 2.54 GHz에서 작동하는 마이크로웨이브 여기 소스를 이용할 수 있다. 원격 플라즈마 소스(48)는 유용하게는 하전된 입자 필터를 포함하여 챔버로 전달되는 플라즈마가 단지 중성 래디컬 및 하전되지 않은 이온만을 포함하도록 한다. 수소 가스(H2)가 주로 애슁 가스로서 이용되는 경우, 수소 가스 소스(50)로부터 매스 유동 제어기(52)를 통하여 원격 플라즈마 소스(48)로 공급된다. 질소 가스(N2)는 질소 가스 소스(54)로부터 또 다른 매스 유동 제어기(56)를 통하여 공급될 수 있다. 질소는 수소 래디컬 에칭을 위한 패시베이터(passivator)로서 작용하도록 하는 경향이 있다.
수증기(H2O)는 액체형태의 물의 풀(62)을 포함하는 진공 밀봉된 물 앰풀로부터 원격 플라즈마 소스(48)로 공급된다. 매스 유동 제어기(64)는 앰풀(60)로부터 수증기를 계량한다. 상온에서 물의 증기 압력은 약 20 Torr이고, 이는 원격 플라즈마 소스(48)가 작동하는 통상의 진공 레벨 위에서 유용하다. 따라서, 앰풀(60)이 펌핑되면, 약 20 Torr의 압력을 가지는 수증기가 앰풀(60) 내의 액체형태의 물 풀(62) 위의 헤드 공간(66)에 존재한다. 앰풀(60)은 배관의 길이를 최소화하기 위해 챔버(32) 상에 직접 장착될 수 있으며, 배관의 벽 위에서, 물이 응축된다.
제어기(70)는 CDROM과 같은 녹음가능한 매체(72)로 제어기(70) 내로 삽입되는 레시피(recipe)에 따라 작용하고 펌핑 시스템(36), 원격 플라즈마 소스(48), 및 이미 설명된 매스 유동 제어기(52, 56, 64) 뿐만 아니라 나머지를 포함하는 다양한 매스 유동 제어기를 제어한다.
본 발명에 따라, 아르곤(Ar)과 같은 다른 불활성 가스는 매스 유동 제어기(82)에 의해 계량되는 아르곤 가스 소스(80)로부터 공급된다. 헬륨(He)은 아르곤으로 대체될 수 있다. 아르곤은 여기 아르곤 래디컬의 에너지가 물 성분으로 전달되는, 페닝 공정(Penning process)이 되는 H2O의 H* 및 OH* 로의 해리를 증진한다. 따라서, 수소 래디컬 H* 의 매우 높은 밀도가 H2 하나만으로 가능한 것보다 수증기로부터 형성된다. 결과적으로, 비록 아르곤 및 헬륨이 보통 불활성 희석 가스가 되는 것이 고려되지만, 아르곤 및 헬륨은 실제 애슁에서 불활성으로 남아 있지만, 활성 애슁 래디컬의 높은 밀도의 발생을 증진한다. 그럼에도 불구하고, 레시피에 유용하게 포함되는 H2 가 산소 래디컬 O* 의 발생을 억제한다. 또한, N2 는 유용하게는 H2O의 해리를 강화할 뿐만 아니라 애슁 공정 동안 일부 패시베이션을 제공하기 위하여 부가된다.
표 1로 작성된 수화 실리콘 산화탄소의 공정의 일 실시예는 공정 가스가 표준 평방 센티미터(sccm)로 제시되면서 표 1에서 작성된 두 개의 단계 공정이다.
Figure 112008027754759-pat00001
표 1
제 1 단계는 초기 애슁 단계로서, 적당한 소프트 에칭(soft etch) 또는 표면 처리 단계이며 포토레지스트의 표면 또는 폴리메릭 측벽 코팅을 경화시키기 않는다. 제 1 단계는 주로 수소 환원 화학 원리를 기초로 한다. 그러나, 표면을 에칭하는 것만을 의도한다. H2/N2는 H2 홀로 또는 암모니아(NH3)와 같은 다른 환원 가스로 대체될 수 있다. 제 2 단계는 포토레지스트 및 잔류물의 벌크 부분을 신속하게 제거하도록 한다. 제 2 단계는 주요 애슁 단계이고 초기 표면 처리 단계보다 길다.
요약된 레시피는 단지 본 발명의 공정을 대표하는 것으로 이해된다. 압력 범위는 0.5 내지 5 Torr, RPS 소스 전력 범위는 300 mm 챔버에 대해 2kW 내지 8kW로, 수소 유동은 200 내지 2000 sccm, 아르곤 유동은 3000 내지 10,000 sccm, 및 수증기 유동은 500 내지 3000 sccm으로, 용이하게 연장한다. 위에서 언급된 바와 같이, 헬륨은 아르곤으로 대체될 수 있다. 일반적인 의미로, 제 1 단계에서, 주로 수소가 공급되지만 더 적은 양의 질소가 공급될 수 있다. 제 2 단계에서, 물보다 더 많은 아르곤 및 수증기보다 더 적은 수소가 공급된다. 산소 가스 또는 래디컬 형태의 오존이 어느 한 단계에 공급되지 않는다.
제 2 단계의 주요 애슁 공정은 제 1 단계의 주요 표면 처리 없이 실시될 수 있거나 소정의 다른 타입의 주요 처리로 실시될 수 있다.
표 1의 레시피는 수소화 실리콘 산탄화물의 비 다공성 저-k 유전체에 대해 효율적이다. 그러나, 동일하고 일반적인 구성의 지금 선호되는 다공성 저-k 유전체에 대해, 부가 패시베이션이 바람직하다. 따라서, 메탄(CH4)과 같은 탄화수소는 탄화수소 가스 소스(84)로부터 또 다른 매스 유동 제어기(86)를 통하여 공급될 수 있지만, 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 및 아세틸렌(C2H2) 뿐만 아니라 더 많은 알칸, 알켄, 알킨 등과 같은 수소 및 탄소로 이루어지는 다른 탄소-및 탄화수소가 대체될 수 있다. 다공성 저-k 유전체에 선호되는 레시피는 표 2에 기재되어 있다.
Figure 112008027754759-pat00002
표 2
표 2의 레시피는 다른 성분보다 실질적으로 작은 양의 메탄의 제 2 단계에서 의 부가를 제외하고 표 1의 레시피를 근접하게 따른다. 작은 양의 탄화수소는 유전체 재료의 기공을 밀봉함으로써 노출된 다공성 저-k 유전체에 보호막을 씌우고 보호하고 에칭 플라즈마 특히 산소 성분이 기공부 안으로 깊게 투과하여 유전체 재료가 저하되는 것을 방지한다.
본 발명은 원격 플라즈마 소스를 이용하는 플라즈마 애쉬어로 제한되지 않지만 플라즈마 다이오드 에칭 반응기에서 실시될 수 있으며, 플라즈마 다이오드 에칭 반응기에서 플라즈마가 웨이퍼 또는 다른 기판에 인접한 진공 챔버 내에 발생하지만 플라즈마의 이온 함량은 최소화될 것이 요구된다. 또한, 본 발명은 설명된 저-k 유전체의 수소화 실리콘 산탄화물로 제한되지 않지만 다른 타입의 유전체 재료에 적용될 수 있으며 실제로 금속 또는 실리콘 에칭 공정 후 애슁으로 적용될 수 있다.
따라서 본 발명은 저-k 유전체 재료를 애슁하는데 특히 유용하고 신속한 보호 애슁 공정을 제공한다.
도 1은 잔류 포토레지스트, 측벽 폴리메릭 코팅, 및 다른 에칭 잔류물을 포함하는 유전체 에칭이 애시에 의해 제거된 후의 비아 홀의 단면도이며,
도 2는 본 발명으로 이용가능한 플라즈마 애쉬어의 개략적인 단면도이다.

Claims (15)

  1. 애슁 방법으로서,
    애슁 공정으로 처리되는 홀을 포토마스크에 따라 기판의 유전체 층 내에서 에칭하는 선행 단계, 및
    주요 애슁 가스의 플라즈마를 상기 기판으로 인가하는 상기 애슁 공정의 주요 애슁 단계를 포함하며,
    상기 주요 애슁 가스는 수소 가스 및 암모니아 가스로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 제 1 양(amount)의 환원 가스, 상기 제 1 양의 환원 가스 보다 많은 제 2 양의 수증기, 및 아르곤과 헬륨으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 3 양의 가스를 포함하고, 산소 가스를 포함하지 않으며,
    상기 제 3 양의 가스는 상기 제 2 양의 수증기 보다 많은,
    애슁 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원 가스는 수소 가스를 포함하는,
    애슁 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원 가스는 암모니아 가스를 포함하는,
    애슁 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 주요 애슁 가스는 제 4 양의 탄화수소 가스를 더 포함하는,
    애슁 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 4 양의 탄화수소 가스는 상기 제 1 양의 환원 가스보다 적은,
    애슁 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄화수소 가스는 메탄을 포함하는,
    애슁 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주요 애슁 단계 전 및 상기 에칭하는 선행 단계 후에 수행되며 초기 애슁 가스의 플라즈마를 상기 기판으로 인가하는 초기 애슁 단계를 더 포함하며,
    상기 초기 애슁 가스는 제 5 양의 수소 함유 환원 가스를 포함하고 탄화수소 또는 수증기를 포함하지 않는,
    애슁 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수소 함유 환원 가스는 수소 가스를 포함하는,
    애슁 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 초기 애슁 가스는 상기 제 5 양의 수소 함유 환원 가스 보다 적은 제 6 양의 질소 가스를 더 포함하는,
    애슁 방법.
  11. 미리 에칭되는 홀을 구비한 유전체 층을 가지는 기판의 애슁 방법으로서,
    상기 기판이 배치되고 보조 장치를 포함하는 플라즈마 에칭 챔버 내에서 수행되는 단계를 포함하고,
    제 1 양의 수소 가스를 포함하고 산소 또는 수증기를 포함하지 않은 제 1 가스 혼합물을 제 1 플라즈마로 여기시키는 제 1 단계,
    상기 제 1 단계에 이어서, 제 2 양의 수소 가스, 제 3 양의 수증기, 및 아르곤 및 헬륨으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 제 4 양의 불활성 가스를 포함하고 산소를 포함하지 않는 제 2 가스 혼합물을 제 2 플라즈마로 여기시키는 제 2 단계를 포함하는,
    기판의 애슁 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보조 장치는 상기 제 1 및 제 2 플라즈마가 여기되어 상기 챔버 내로 유동하는 원격 플라즈마 소스를 포함하는,
    기판의 애슁 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 혼합물은 질소를 더 포함하는,
    기판의 애슁 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 가스 혼합물은 제 5 양의 탄화수소 가스를 더 포함하는,
    기판의 애슁 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄화수소 가스는 메탄을 포함하는,
    기판의 애슁 방법.
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