KR102779927B1 - Methods for patterning metal layers - Google Patents
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Abstract
본 개시내용은 디바이스의 상호연결 구조를 제조하기 위한 프로세스의 부분으로서 상호연결 층에 피처(feature)들을 형성하기 위해 디바이스(예컨대, 반도체 디바이스)의 금속 층을 패터닝하기 위한 방법들을 제공한다. 개시된 방법들은, 선택성이 개선된, 몰리브덴 층을 패터닝하기 위한 프로세스들을 설명한다. 예컨대, 본 개시내용은 다른 디바이스 구조들 또는 재료들을 손상시키지 않으면서 어닐링 또는 에칭에 의해 몰리브덴 층의 영역들을 개질 및 제거하기 위한 방법들을 제공한다.The present disclosure provides methods for patterning a metal layer of a device (e.g., a semiconductor device) to form features in the interconnection layer as part of a process for fabricating an interconnection structure of the device. The disclosed methods describe processes for patterning a molybdenum layer with improved selectivity. For example, the present disclosure provides methods for modifying and removing regions of a molybdenum layer by annealing or etching without damaging other device structures or materials.
Description
[0001] 본 개시내용의 실시예들은 반도체 디바이스 구조들을 형성하기 위한 방법들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용의 실시예들은 기판 상의 금속 층들을 패터닝하는 방법들에 관한 것이다.[0001] Embodiments of the present disclosure relate to methods for forming semiconductor device structures. More specifically, embodiments of the present disclosure relate to methods for patterning metal layers on a substrate.
[0002] 집적 회로들은, 단일 칩 상에 수백만 개의 트랜지스터들, 커패시터들, 및 저항기들을 포함할 수 있는 복잡한 디바이스들로 진화되었다. 칩 설계의 진화는 더 큰 회로 밀도를 유발하여 칩들의 프로세스 능력 및 속도를 개선하였다. 더 큰 회로 밀도들에 따른 더 빠른 프로세싱 능력에 대한 요구들은, 대응하는 요구들을 그러한 집적 회로들을 제작하는 데 사용되는 재료들에 부과한다. 특히, 집적 회로 컴포넌트들의 치수들이 10 nm 미만의 스케일로 감소됨에 따라, 그러한 컴포넌트들로부터 적절한 전기적 성능을 획득하기 위해, 저 유전 상수 절연 재료들뿐만 아니라 저 저항률의 전도성 재료들이 사용된다.[0002] Integrated circuits have evolved into complex devices that can contain millions of transistors, capacitors, and resistors on a single chip. The evolution of chip design has led to greater circuit densities, which have improved the processing capabilities and speeds of the chips. The demands for faster processing capabilities due to greater circuit densities have placed corresponding demands on the materials used to fabricate such integrated circuits. In particular, as the dimensions of integrated circuit components have shrunk to scales below 10 nm, low-k insulating materials as well as low-resistivity conductive materials are used to obtain adequate electrical performance from such components.
[0003] 상호연결부(interconnect)들은 집적 회로의 다양한 전자 컴포넌트들 사이에 전기 연결들을 제공하고, 집적 회로를 다른 회로들에 연결하기 위한 디바이스의 외부 접촉 엘리먼트들(예컨대, 핀(pin)들)과 이러한 컴포넌트들 사이에 연결들을 형성한다. 전통적으로, 구리는 상호연결 층들에 대해 선택된 재료였다. 그러나, 10 nm 미만의 스케일에서, 종래의 구리 상호연결부들은 감소된 전도도를 나타내어, 구리를 진보된 노드들에 대해 바람직하지 않은 재료로 만든다. 최근, 상호연결 재료로서 구리의 결함들을 극복하기 위해 대안적인 재료들이 모색되었다. 하나의 그러한 재료는 몰리브덴이다. 몰리브덴 상호연결부들은 심지어 10 nm 미만의 스케일에서도 바람직한 전기적 특성들을 나타낸다. 그러나, 몰리브덴은 고경도 금속이기 때문에, 몰리브덴 상호연결 층들은 반도체 디바이스 제작 동안 패터닝하기가 여전히 어렵다.[0003] Interconnects provide electrical connections between the various electronic components of an integrated circuit and form connections between these components and external contact elements (e.g., pins) of the device for connecting the integrated circuit to other circuits. Traditionally, copper has been the material of choice for interconnect layers. However, at scales below 10 nm, conventional copper interconnects exhibit reduced conductivity, making copper an undesirable material for advanced nodes. Recently, alternative materials have been sought to overcome the deficiencies of copper as an interconnect material. One such material is molybdenum. Molybdenum interconnects exhibit desirable electrical properties even at scales below 10 nm. However, because molybdenum is a hard metal, molybdenum interconnect layers remain difficult to pattern during semiconductor device fabrication.
[0004] 따라서, 몰리브덴 층들을 패터닝하기 위한 개선된 방법들이 당해 기술분야에서 필요하다.[0004] Therefore, there is a need in the art for improved methods for patterning molybdenum layers.
[0005] 일 실시예에서, 몰리브덴 상호연결 층을 패터닝하는 방법이 제공된다. 방법은 기판 상에 몰리브덴 층을 형성하는 단계를 포함한다. 그런 다음, 마스킹 층이 몰리브덴 층 위에 형성되고, 몰리브덴 층의 영역들을 주변에 노출시키도록 패터닝된다. 몰리브덴 상호연결 층의 몰리브덴 산화물 부분들을 형성하기 위해, 몰리브덴의 노출된 영역들이 산소로 개질된다(modified). 개질 후에, 몰리브덴 상호연결 층의 몰리브덴 산화물 부분들은 에칭 프로세스를 통해 기판으로부터 제거된다.[0005] In one embodiment, a method of patterning a molybdenum interconnect layer is provided. The method comprises forming a molybdenum layer on a substrate. A masking layer is then formed over the molybdenum layer and patterned to expose regions of the molybdenum layer to the surroundings. The exposed regions of the molybdenum are modified with oxygen to form molybdenum oxide portions of the molybdenum interconnect layer. After the modification, the molybdenum oxide portions of the molybdenum interconnect layer are removed from the substrate through an etching process.
[0006] 일 실시예에서, 패터닝된 기판 상에 금속 상호연결 층을 형성하는 방법이 제공된다. 방법은 패터닝된 기판 상에 몰리브덴 층을 형성하는 단계를 포함한다. 몰리브덴 층 상에 마스킹 층이 형성되며, 마스킹 층은 몰리브덴 층의 원하지 않는 영역들을 주변에 노출시키도록 패터닝된다. 그런 다음, 패터닝된 기판은 몰리브덴 층의 원하지 않는 영역들을 제거하기 위해 중성 입자 빔에 노출된다.[0006] In one embodiment, a method of forming a metal interconnect layer on a patterned substrate is provided. The method comprises forming a molybdenum layer on the patterned substrate. A masking layer is formed on the molybdenum layer, and the masking layer is patterned to expose unwanted regions of the molybdenum layer to its surroundings. The patterned substrate is then exposed to a neutral particle beam to remove the unwanted regions of the molybdenum layer.
[0007] 일 실시예에서, 기판 상에 금속 상호연결 층을 패터닝하는 방법이 제공된다. 방법은 기판 상에 몰리브덴 상호연결 층을 형성하는 단계를 포함한다. 몰리브덴 층 상에 마스크가 형성되고, 몰리브덴 상호연결 층의 영역들을 노출시키도록 패터닝된다. 그런 다음, 기판은 기판 프로세싱 챔버의 기판 프로세싱 구역 내로 배치되고, 몰리브덴 상호연결 층의 노출된 영역들을 제거하기 위해, 약 20 bar 내지 약 55 bar의 범위 내의 부분 압력 및 약 250℃ 내지 약 550℃의 범위 내의 온도에서 가스상 H2O에 노출된다.[0007] In one embodiment, a method of patterning a metal interconnect layer on a substrate is provided. The method comprises forming a molybdenum interconnect layer on the substrate. A mask is formed over the molybdenum layer and patterned to expose regions of the molybdenum interconnect layer. The substrate is then placed into a substrate processing region of a substrate processing chamber and exposed to gaseous H 2 O at a partial pressure in the range of about 20 bar to about 55 bar and a temperature in the range of about 250° C. to about 550° C. to remove the exposed regions of the molybdenum interconnect layer.
[0008] 본 개시내용의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 앞서 간략히 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 예시적인 실시예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하며, 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
[0009] 도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 디바이스, 이를테면, 반도체 디바이스의 몰리브덴 상호연결 층을 패터닝하기 위한 방법의 흐름도를 예시한다.
[0010] 도 2a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 기판 상의 하나 이상의 층들의 부분들이 제거되기 전의, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스의 부분의 개략적인 단면도를 예시한다.
[0011] 도 2b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 기판 상의 하나 이상의 층들의 부분들이 개질된 후의, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스의 부분의 개략적인 단면도를 예시한다.
[0012] 도 2c는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 기판 상의 하나 이상의 층들의 부분들이 개질된 후의, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스의 부분의 개략적인 단면도를 예시한다.
[0013] 도 2d는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 기판 상의 하나 이상의 층들의 부분들이 제거된 후의, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스의 부분의 개략적인 단면도를 예시한다.
[0014] 도 3은 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 디바이스, 이를테면, 반도체 디바이스의 몰리브덴 상호연결 층을 패터닝하기 위한 방법의 흐름도를 예시한다.
[0015] 도 4a는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 기판 상의 하나 이상의 층들의 부분들이 제거되기 전의, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스의 부분의 개략적인 단면도를 예시한다.
[0016] 도 4b는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 기판 상의 하나 이상의 층들의 부분들이 제거된 후의, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스의 부분의 개략적인 단면도를 예시한다.
[0017] 도 4c는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 기판 상의 하나 이상의 층들의 추가의 부분들이 제거된 후의, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스의 부분의 개략적인 단면도를 예시한다.
[0018] 도 5는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 디바이스, 이를테면, 반도체 디바이스의 몰리브덴 상호연결 층을 패터닝하기 위한 방법의 흐름도를 예시한다.
[0019] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 대해 공통인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예의 엘리먼트들 및 특징들이 추가의 언급없이 다른 실시예들에 유익하게 통합될 수 있음이 고려된다.[0008] So that the above-described features of the present disclosure may be understood in detail, a more particular description of the present disclosure, briefly summarized above, may be had by reference to the embodiments, some of which are illustrated in the appended drawings. It should be noted, however, that the appended drawings illustrate only exemplary embodiments and are therefore not to be considered limiting the scope of the present disclosure, for the disclosure may admit to other equally effective embodiments.
[0009] FIG. 1 illustrates a flow diagram of a method for patterning a molybdenum interconnect layer of a device, such as a semiconductor device, according to one embodiment of the present disclosure.
[0010] FIG. 2A illustrates a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device including a molybdenum layer before portions of one or more layers on a substrate are removed, according to one embodiment of the present disclosure.
[0011] FIG. 2b illustrates a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device including a molybdenum layer after portions of one or more layers on a substrate have been modified, according to one embodiment of the present disclosure.
[0012] FIG. 2c illustrates a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device including a molybdenum layer after portions of one or more layers on a substrate have been modified, according to one embodiment of the present disclosure.
[0013] FIG. 2d illustrates a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device including a molybdenum layer after portions of one or more layers on a substrate have been removed, according to one embodiment of the present disclosure.
[0014] FIG. 3 illustrates a flow diagram of a method for patterning a molybdenum interconnect layer of a device, such as a semiconductor device, according to one embodiment of the present disclosure.
[0015] FIG. 4A illustrates a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device including a molybdenum layer before portions of one or more layers on a substrate are removed, according to one embodiment of the present disclosure.
[0016] FIG. 4b illustrates a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device including a molybdenum layer after portions of one or more layers on a substrate have been removed, according to one embodiment of the present disclosure.
[0017] FIG. 4c illustrates a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device including a molybdenum layer after additional portions of one or more layers on a substrate are removed, according to one embodiment of the present disclosure.
[0018] FIG. 5 illustrates a flow diagram of a method for patterning a molybdenum interconnect layer of a device, such as a semiconductor device, according to one embodiment of the present disclosure.
[0019] To facilitate understanding, identical reference numerals have been used, where possible, to designate identical elements common to the drawings. It is contemplated that elements and features of one embodiment may be beneficially incorporated into other embodiments without further recitation.
[0020] 본 개시내용은 디바이스의 상호연결 구조를 제조하기 위한 프로세스의 부분으로서 상호연결 층에 피처(feature)들을 형성하기 위해 디바이스(예컨대, 반도체 디바이스)의 금속 층을 패터닝하기 위한 방법들을 제공한다. 개시된 방법들은, 선택성이 개선된, 몰리브덴 층을 패터닝하기 위한 프로세스들을 설명한다. 예컨대, 본 개시내용은 다른 디바이스 구조들 또는 재료들을 손상시키지 않으면서 어닐링 또는 에칭에 의해 몰리브덴 층의 영역들을 개질 및 제거하기 위한 방법들을 제공한다.[0020] The present disclosure provides methods for patterning a metal layer of a device (e.g., a semiconductor device) to form features in the interconnect layer as part of a process for fabricating an interconnect structure of the device. The disclosed methods describe processes for patterning a molybdenum layer with improved selectivity. For example, the present disclosure provides methods for modifying and removing regions of a molybdenum layer by annealing or etching without damaging other device structures or materials.
[0021] 도 1은 일 실시예에 따른, 디바이스, 이를테면, 반도체 디바이스의 몰리브덴 층을 패터닝하기 위한 방법(100)의 흐름도이다. 일부 실시예들에서, 몰리브덴 층은 기판 표면 바로 위에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 몰리브덴 층은 다른 금속 층, 이를테면, 배리어 금속 층 상에 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 몰리브덴 층은 유전체 층, 이를테면, 실리콘 이산화물 층 상에 배치될 수 있다. 몰리브덴 층의 패터닝은 디바이스의 상호연결 구조를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 패터닝 방법(100)은 프로세스 챔버, 이를테면, 플라즈마 프로세스 챔버 또는 다른 적절한 프로세스 챔버에서 수행될 수 있다. 다음은, 도 1의 방법(100)을, 방법(100)의 상이한 스테이지들에서의 몰리브덴 층을 포함하는 디바이스를 도시하는 도 2a - 도 2c에 도시된 도면들과 함께 설명한다. 게다가, 방법(100)이 상호연결 구조를 형성하는 데 활용되는 몰리브덴 층을 참조하여 아래에서 설명되지만, 방법(100)은 또한, 다른 금속 함유 층들에, 그리고 다른 반도체 디바이스 제조 애플리케이션들에서 유리하게 사용될 수 있다.[0021] FIG. 1 is a flow diagram of a method (100) for patterning a molybdenum layer of a device, such as a semiconductor device, according to one embodiment. In some embodiments, the molybdenum layer may be disposed directly on a substrate surface. In some embodiments, the molybdenum layer may be disposed on another metal layer, such as a barrier metal layer. In other embodiments, the molybdenum layer may be disposed on a dielectric layer, such as a silicon dioxide layer. Patterning the molybdenum layer may be used to fabricate interconnect structures of the device. The patterning method (100) may be performed in a process chamber, such as a plasma process chamber or other suitable process chamber. The method (100) of FIG. 1 is described below in conjunction with the drawings shown in FIGS. 2A-2C which illustrate devices including a molybdenum layer at different stages of the method (100). Additionally, although the method (100) is described below with reference to a molybdenum layer utilized to form an interconnect structure, the method (100) may also be advantageously used with other metal-containing layers and in other semiconductor device manufacturing applications.
[0022] 동작(102)에서, 몰리브덴 층(202)을 포함하는 반도체 디바이스(200)(도 2a 참조)가 플라즈마 프로세스 챔버, 예컨대 에칭 프로세스 챔버(도시되지 않음)에 포지셔닝된다. 반도체 디바이스(200)는, 제조 프로세스에 있거나 또는 다양한 제작 스테이지들에 있는 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함할 수 있다. 도 2a는 일 실시예에 따른, 기판(201) 상에 배치된 하나 이상의 층들의 부분들이 제거되기 전의, 몰리브덴 층(202)을 포함하는 반도체 디바이스(200)의 부분의 개략적인 단면도이다. 도 2a의 도면은, 몰리브덴 층(202)의 부분들을 개질하기 위해 초기 패터닝 프로세스(예컨대, 산화 프로세스)가 수행되기 전의, 반도체 디바이스(200)를 도시한다.[0022] In operation (102), a semiconductor device (200) including a molybdenum layer (202) (see FIG. 2A) is positioned in a plasma process chamber, such as an etching process chamber (not shown). The semiconductor device (200) may include one or more semiconductor devices that are in a manufacturing process or are in various stages of fabrication. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device (200) including a molybdenum layer (202) before portions of one or more layers disposed on a substrate (201) are removed, according to one embodiment. The drawing of FIG. 2A illustrates the semiconductor device (200) before an initial patterning process (e.g., an oxidation process) is performed to modify portions of the molybdenum layer (202).
[0023] 반도체 디바이스(200)는 기판(201)을 포함한다. 기판(201)은 임의의 적절한 재료, 이를테면, 다른 재료들 중에서도 실리콘, 결정질 실리콘, 실리콘 산화물, 스트레인드 실리콘(strained silicon), 실리콘 게르마늄, 도핑된 또는 도핑되지 않은 폴리실리콘, SOI(silicon on insulator), 탄소 도핑된 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 도핑된 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소, 유리, 또는 사파이어로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(201)은 200 mm, 300 mm, 450 mm, 또는 다른 직경의 원형 기판이다. 다른 실시예들에서, 기판(201)은 직사각형 기판 또는 정사각형 기판이다. 기판(201)에 대해 SOI가 사용되는 실시예에서, 기판(201)은 실리콘 결정질 기판 상에 배치된 매립 유전체 층을 더 포함할 수 있다.[0023] The semiconductor device (200) includes a substrate (201). The substrate (201) may be formed of any suitable material, such as silicon, crystalline silicon, silicon oxide, strained silicon, silicon germanium, doped or undoped polysilicon, silicon on insulator (SOI), carbon-doped silicon oxide, silicon nitride, doped silicon, germanium, gallium arsenide, glass, or sapphire, among other materials. In some embodiments, the substrate (201) is a circular substrate having a diameter of 200 mm, 300 mm, 450 mm, or other similar dimensions. In other embodiments, the substrate (201) is a rectangular substrate or a square substrate. In embodiments where SOI is used for the substrate (201), the substrate (201) may further include a buried dielectric layer disposed on the crystalline silicon substrate.
[0024] 몰리브덴 층(202)은 기판(201) 상에 배치된다. 일 실시예에서, 몰리브덴 층(202)은 기판(201) 바로 위에 그리고 기판(201)과 접촉하게 배치된다. 다른 실시예들에서, 몰리브덴 층(202)은 중간 층(도시되지 않음), 이를테면, 유전체 층 상에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 중간 층은 기판(201) 바로 위에 그리고 기판(201)과 접촉하게 배치되고, 몰리브덴 층(202)은 중간 층 상에 배치된다. 몰리브덴 층(202)은 집적 회로의 다수의 엘리먼트들 또는 디바이스들을 연결하기 위한 상호연결 층으로서 사용된다.[0024] The molybdenum layer (202) is disposed on the substrate (201). In one embodiment, the molybdenum layer (202) is disposed directly over and in contact with the substrate (201). In other embodiments, the molybdenum layer (202) may be disposed on an intermediate layer (not shown), such as a dielectric layer. In such embodiments, the intermediate layer is disposed directly over and in contact with the substrate (201), and the molybdenum layer (202) is disposed on the intermediate layer. The molybdenum layer (202) is used as an interconnect layer for connecting multiple elements or devices of an integrated circuit.
[0025] 반도체 디바이스(200)는 하나 이상의 제작 스테이지들 동안 마스킹 층(203)을 더 포함한다. 마스킹 층(203)은 몰리브덴 층(202) 바로 위에, 또는 중간 층(도시되지 않음), 이를테면, 유전체 층 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스킹 층은 습식 에칭 용액들에 반응하지 않는 재료로 형성된다. 일부 실시예들에서, 마스킹 층은 저경도 재료로 형성된다. 다른 실시예들에서, 마스킹 층(203)은 하드 마스크, 이를테면, 탄소 하드 마스크이다. 탄소 하드 마스크에 추가하여 또는 대안적으로, 마스킹 층(203)은 다른 고경도 재료들로 형성될 수 있다. 고경도 재료들의 예들은, 텅스텐 탄화물(WC), 텅스텐 붕소 탄화물(WBC), 텅스텐 질화물(WN), 실리콘 붕소화물(SiBx), 붕소 탄화물(BC), 비정질 탄소, 붕소 질화물(BN), 붕소 탄소 질화물(BCN), 또는 다른 유사한 재료를 포함한다(그러나 이에 제한되지 않음). 위에서 설명된 마스킹 층(203) 재료들은 화합물들(예컨대, 등분의(equal parts) 텅스텐과 탄소의 화학적 화합물, 화학양론적 화합물 등) 또는 도핑된 재료(예컨대, 작은 퍼센티지의 탄소를 함유하는 텅스텐 층)를 포함할 수 있다. 본원에서 설명되는 다른 실시예들과 조합될 수 있는 일부 실시예들에서, 마스킹 층(203)은, 감광성 재료들, 이를테면, 나프토퀴논 디아지드(NQD) 또는 다른 적절한 광반응성 재료들로 형성된 포토레지스트이다.[0025] The semiconductor device (200) further includes a masking layer (203) during one or more of the fabrication stages. The masking layer (203) may be formed directly over the molybdenum layer (202), or over an intermediate layer (not shown), such as a dielectric layer. In some embodiments, the masking layer is formed of a material that is non-reactive to wet etching solutions. In some embodiments, the masking layer is formed of a low-hardness material. In other embodiments, the masking layer (203) is a hard mask, such as a carbon hard mask. In addition to or alternatively to a carbon hard mask, the masking layer (203) may be formed of other high-hardness materials. Examples of high hardness materials include (but are not limited to) tungsten carbide (WC), tungsten boron carbide (WBC), tungsten nitride (WN), silicon boride (SiB x ), boron carbide (BC), amorphous carbon, boron nitride (BN), boron carbon nitride (BCN), or other similar materials. The masking layer (203) materials described above may include compounds (e.g., chemical compounds of equal parts tungsten and carbon, stoichiometric compounds, etc.) or doped materials (e.g., a tungsten layer containing a small percentage of carbon). In some embodiments that may be combined with other embodiments described herein, the masking layer (203) is a photoresist formed of photosensitive materials, such as naphthoquinone diazide (NQD) or other suitable photoreactive materials.
[0026] 일부 실시예들에서, 기판(201)은 열적으로 산화된 기판이다. 열적으로 산화된 기판을 포함하는 실시예들에서, 몰리브덴 층(202)은 기판(201) 바로 위에 형성될 수 있다. 열적으로 산화된 기판은 몰리브덴 층(202)과 접촉하는 표면에 산소를 포함한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 열적으로 산화된 기판을 노출시키기 위해 몰리브덴 층(202)의 부분들이 제거될 때, 열적으로 산화된 기판으로부터의 산소는 반도체 디바이스(200)의 노출된 표면 상에 패시베이션 층(도시되지 않음)을 형성하는 데 사용된다. 패시베이션 층은, 에칭 프로세스가 몰리브덴 층(202)을 뚫고 나가는 경우, 추가의 에칭을 중단시키거나 실질적으로 감소시킨다. 예컨대, 열적으로 산화된 기판으로부터의 산소는, 반도체 디바이스(200)의 노출된 부분들 상에 실리콘 산화물의 패시베이션 층을 형성하여 에칭 프로세스를 중단시키기 위해, 몰리브덴 층(202)을 에칭하는 데 사용되는 실리콘-함유 가스로부터의 실리콘 원자들과 조합될 수 있다. 패시베이션 층이, 열적으로 산화된 기판으로부터의 산소에 의해 부분적으로 형성되는 것으로 여기서 설명되지만, 산소는 몰리브덴 층(202) 바로 아래에 있는, 산소를 포함하는 층으로부터 나올 수 있다.[0026] In some embodiments, the substrate (201) is a thermally oxidized substrate. In embodiments including a thermally oxidized substrate, a molybdenum layer (202) may be formed directly over the substrate (201). The thermally oxidized substrate includes oxygen at a surface that contacts the molybdenum layer (202). As described below, when portions of the molybdenum layer (202) are removed to expose the thermally oxidized substrate, the oxygen from the thermally oxidized substrate is used to form a passivation layer (not shown) on the exposed surfaces of the semiconductor device (200). The passivation layer stops or substantially reduces further etching when the etching process penetrates the molybdenum layer (202). For example, oxygen from the thermally oxidized substrate may combine with silicon atoms from the silicon-containing gas used to etch the molybdenum layer (202) to form a passivation layer of silicon oxide over the exposed portions of the semiconductor device (200) to stop the etching process. Although the passivation layer is described herein as being formed in part by oxygen from the thermally oxidized substrate, the oxygen may come from a layer comprising oxygen directly beneath the molybdenum layer (202).
[0027] 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(200)는 배리어 층(도시되지 않음) 및 로우-k 절연 유전체 층(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 로우-k 절연 유전체 층은 기판(201) 위에서 몰리브덴 층(202)과 기판(201) 사이에 배치된다. 배리어 층은 로우-k 절연 유전체 층 위에서 몰리브덴 층(202)과 로우-k 절연 유전체 층 사이에 배치될 수 있다. 배리어 층은, 탄탈 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 알루미늄 질화물(AlN), 탄탈 실리콘 질화물(TaSiN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 실리콘 질화물(SiN), 실리콘 산질화물(SiON), 실리콘 탄화물(SiC), (실리콘 이소시안화물) SiNC, 실리콘 산탄화물(SiOC), 또는 다른 적절한 재료들로 제작될 수 있다. 게다가, 로우-k 절연 유전체 층은, SiO 함유 재료들, SiN 함유 재료들, SiOC 함유 재료들, SiC 함유 재료들, 탄소계 재료들, 또는 다른 적절한 재료들로 형성될 수 있다.[0027] In some embodiments, the semiconductor device (200) may further include a barrier layer (not shown) and a low-k insulating dielectric layer (not shown). The low-k insulating dielectric layer is disposed over the substrate (201) and between the molybdenum layer (202) and the substrate (201). The barrier layer may be disposed over the low-k insulating dielectric layer and between the molybdenum layer (202) and the low-k insulating dielectric layer. The barrier layer may be fabricated from tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), aluminum nitride (AlN), tantalum silicon nitride (TaSiN), titanium silicon nitride (TiSiN), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), silicon carbide (SiC), (silicon isocyanide) SiNC, silicon oxycarbide (SiOC), or other suitable materials. Additionally, the low-k insulating dielectric layer can be formed of SiO containing materials, SiN containing materials, SiOC containing materials, SiC containing materials, carbon-based materials, or other suitable materials.
[0028] 동작(104)에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)을 형성하기 위해, 마스킹 층(203)의 부분들이 제거된다. 도 2b는 일 실시예에 따른, 몰리브덴 층(202) 상에 배치된 마스킹 층(203)의 부분들이 제거된 후의, 몰리브덴 층(202)을 포함하는 반도체 디바이스(200)의 부분의 개략적인 단면도이다. 마스킹 층(203)의 이러한 부분들의 제거는, 도 2b에서 트렌치들로서 도시된 공극들(205)을 마스킹 층(203)에 형성하며, 공극들(205)의 최하부는 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)에 의해 형성된다(즉, 경계가 정해지거나 또는 부분적으로 정의됨). 따라서, 마스킹 층(203)의 부분들의 제거는 몰리브덴 층(202)의 부분들을 노출시킨다.[0028] In operation (104), portions of the masking layer (203) are removed to form exposed portions (222) of the molybdenum layer (202), as illustrated in FIG. 2B. FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device (200) including the molybdenum layer (202) after portions of the masking layer (203) disposed on the molybdenum layer (202) are removed, according to one embodiment. Removal of these portions of the masking layer (203) forms voids (205), illustrated as trenches in FIG. 2B, in the masking layer (203), with lowermost portions of the voids (205) being formed (i.e., bounded or partially defined) by the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202). Therefore, removal of portions of the masking layer (203) exposes portions of the molybdenum layer (202).
[0029] 마스킹 층(203)에 대해 위에서 설명된 재료들(즉, 고경도 재료들, 이를테면 WC)의 사용은 몰리브덴 층(202) 위의 피처들을 선택적으로 에칭하는 프로세스를 개선할 수 있지만, 결국 마스킹 층(203)의 부분들 또는 전부가 제거되어 디바이스 상에 피처들, 이를테면, 트랜지스터 구조들을 형성한다.[0029] The use of materials described above for the masking layer (203) (i.e., high hardness materials, such as WC) may improve the process of selectively etching features over the molybdenum layer (202), but may ultimately result in portions or all of the masking layer (203) being removed to form features, such as transistor structures, on the device.
[0030] 동작(106)에서, 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)이 개질된다. 일 실시예에서, 몰리브덴 산화물 부분들(223)을 형성하기 위해, 노출된 부분들(222)이 산화된다. 도 2c는 일 실시예에 따른, 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)이 산화된 후의, 몰리브덴 층(202)을 포함하는 반도체 디바이스(200)의 부분의 개략적인 단면도이다.[0030] In operation (106), exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) are modified. In one embodiment, the exposed portions (222) are oxidized to form molybdenum oxide portions (223). FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device (200) including a molybdenum layer (202) after the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) are oxidized, according to one embodiment.
[0031] 노출된 부분들(222)은 직접 산소 이온 주입 또는 산소 플라즈마 도핑을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 다양한 방법들에 의해 산화될 수 있다. 예컨대, 주입되는 산소 이온들은, 노출된 부분들(222)을 관통하도록 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)에 대해 실질적으로 수직 경로로 타격될(bombarded) 수 있다. 주입되는 이온들은, 산소 이온들을 에너자이징하기 위해 활용되는 전력 및 바이어스에 따라 다양한 깊이들로, 노출된 부분들(222)을 관통할 수 있다. 예컨대, 노출된 부분들(222)에는, 약 5 KeV 내지 약 30 KeV, 이를테면, 약 10 KeV 내지 약 20 KeV의 가속 전압, 그리고 약 0.5E16 ion/cm2 내지 약 5E17 ion/cm2, 이를테면, 약 1E16 ion/cm2 내지 약 1E17 ion/cm2의 범위의 도즈(dose)로 에너자이징된 산소 이온들이 주입될 수 있다. 예컨대, 노출된 부분들(222)에는, 10 KeV로 에너자이징되고 1E17 ion/cm2로 도징되는 산소 이온들이 주입될 수 있다.[0031] The exposed portions (222) may be oxidized by a variety of methods, including but not limited to direct oxygen ion implantation or oxygen plasma doping. For example, the implanted oxygen ions may be bombarded in a substantially vertical path to the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) so as to penetrate the exposed portions (222). The implanted ions may penetrate the exposed portions (222) to various depths depending on the power and bias utilized to energize the oxygen ions. For example, the exposed portions (222) can be implanted with oxygen ions energized at an acceleration voltage of about 5 KeV to about 30 KeV, such as about 10 KeV to about 20 KeV, and a dose in a range of about 0.5E16 ion/cm 2 to about 5E17 ion/cm 2 , such as about 1E16 ion/cm 2 to about 1E17 ion/cm 2 . For example, the exposed portions (222) can be implanted with oxygen ions energized at 10 KeV and dosed at 1E17 ion/cm 2 .
[0032] 이온 주입은 빔라인 또는 플라즈마 주입 툴들에 의해 수행될 수 있다. 본원에서 설명되는 실시예들에 따라 유리하게 이용될 수 있는 상업적으로 입수가능한 적절한 프로세싱 플랫폼은 캘리포니아, 산타클라라의 Applied Materials, Inc.로부터 입수가능한 VIISTA® PLAD™ 플랫폼이다. 다른 제조사들로부터의 다른 적절하게 구성된 주입 기술 플랫폼들이 또한 본원의 실시예들에 따라 사용될 수 있다는 것이 고려된다.[0032] Ion implantation can be performed by beamline or plasma implantation tools. A suitable commercially available processing platform that may be advantageously utilized in accordance with the embodiments described herein is the VIISTA® PLAD™ platform available from Applied Materials, Inc. of Santa Clara , California. It is contemplated that other suitably configured implantation technology platforms from other manufacturers may also be utilized in accordance with the embodiments herein.
[0033] 일부 실시예들에서, 노출된 부분들(222)의 산소 이온 주입 후에, 반도체 디바이스(200)는 어닐링되어 몰리브덴 산화물 부분들(223)의 다결정질 구조를 형성한다. 반도체 디바이스(200)는 다양한 방법들, 이를테면, 퍼니스 어닐링 또는 급속 열적 어닐링, 예컨대, 램프 기반 또는 레이저 어닐링에 의해 어닐링된다. 일 실시예에서, 디바이스 구조(200)는 약 200℃ 내지 약 600℃의 온도, 약 0.5 bar 내지 약 75 bar의 수증기 압력, 및 약 15분 내지 약 2시간의 지속기간으로 어닐링된다. 일부 예들에서, 디바이스 구조(200)는 약 250℃ 내지 약 550℃, 이를테면, 약 300℃ 내지 약 500℃, 이를테면, 약 350℃ 내지 약 450℃의 온도로 어닐링된다. 일부 예들에서, 디바이스 구조(200)는 약 25 bar 내지 약 55 bar, 이를테면, 약 30 bar 내지 약 50 bar, 이를테면, 약 35 bar 내지 약 45 bar의 압력으로 어닐링된다. 일부 예들에서, 디바이스 구조(200)는 약 30분 내지 약 1.5 시간, 이를테면, 45분 내지 75분의 지속기간 동안 어닐링된다. 일 예에서, 디바이스 구조(200)는 약 60분 동안 325℃ 및 55 bar의 조건들에서 어닐링된다.[0033] In some embodiments, after the oxygen ion implantation of the exposed portions (222), the semiconductor device (200) is annealed to form a polycrystalline structure of molybdenum oxide portions (223). The semiconductor device (200) is annealed by various methods, such as furnace annealing or rapid thermal annealing, such as lamp-based or laser annealing. In one embodiment, the device structure (200) is annealed at a temperature of about 200° C. to about 600° C., a vapor pressure of about 0.5 bar to about 75 bar, and a duration of about 15 minutes to about 2 hours. In some examples, the device structure (200) is annealed at a temperature of about 250° C. to about 550° C., such as about 300° C. to about 500° C., such as about 350° C. to about 450° C. In some examples, the device structure (200) is annealed at a pressure of about 25 bar to about 55 bar, such as about 30 bar to about 50 bar, such as about 35 bar to about 45 bar. In some examples, the device structure (200) is annealed for a duration of about 30 minutes to about 1.5 hours, such as about 45 minutes to 75 minutes. In one example, the device structure (200) is annealed at conditions of 325° C. and 55 bar for about 60 minutes.
[0034] 일부 실시예들에서, 열적 어닐링은 고압에서 그리고 프로세싱 가스, 이를테면, 수소, 중수소, 불소, 염소, 암모늄, 또는 고압 가스 어닐링을 위한 다른 적절한 가스들의 존재 하에 수행된다. 고압 레벨들에서 반도체 디바이스(200)를 어닐링하는 것은, 심지어 저온들, 예컨대 350℃ 미만에서도 몰리브덴 산화물 부분들(223)의 다결정질 구조를 형성하는 것을 가능하게 한다.[0034] In some embodiments, the thermal annealing is performed at high pressure and in the presence of a processing gas, such as hydrogen, deuterium, fluorine, chlorine, ammonium, or other suitable gases for high pressure gas annealing. Annealing the semiconductor device (200) at high pressure levels enables formation of a polycrystalline structure of the molybdenum oxide portions (223) even at low temperatures, such as below 350° C.
[0035] 동작(108)에서, 몰리브덴 산화물 부분들(223)은 반도체 디바이스(200)로부터 제거되어 패터닝된 몰리브덴 층(204)을 형성한다. 도 2d는 몰리브덴 산화물 부분들(223)이 제거된 후의, 패터닝된 몰리브덴 층(204)을 포함하는 기판(201)의 부분의 개략적인 단면도이다. 몰리브덴 산화물 부분들(223)의 제거는, 도 2d에서 트렌치들로서 도시된 공극들(205)을 패터닝된 몰리브덴 층(204)에 형성하며, 공극들(205)의 최하부는 기판(201)의 최상부 표면(207)에 의해 형성된다.[0035] In operation (108), molybdenum oxide portions (223) are removed from the semiconductor device (200) to form a patterned molybdenum layer (204). FIG. 2d is a schematic cross-sectional view of a portion of the substrate (201) including the patterned molybdenum layer (204) after the molybdenum oxide portions (223) are removed. The removal of the molybdenum oxide portions (223) is illustrated as trenches in FIG. 2d. Gaps (205) are formed in the patterned molybdenum layer (204), and the lowermost portion of the gaps (205) is formed by the uppermost surface (207) of the substrate (201).
[0036] 몰리브덴 산화물 부분들(223)은, 습식 에칭 또는 건식 에칭 프로세스들을 포함하는, 몰리브덴 산화물에 대해 선택적인 임의의 적절한 에칭 프로세스에 의해 기판(201)으로부터 제거될 수 있다. 예컨대, 암모니아 용액을 이용한 습식 에칭에 의해, 몰리브덴 산화물 부분들(223)이 기판(201)으로부터 제거된다. 암모니아 용액은 산화된 부분들(223)에 대해 선택적이다. 따라서, 산화된 부분들(223)은 제거되는 반면, 산화되지 않은 패터닝된 몰리브덴 층(204)은 암모니아 용액에 의해 제거되지 않는다. 암모니아 용액은 약 26% w/w 내지 약 30% w/w, 이를테면, 약 28% w/w의 농도로 암모니아 수산화물을 포함할 수 있다. 반도체 디바이스(200)는, 이를테면, 약 2분 내지 약 10분의 지속기간 동안, 몰리브덴 산화물 부분들(223)의 원하는 깊이를 에칭하기 위해 암모니아 용액에 노출될 수 있다.[0036] The molybdenum oxide portions (223) can be removed from the substrate (201) by any suitable etching process that is selective for molybdenum oxide, including wet etching or dry etching processes. For example, the molybdenum oxide portions (223) are removed from the substrate (201) by wet etching using an ammonia solution. The ammonia solution is selective for the oxidized portions (223). Thus, the oxidized portions (223) are removed, while the unoxidized patterned molybdenum layer (204) is not removed by the ammonia solution. The ammonia solution can include ammonia hydroxide at a concentration of about 26% w/w to about 30% w/w, such as about 28% w/w. The semiconductor device (200) may be exposed to the ammonia solution to etch the molybdenum oxide portions (223) to a desired depth for a duration of, for example, about 2 minutes to about 10 minutes.
[0037] 본원에서 설명되는 예들 및 실시예들과 조합될 수 있는 다른 예에서, 몰리브덴 산화물 부분들(223)은 pH 10 완충 용액(buffer solution)을 이용한 습식 에칭에 의해 반도체 디바이스(200)로부터 제거된다. pH 10 완충 용액은 나트륨 화합물, 이를테면, 나트륨 테트라보레이트 또는 나트륨 수산화물을 포함한다. 반도체 디바이스(200)는, 이를테면, 약 2분 내지 약 10분의 지속기간 동안, 몰리브덴 산화물 부분들(223)의 원하는 깊이를 에칭하기 위해 pH 10 완충 용액에 노출될 수 있다. 몰리브덴 산화물 부분들(223)을 선택적으로 에칭하기 위한 암모니아 용액 또는 pH 10 완충 용액의 사용은, 반도체 디바이스(200)의 산화되지 않고 패터닝된 몰리브덴 층(204) 또는 다른 재료 층들 및 디바이스 구조들을 손상시키지 않으면서 몰리브덴 산화물 부분들(223)을 에칭한다.[0037] In another example that may be combined with the examples and embodiments described herein, the molybdenum oxide portions (223) are removed from the semiconductor device (200) by wet etching using a pH 10 buffer solution. The pH 10 buffer solution includes a sodium compound, such as sodium tetraborate or sodium hydroxide. The semiconductor device (200) can be exposed to the pH 10 buffer solution to etch the molybdenum oxide portions (223) to a desired depth, such as for a duration of about 2 minutes to about 10 minutes. The use of an ammonia solution or a pH 10 buffer solution to selectively etch molybdenum oxide portions (223) etches the molybdenum oxide portions (223) without damaging the unoxidized patterned molybdenum layer (204) or other material layers and device structures of the semiconductor device (200).
[0038] 도 3은 일 실시예에 따른, 디바이스, 이를테면, 반도체 디바이스의 몰리브덴 층을 중성 원자 빔 에칭에 의해 패터닝하기 위한 방법(300)의 흐름도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 유사하게, 몰리브덴 층(202)은 기판(201) 바로 위에, 또는 다른 층, 이를테면, 금속 층 또는 유전체 층 상에 배치될 수 있다. 본 실시예에 따른 몰리브덴 층(202)의 패터닝은 반도체 디바이스(200)의 상호연결 구조를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 패터닝 방법(300)은 프로세스 챔버, 이를테면, 플라즈마 프로세스 챔버 또는 중성 원자 빔 에칭 장치에서 수행된다. 다음은, 도 3의 방법(300)을, 방법(300)의 상이한 스테이지들에서의 몰리브덴 층(202)을 포함하는 도 2의 반도체 디바이스(200)를 도시하는 도 4a - 도 4c에 도시된 도면들과 함께 설명한다. 게다가, 방법(300)이 상호연결 구조를 형성하는 데 활용되는 몰리브덴 층(202)을 참조하여 아래에서 설명되지만, 방법(300)은 또한, 몰리브덴 이외의 재료들에, 그리고 다른 반도체 디바이스 제조 애플리케이션들에서 유리하게 사용될 수 있다.[0038] FIG. 3 is a flow diagram of a method (300) for patterning a molybdenum layer of a device, such as a semiconductor device, by neutral atom beam etching, according to one embodiment. Similar to the embodiments illustrated in FIGS. 1 and 2 , the molybdenum layer (202) can be disposed directly on a substrate (201), or on another layer, such as a metal layer or a dielectric layer. Patterning the molybdenum layer (202) according to the present embodiment can be used to fabricate an interconnect structure of the semiconductor device (200). The patterning method (300) is performed in a process chamber, such as a plasma process chamber or a neutral atom beam etching apparatus. The method (300) of FIG. 3 is described below in conjunction with the drawings illustrated in FIGS. 4A-4C , which illustrate the semiconductor device (200) of FIG. 2 including the molybdenum layer (202) at different stages of the method (300). Additionally, although the method (300) is described below with reference to a molybdenum layer (202) utilized to form an interconnect structure, the method (300) may also be advantageously used with materials other than molybdenum and in other semiconductor device manufacturing applications.
[0039] 동작(302)에서, 몰리브덴 층(202)을 포함하는 반도체 디바이스(200)(도 4a 참조)가 플라즈마 프로세스 챔버, 예컨대 에칭 프로세스 챔버(도시되지 않음)에 포지셔닝된다. 반도체 디바이스(200)는, 제조 프로세스에 있거나 또는 다양한 제작 스테이지들에 있는 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함할 수 있다. 도 4a는 일 실시예에 따른, 기판(201) 상에 배치된 하나 이상의 층들의 부분들이 제거되기 전의, 몰리브덴 층(202)을 포함하는 반도체 디바이스(200)의 부분의 개략적인 단면도이다. 도 4a의 도면은, 몰리브덴 층(202)의 부분들을 개질하기 위해 패터닝 프로세스(예컨대, 중성 빔 에칭)가 수행되기 전의, 반도체 디바이스(200)를 도시한다.[0039] In operation (302), a semiconductor device (200) including a molybdenum layer (202) (see FIG. 4A) is positioned in a plasma process chamber, such as an etching process chamber (not shown). The semiconductor device (200) may include one or more semiconductor devices that are in a manufacturing process or are in various fabrication stages. FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device (200) including a molybdenum layer (202) before portions of one or more layers disposed on a substrate (201) are removed, according to one embodiment. The drawing of FIG. 4A illustrates the semiconductor device (200) before a patterning process (e.g., neutral beam etching) is performed to modify portions of the molybdenum layer (202).
[0040] 동작(304)에서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)을 형성하기 위해, 마스킹 층(203)의 부분들이 제거된다. 도 4b는 일 실시예에 따른, 몰리브덴 층(202) 상에 배치된 마스킹 층(203)의 부분들이 제거된 후의, 몰리브덴 층(202)을 포함하는 반도체 디바이스(200)의 부분의 개략적인 단면도이다. 마스킹 층(203)의 이러한 부분들의 제거는, 도 4b에서 트렌치들로서 도시된 공극들(205)을 마스킹 층(203)에 형성하며, 공극들(205)의 최하부는 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)에 의해 형성된다(즉, 경계가 정해지거나 또는 부분적으로 정의됨). 따라서, 마스킹 층(203)의 부분들의 제거는 몰리브덴 층(202)의 부분들을 노출시킨다.[0040] In operation (304), portions of the masking layer (203) are removed to form exposed portions (222) of the molybdenum layer (202), as illustrated in FIG. 4B. FIG. 4B is a schematic cross-sectional view of a portion of a semiconductor device (200) including the molybdenum layer (202) after portions of the masking layer (203) disposed on the molybdenum layer (202) are removed, according to one embodiment. Removal of these portions of the masking layer (203) forms voids (205), illustrated as trenches in FIG. 4B, in the masking layer (203), with lowermost portions of the voids (205) being formed by the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) (i.e., bounded or partially defined). Therefore, removal of portions of the masking layer (203) exposes portions of the molybdenum layer (202).
[0041] 동작(306)에서, 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들은 반도체 디바이스(200)로부터 제거되어 패터닝된 몰리브덴 층(204)을 형성한다. 도 4c는 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)이 제거된 후의, 패터닝된 몰리브덴 층(204)을 포함하는 반도체 디바이스(200)의 부분의 개략적인 단면도이다. 노출된 부분들(222)의 제거는, 도 4c에서 트렌치들로서 도시된 공극들(205)을 패터닝된 몰리브덴 층(204)에 형성하며, 공극들(205)의 최하부는 기판(201)의 최상부 표면에 의해 형성된다.[0041] In operation (306), exposed portions of the molybdenum layer (202) are removed from the semiconductor device (200) to form a patterned molybdenum layer (204). FIG. 4C is a schematic cross-sectional view of a portion of the semiconductor device (200) including the patterned molybdenum layer (204) after the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) are removed. The removal of the exposed portions (222) forms voids (205), illustrated as trenches in FIG. 4C, in the patterned molybdenum layer (204), with lowermost portions of the voids (205) being formed by the uppermost surface of the substrate (201).
[0042] 도 3 및 도 4에 의해 도시된 실시예에서, 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)은 가속 원자 빔 프로세스에 의해 반도체 디바이스(200)로부터 제거될 수 있다. 본원에서 설명되는 실시예들에 따라 유리하게 이용될 수 있는 상업적으로 입수가능한 적절한 프로세싱 플랫폼은 매사추세츠 빌레리카의 Exogenesis Corp.으로부터 입수가능한 NanoAccel™ 플랫폼이다. 다른 제조사들로부터의 다른 적절하게 구성된 가속 원자 빔 플랫폼들이 또한 본원의 실시예들에 따라 사용될 수 있다는 것이 고려된다.[0042] In the embodiment illustrated by FIGS. 3 and 4, the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) can be removed from the semiconductor device (200) by an accelerated atomic beam process. A suitable commercially available processing platform that may be advantageously utilized in accordance with the embodiments described herein is the NanoAccel™ platform available from Exogenesis Corp. of Billerica, Mass. It is contemplated that other suitably configured accelerated atomic beam platforms from other manufacturers may also be utilized in accordance with the embodiments herein.
[0043] 일 예에서, 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)은 GCIB(gas cluster ion beam) 에칭에 의해 제거될 수 있다. 몰리브덴 층(202)의 GCIB 에칭 동안, 가압된 불활성 가스가 프로세싱 챔버 내에서 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)을 향해 유동, 팽창, 및 가속되어, 노출된 부분들(222)의 최외측 원자들로 에너지를 전달하고 그 최외측 원자들의 제거를 야기할 수 있다. 일 실시예에서, 가스 클러스터 이온 빔은 아르곤 가스로 형성된다. 다른 실시예들에서, 산소(O2), 질소(N2), 메탄(CH4), 및 육불화황(SF6)을 포함하는 추가적인 가스들이 불활성 가스와 조합되어 가스 클러스터 이온 빔을 형성할 수 있다.[0043] In one example, the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) can be removed by a gas cluster ion beam (GCIB) etching. During the GCIB etching of the molybdenum layer (202), a pressurized inert gas can flow, expand, and accelerate within the processing chamber toward the exposed portions (222) of the molybdenum layer (202) to transfer energy to the outermost atoms of the exposed portions (222) and cause removal of the outermost atoms. In one embodiment, the gas cluster ion beam is formed of argon gas. In other embodiments, additional gases including oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), methane (CH 4 ), and sulfur hexafluoride (SF 6 ) can be combined with the inert gas to form the gas cluster ion beam.
[0044] 가스 클러스터 이온 빔은, 몰리브덴 층(202)의 원하는 부분들을 관통하여 패터닝된 몰리브덴 층(204)을 형성하기 위해, 마스킹 층(203) 내의 공극들(205)을 통해 실질적으로 수직 경로로 지향될 수 있다. 따라서, 반도체 디바이스(200) 상의 다른 디바이스 구조들 또는 재료 층들은 가스 클러스터 이온 빔 에칭 동안 손상되지 않은 채로 남겨진다. 가스 클러스터 이온 빔은 10 KeV 내지 40 KeV, 이를테면, 15 KeV 내지 35 KeV의 가속 전압으로 가속될 수 있다. 예컨대, 가스 클러스터 이온 빔은 25 KeV의 가속 전압으로 가속된다. 반도체 디바이스(200)는 임의의 적절한 도즈 시간, 이를테면, 2-20초를 포함한, 약 0초 내지 약 30초 동안 가스 클러스터 이온 빔에 노출될 수 있다. 예컨대, 반도체 디바이스(200)는 6, 8, 10, 14, 또는 18초의 도즈 시간 동안 가스 클러스터 이온 빔에 노출될 수 있다.[0044] The gas cluster ion beam can be directed in a substantially vertical path through the pores (205) in the masking layer (203) to penetrate desired portions of the molybdenum layer (202) to form a patterned molybdenum layer (204). Thus, other device structures or material layers on the semiconductor device (200) remain undamaged during the gas cluster ion beam etching. The gas cluster ion beam can be accelerated with an acceleration voltage of 10 KeV to 40 KeV, such as 15 KeV to 35 KeV. For example, the gas cluster ion beam is accelerated with an acceleration voltage of 25 KeV. The semiconductor device (200) can be exposed to the gas cluster ion beam for any suitable dose time, such as from about 0 seconds to about 30 seconds, including from 2-20 seconds. For example, the semiconductor device (200) can be exposed to the gas cluster ion beam for a dose time of 6, 8, 10, 14, or 18 seconds.
[0045] 본원에서 설명되는 실시예들 및 예들과 조합될 수 있는 다른 예에서, 반도체 디바이스(200)로부터 몰리브덴 층(202)의 노출된 부분들(222)을 제거하기 위해, ANAB(accelerated neutral atom beam) 에칭이 사용된다. GCIB 에칭과 유사하게, 가속된 중성 원자 빔 에칭은 가속된 가스 클러스터 이온들의 빔을 활용하지만, 가스 클러스터는 해리되고, 전하는 노출된 부분들(222)의 표면에 충돌하기 전에 제거된다. 가속된 중성 원자 빔은, 몰리브덴 층(202)의 원하는 부분들을 관통하기 위해 마스킹 층(203) 내의 공극들(205)을 통해 실질적으로 수직 경로로 지향된다. 또한, 중성 원자 빔 내부의 각각의 원자는 비교적 낮은 에너지를 가져서, 단지 몇 개의 원자 층들의 제한된 표면 개질을 유발하고, 그에 따라, 다른 재료들 및 층들 또는 반도체 디바이스(200)에 대한 에칭 손상을 상당히 감소시키거나 제거한다.[0045] In another example that may be combined with the embodiments and examples described herein, an accelerated neutral atom beam (ANAB) etch is used to remove exposed portions (222) of a molybdenum layer (202) from a semiconductor device (200). Similar to the GCIB etch, the accelerated neutral atom beam etch utilizes a beam of accelerated gas cluster ions, but the gas clusters are dissociated and the charge is removed prior to impinging on the surface of the exposed portions (222). The accelerated neutral atom beam is directed in a substantially vertical path through pores (205) within the masking layer (203) to penetrate desired portions of the molybdenum layer (202). Additionally, each atom within the neutral atom beam has relatively low energy, resulting in limited surface modification of only a few atomic layers, thereby significantly reducing or eliminating etch damage to other materials and layers or to the semiconductor device (200).
[0046] 가속된 중성 원자 빔은 10 KeV 내지 40 KeV, 이를테면, 15 KeV 내지 35 KeV의 가속 전압으로 가속된다. 예컨대, 가속된 중성 원자 빔은 25 KeV의 가속 전압으로 가속된다. 반도체 디바이스(200)는 임의의 적절한 도즈 시간, 이를테면, 2-20초를 포함한, 약 0초 내지 약 30초 동안, 가속된 중성 원자 빔에 노출된다. 예컨대, 반도체 디바이스(200)는 6, 8, 10, 14, 또는 18초의 도즈 시간 동안, 가속된 중성 원자 빔에 노출될 수 있다. 불활성 가스들, 이를테면, 아르곤이, 가속된 중성 원자 빔을 형성하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 산소(O2), 질소(N2), 메탄(CH4), 및 육불화황(SF6)을 포함하는 추가적인 가스들이 불활성 가스와 조합될 수 있다. ANAB 에칭은 임의의 적절한 에칭 조건들에서 수행될 수 있다.[0046] The accelerated neutral atom beam is accelerated with an acceleration voltage of 10 KeV to 40 KeV, for example, 15 KeV to 35 KeV. For example, the accelerated neutral atom beam is accelerated with an acceleration voltage of 25 KeV. The semiconductor device (200) is exposed to the accelerated neutral atom beam for any suitable dose time, for example, from about 0 seconds to about 30 seconds, including 2-20 seconds. For example, the semiconductor device (200) can be exposed to the accelerated neutral atom beam for a dose time of 6, 8, 10, 14, or 18 seconds. Inert gases, such as argon, can be used to form the accelerated neutral atom beam. In some embodiments, additional gases including oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), methane (CH 4 ), and sulfur hexafluoride (SF 6 ) can be combined with the inert gas. ANAB etching can be performed under any suitable etching conditions.
[0047] 도 5는 일 실시예에 따른, 디바이스, 이를테면, 반도체 디바이스의 몰리브덴 층을 고압수 어닐링(high pressure water anneal)에 의해 패터닝하기 위한 방법(500)의 흐름도이다. 도 1 - 도 4에 도시된 실시예들과 유사하게, 몰리브덴 층은 기판 표면 바로 위에, 또는 다른 층, 이를테면, 금속 층 또는 유전체 층 상에 배치될 수 있다. 본원에서 설명되는 다른 실시예들 및 예들과 조합될 수 있는 본 실시예에 따른 몰리브덴 층의 패터닝은 디바이스의 상호연결 구조를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 패터닝 방법(500)은 플라즈마 프로세스 챔버, 이를테면, 에칭 프로세스 챔버 또는 다른 적절한 프로세스 장치에서 수행된다. 방법(500)이 상호연결 구조를 형성하는 데 활용되는 몰리브덴 층을 참조하여 아래에서 설명되지만, 방법(500)은 또한, 몰리브덴 이외의 재료들에, 그리고 다른 반도체 디바이스 제조 애플리케이션들에서 유리하게 사용될 수 있다.[0047] FIG. 5 is a flow diagram of a method (500) for patterning a molybdenum layer of a device, such as a semiconductor device, by high pressure water anneal, according to one embodiment. Similar to the embodiments illustrated in FIGS. 1-4, the molybdenum layer may be disposed directly on a substrate surface, or on another layer, such as a metal layer or a dielectric layer. Patterning of the molybdenum layer according to this embodiment, which may be combined with other embodiments and examples described herein, may be used to fabricate interconnect structures of the device. The patterning method (500) is performed in a plasma process chamber, such as an etch process chamber, or other suitable process apparatus. Although the method (500) is described below with reference to a molybdenum layer utilized to form an interconnect structure, the method (500) may also be advantageously used with materials other than molybdenum and in other semiconductor device fabrication applications.
[0048] 동작(502)에서, 몰리브덴 층을 포함하는 반도체 디바이스가 플라즈마 프로세스 챔버, 이를테면, 에칭 프로세스 챔버(도시되지 않음)에 포지셔닝된다. 반도체 디바이스는, 제조 프로세스에 있는 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함할 수 있다. 반도체 디바이스는, 예컨대, 도 2 및 도 4와 관련하여 설명된 기판(201), 몰리브덴 층(202), 및 마스킹 층(203)과 유사한, 기판, 기판 위에 배치된 몰리브덴 층, 및 마스킹 층을 더 포함한다. 반도체 디바이스는 또한, 기판 상에 배치된 다른 재료 층들, 이를테면, 배리어 층 또는 로우-k 절연 층을 포함할 수 있다.[0048] In operation (502), a semiconductor device including a molybdenum layer is positioned in a plasma process chamber, such as an etching process chamber (not shown). The semiconductor device may include one or more semiconductor devices in a manufacturing process. The semiconductor device further includes a substrate, a molybdenum layer disposed over the substrate, and a masking layer, similar to the substrate (201), the molybdenum layer (202), and the masking layer (203) described with respect to FIGS. 2 and 4 . The semiconductor device may also include other material layers disposed over the substrate, such as a barrier layer or a low-k insulating layer.
[0049] 동작(504)에서, 마스킹 층의 부분들이 제거되어 몰리브덴 층의 노출된 부분들을 형성한다. 마스킹 층의 이러한 부분들의 제거는 마스킹 층에 공극들(205)을 형성하며, 공극들(205)의 최하부는 몰리브덴 층의 노출된 부분들에 의해 형성된다. 마스킹 층의 부분들의 제거는 몰리브덴 층의 부분들을 노출시킨다.[0049] In operation (504), portions of the masking layer are removed to form exposed portions of the molybdenum layer. The removal of these portions of the masking layer forms voids (205) in the masking layer, with lowermost portions of the voids (205) being formed by the exposed portions of the molybdenum layer. The removal of the portions of the masking layer exposes portions of the molybdenum layer.
[0050] 동작(506)에서, 반도체 디바이스로부터 몰리브덴 층의 노출된 부분들을 제거하기 위해, 반도체 디바이스가 HPWA(high pressure water anneal) 프로세스에 노출된다. 방법(500)이 반도체 디바이스를 어닐링하기 위해 수증기를 활용하는 고압수 어닐링을 설명하지만, 다른 가스들이 고압 하에 반도체 디바이스를 어닐링하는 데 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 예컨대, 반도체 디바이스는, 수소, 중수소, 불소, 염소, 암모늄, 또는 다른 적절한 가스들을 사용하여 고압에서 어닐링될 수 있다. 다른 예에서, 반도체 디바이스는, 수소, 중수소, 불소, 염소, 암모늄, 및 다른 적절한 가스들을 포함하는 가스들의 조합을 사용하여 어닐링될 수 있다.[0050] In operation (506), the semiconductor device is exposed to a high pressure water anneal (HPWA) process to remove exposed portions of the molybdenum layer from the semiconductor device. Although the method (500) describes a high pressure water anneal utilizing water vapor to anneal the semiconductor device, it is contemplated that other gases may be used to anneal the semiconductor device under high pressure. For example, the semiconductor device may be anneal at high pressure using hydrogen, deuterium, fluorine, chlorine, ammonium, or other suitable gases. In another example, the semiconductor device may be anneal using a combination of gases including hydrogen, deuterium, fluorine, chlorine, ammonium, and other suitable gases.
[0051] 동작(506)에서, 프로세싱 챔버는 압력 챔버로부터 프로세싱 챔버로 수증기를 공급함으로써 가압되고, 이어서, 디바이스의 열적 어닐링 및 수증기의 진공배기(evacuation)에 의한 프로세싱 챔버의 감압이 뒤따른다. 열적 어닐링은 약 250℃ 내지 약 450℃, 이를테면, 약 300℃ 내지 약 400℃의 온도에서 수행된다. 예컨대, 열적 어닐링은 약 325℃ 내지 약 375℃의 온도에서 수행된다. 또한, 프로세싱 챔버는 약 10 bar 내지 약 75 bar, 이를테면, 약 20 bar 내지 약 60 bar의 압력으로 가압된다. 예컨대, 프로세싱 챔버는 약 30 bar 내지 약 50 bar의 압력으로 가압된다. 고압 수증기 어닐링에 대한 디바이스의 노출은 몰리브덴 층의 노출된 부분들을 제거하여, 다른 디바이스 구조들 또는 재료 층들을 손상시키지 않으면서 패터닝된 몰리브덴 층을 형성한다.[0051] In operation (506), the processing chamber is pressurized by supplying water vapor from the pressure chamber to the processing chamber, followed by thermal annealing of the device and depressurization of the processing chamber by evacuation of the water vapor. The thermal annealing is performed at a temperature of about 250° C. to about 450° C., for example, about 300° C. to about 400° C. For example, the thermal annealing is performed at a temperature of about 325° C. to about 375° C. Additionally, the processing chamber is pressurized to a pressure of about 10 bar to about 75 bar, for example, about 20 bar to about 60 bar. For example, the processing chamber is pressurized to a pressure of about 30 bar to about 50 bar. Exposure of the device to high pressure steam annealing removes exposed portions of the molybdenum layer, forming a patterned molybdenum layer without damaging other device structures or material layers.
[0052] 본 개시내용의 실시예들은 디바이스의 상호연결 구조를 제조하기 위한 프로세스의 부분으로서 상호연결 층에 피처들을 형성하기 위해 디바이스의 금속 층을 패터닝하기 위한 방법들을 포함한다. 구체적으로, 개시된 방법들은, 선택성이 개선된, 몰리브덴 층을 패터닝하기 위한 프로세스들을 설명한다. 몰리브덴 층들을 패터닝하는 데 있어서 증가된 선택성은, 반도체 디바이스 내에 적층된 다른 층들 및 구조들에 대한 큰 언더컷(undercut) 및 손상을 포함하는, 고경도 재료들을 패터닝하는 것과 연관된 단점들 없이, 다른 금속 층들뿐만 아니라 상호연결 구조들의 형성을 가능하게 한다. 따라서, 본원에서 제공되는 방법들은, 다른 고경도 금속들뿐만 아니라 몰리브덴을, 상호연결 구조들과 같은 디바이스 구조들을 위한 더 바람직하고 실행가능한 재료들로 만든다.[0052] Embodiments of the present disclosure include methods for patterning a metal layer of a device to form features in the interconnection layer as part of a process for fabricating an interconnection structure of the device. Specifically, the disclosed methods describe processes for patterning a molybdenum layer with improved selectivity. The increased selectivity in patterning the molybdenum layers enables the formation of interconnection structures as well as other metal layers without the disadvantages associated with patterning high hardness materials, including large undercuts and damage to other layers and structures stacked within a semiconductor device. Thus, the methods provided herein make molybdenum, as well as other high hardness metals, more desirable and viable materials for device structures, such as interconnection structures.
[0053] 전술한 바가 본 개시내용의 구현들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 구현들이, 본 개시내용의 기본적인 범위를 벗어나지 않으면서 안출될 수 있고, 본 개시내용의 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정된다.[0053] While the foregoing is directed to implementations of the present disclosure, other and additional implementations of the present disclosure may be devised without departing from the basic scope of the present disclosure, which scope is determined by the following claims.
Claims (20)
기판 상에 몰리브덴 층을 형성하는 단계;
상기 몰리브덴 층 위에 마스킹 층을 형성하는 단계;
상기 몰리브덴 층의 부분들을 노출시키도록 상기 마스킹 층을 패터닝하는 단계;
상기 몰리브덴 층의 몰리브덴 산화물 부분들을 형성하기 위해 상기 몰리브덴 층의 노출된 부분들을 산소로 개질(modifying)시키는 단계;
상기 몰리브덴 산화물 부분들의 다결정질 구조를 형성하도록, 250℃ 내지 550℃의 온도 및 25 bar 내지 55 bar의 압력에서 상기 기판을 어닐링하는 단계; 및
상기 기판을 어닐링하는 단계 후에, 상기 기판으로부터 상기 몰리브덴 산화물 부분들을 제거하는 단계를 포함하는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.A method for forming a metal interconnection layer,
A step of forming a molybdenum layer on a substrate;
A step of forming a masking layer on the above molybdenum layer;
A step of patterning the masking layer to expose portions of the molybdenum layer;
A step of modifying exposed portions of the molybdenum layer with oxygen to form molybdenum oxide portions of the molybdenum layer;
A step of annealing the substrate at a temperature of 250° C. to 550° C. and a pressure of 25 bar to 55 bar to form a polycrystalline structure of the molybdenum oxide portions; and
After the step of annealing the substrate, a step of removing the molybdenum oxide portions from the substrate is included.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 몰리브덴 층의 노출된 부분들은 산소 플라즈마 도핑에 의해 개질되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In the first paragraph,
The exposed portions of the above molybdenum layer are modified by oxygen plasma doping.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 몰리브덴 층의 노출된 부분들은 직접 산소 주입(direct oxygen implantation)에 의해 개질되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In the first paragraph,
The exposed portions of the above molybdenum layer are modified by direct oxygen implantation.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 몰리브덴 층의 몰리브덴 산화물 부분들은 건식 에칭 프로세스에 의해 제거되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In the first paragraph,
The molybdenum oxide portions of the above molybdenum layer are removed by a dry etching process.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 몰리브덴 층의 몰리브덴 산화물 부분들은 습식 에칭 프로세스에 의해 제거되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In the first paragraph,
The molybdenum oxide portions of the above molybdenum layer are removed by a wet etching process.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 몰리브덴 층의 몰리브덴 산화물 부분들은 pH 10 완충 용액(buffer solution)에 의해 습식 에칭되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In clause 5,
The molybdenum oxide portions of the above molybdenum layer are wet-etched with a pH 10 buffer solution.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 몰리브덴 층의 몰리브덴 산화물 부분들은 암모니아 용액에 의해 습식 에칭되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In clause 5,
The molybdenum oxide portions of the above molybdenum layer are wet-etched with an ammonia solution.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 직접 산소 주입은 5 Kev 내지 30 KeV의 전압 전위에서 수행되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In the third paragraph,
The above direct oxygen injection is performed at a voltage potential of 5 KeV to 30 KeV.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 습식 에칭은 2분 내지 10분의 지속기간 동안 수행되는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In clause 5,
The above wet etching is performed for a duration of 2 to 10 minutes.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 완충 용액은 나트륨 테트라보레이트 및 나트륨 수산화물을 포함하는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In Article 6,
The above buffer solution comprises sodium tetraborate and sodium hydroxide.
A method for forming a metal interconnect layer.
상기 암모니아 용액은 28% w/w 내지 30% w/w의 농도로 암모니아 수산화물을 포함하는,
금속 상호연결 층을 형성하는 방법.In Article 7,
The above ammonia solution contains ammonia hydroxide at a concentration of 28% w/w to 30% w/w.
A method for forming a metal interconnect layer.
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