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KR20210110579A - 루테늄의 선택적 제거를 위한 광 보조 화학 기상 에칭 - Google Patents

루테늄의 선택적 제거를 위한 광 보조 화학 기상 에칭 Download PDF

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KR20210110579A
KR20210110579A KR1020217018738A KR20217018738A KR20210110579A KR 20210110579 A KR20210110579 A KR 20210110579A KR 1020217018738 A KR1020217018738 A KR 1020217018738A KR 20217018738 A KR20217018738 A KR 20217018738A KR 20210110579 A KR20210110579 A KR 20210110579A
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ruthenium
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오미드 잔디
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본원의 방법 및 시스템은, 플라즈마의 잠재적 손상 효과 없이 높은 처리량으로 루테늄(Ru) 금속을 선택적으로 제거할 수 있다. 기술은, 휘발성 종으로서의 Ru 금속을 선택적으로 제거하기 위한 광-보조 화학 기상 에칭(PCVE) 방법을 포함한다. 루테늄 표면을 가진 기판은 처리 챔버 내에 위치결정된다. 광-산화제는 처리 챔버에서 증기 형태로 수용된다. 광-산화제는 화학 방사선에 반응하여 반응성 산소 종을 생성하는 종이다. 이어서, 반응성 산소 종은 자외선 방사와 같은 광-산화제의 조사에 의해 생성된다. 반응성 산소 종은 루테늄 표면과 반응하여 루테늄 표면을 산화시킨다. 산화된 루테늄은 증발되는 것과 같이 기판으로부터 제거된다.

Description

루테늄의 선택적 제거를 위한 광 보조 화학 기상 에칭
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, "Photo-assisted Chemical Vapor Etch Method for Selective Removal of Ruthenium"이라는 명칭으로 2019년 1월 28일에 출원된 미국 가특허출원번호 제62/797,610호의 이점을 주장하며, 그 전문은 본원에 참고로 원용된다.
본 개시 내용은 반도체 처리 및 미세 제조 기술에 관한 것이다.
반도체 산업에서 집적 회로(IC) 제조는, 통상적으로 플라즈마를 사용하여 플라즈마 처리 챔버 내의 기판으로부터 물질을 제거하고 기판 상에 물질을 증착하는 데 필요한 표면 화학 물질을 생성하고 지원한다. 일반적으로, 플라즈마는, 공급되는 공정 가스와의 이온화 충돌을 유지하기에 충분한 에너지로 전자를 가열함으로써 진공 조건 하에서 플라즈마 반응기 내에 형성된다. 가열된 전자는 해리 충돌을 지속하기에 충분한 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 미리 정해진 조건(예를 들어, 챔버 압력, 가스 유속 등) 하에서 가스들의 특정 세트를 선택하여, 챔버 내에서 수행되는 특정 공정에 적합한 하전된 종 및/또는 화학적 반응성 종의 집단을 생성한다. 예를 들어, 에칭 공정은 기판으로부터 물질을 제거하고, 증착 공정은 기판에 물질을 추가한다.
고정밀 에칭의 한 가지 유형은 원자층 에칭(ALE)이다. ALE는, 통상적으로 기판으로부터 물질의 얇은 층들을 체계적으로 제거하기 위한 자기-제한적 에칭 기술로서 설계된다. 이러한 에칭은, 흡착 상태와 탈착 상태 간에서 천이될 수 있는 플라즈마에 기판을 노출함으로써 실행될 수 있다. 이러한 얇은 층들은 원자 또는 분자의 두께를 갖는 물질의 층들 또는 단층들을 포함할 수 있다. ALE의 한 가지 목적은 기저층을 손상시키지 않으면서 물질의 양을 정밀하게 제거하는 것이다.
미세 전자 장치의 기능 크기가 계속 축소됨에 따라, 복잡한 장치 구성요소를 제조하려면 원자 수준 제어를 이용한 공정이 필요하다. 잘 알려진 일례는 다결정 금속을 금속화 공정의 일부로서 에칭하는 것이다. 이러한 금속 에칭을 사용하는 경우, 나노스케일 균일성이 장치 고장을 최소화하는 데 중요하다. 종래의 에칭 공정은 공정 화학 물질의 근본적인 성질로 인해 바람직하지 않은 표면 거칠기와 에칭 불균일성을 종종 유발한다. 또한, 종래 물질을 대체하기 위해 새로운 물질이 도입됨에 따라, 공정 통합 기준을 충족하는 적절한 공정을 개발해야 한다.
나노스케일 균일성을 달성하는 한 가지 방식은 원자층 에칭에서와 같이 자기-제한적 표면 반응을 이용하는 것이다. ALE에서, 에칭될 물질은, 자기-제한적 반응에서 제1 반응물이 물질의 표면을 변형하여 변형된 층을 형성하는 교번 반응물들에 순차적으로 노출된다. 이어서, 제2 반응물은 변형된 층을 제거한다. ALE는 나노스케일 균일성을 달성할 수 있지만, ALE는 웨이퍼 처리량을 감소시키는 시간 소모적 공정이다. 또한, 반응물 및 공정 가용성의 한계로 인해 ALE에 의해 모든 물질을 에칭할 수 있는 것은 아니다.
그러나, 본원의 기술은, 높은 처리량으로 그리고 잠재적으로 플라즈마의 손상 효과 없이 루테늄(Ru) 금속의 선택적 제거를 가능하게 한다. 기술은, Ru 금속을 휘발성 종으로서 선택적으로 제거하기 위한 광-보조 화학 기상 에칭(photo-assisted chemical vapor etch; PCVE) 방법을 포함한다. Ru 금속은, 더 양호한 비저항 스케일링 및 전자 이동(electromigration) 특성으로 인해 백엔드오브라인(back-end-of-line; BEOL) IC(집적 회로) 금속화에 사용되는 유망한 물질이다.
본원의 일 실시예는 기판을 에칭하는 방법을 포함한다. 기판은 처리 장치의 처리 챔버 내의 기판 홀더 상에 위치결정된다. 기판은, 루테늄 표면을 갖고, 비루테늄(non-ruthemum) 표면도 가질 수 있다. 광산화제는 처리 챔버에서 증기 형태로 수용된다. 광산화제는 화학 방사선(actinic radiation)에 반응하여 반응성 산소 종을 생성하는 종이다. 이어서, 광산화제의 조사에 의해 반응성 산소 종이 생성된다. 반응성 산소 종은 루테늄 표면과 반응하여 루테늄 표면을 산화시킨다. 이에 따라 산화된 루테늄 층이 형성된다. 이어서, 산화된 루테늄을 예컨대 증발에 의해 기판으로부터 제거한다. 이어서, 증발된 루테늄(RuO4)을 처리 챔버로부터 제거할 수 있다.
다른 일 실시예는 기판을 에칭하는 방법을 포함한다. 기판은 처리 장치의 처리 챔버 내의 기판 홀더 상에 위치결정된다. 기판은 루테늄 표면을 갖는다. 루테늄 표면 상에 광산화제가 흡착된다. 광산화제는 화학 방사선에 반응하여 반응성 산소 종을 생성하는 종이다. 흡착된 광산화제의 조사에 의해 반응성 산소 종이 생성된다. 반응성 산소 종은 루테늄 표면을 산화시킨다. 산화된 루테늄을 기판으로부터 제거한다.
물론, 본원에 설명된 바와 같이 상이한 단계들의 논의 순서는 명확성을 위해 제시되었다. 일반적으로, 이러한 단계들은 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 추가로, 본원의 상이한 특징, 기술, 구성 등의 각각이 본 개시 내용의 상이한 위치에서 논의될 수 있지만, 각 개념을 서로 독립적으로 또는 서로 조합하여 실행할 수 있다는 점을 의도한 것이다. 이에 따라, 본 발명을 다양한 방식으로 구체화하고 볼 수 있다.
이러한 발명의 내용 섹션은, 본 개시 내용 또는 청구 발명의 모든 실시예 및/또는 점진적으로 신규한 양태를 특정하지 않는다는 점에 주목한다. 대신, 이러한 발명의 내용은 상이한 실시예들의 예비적 논의 및 종래 기술에 대비되는 대응하는 신규성 포인트만을 제공한다. 본 발명 및 실시예의 추가 세부 사항 및/또는 가능한 관점을 위해, 독자는 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이 본 개시 내용의 상세한 설명 섹션 및 대응하는 도면을 참조하도록 안내된다.
본 발명의 다양한 실시예 및 이에 수반되는 많은 이점에 대한 더욱 완전한 이해는 첨부 도면과 함께 고려되는 다음의 상세한 설명을 참조하면 쉽게 명백해질 것이다. 도면은, 반드시 축척에 맞지 않는 것은 아니며, 대신, 기능, 원리, 및 개념을 설명하는 데 중점을 두고 있다.
도 1a는 본원에 개시된 실시예들을 수행하도록 구성된 시스템의 개략적 단면도이다.
도 1b는 본원에 개시된 실시예들을 수행하도록 구성된 시스템의 개략적 단면도이다.
도 2a는 본원에 개시된 실시예들에 따른 방사 및 압력의 공정안을 도시하는 도면이다.
도 2b는 본원에 개시된 실시예들에 따른 방사 및 압력의 공정안을 도시하는 도면이다.
도 2c는 본원에 개시된 실시예들에 따른 방사 및 압력의 공정안을 도시하는 도면이다.
도 2d는 본원에 개시된 실시예들에 따른 방사 및 압력의 공정안을 도시하는 도면이다.
도 2e는 본원에 개시된 실시예들에 따른 방사 및 압력의 공정안을 도시하는 도면이다.
도 2f는 본원에 개시된 실시예들에 따른 방사 및 압력의 공정안을 도시하는 도면이다.
루테늄(Ru)은 화학적으로나 기계적으로 매우 안정적인 것으로 간주되는 비교적 단단한 금속이다. Ru를 에칭하는 종래의 공정은 플라즈마 ALE에서와 같이 에너지 이온을 이용하거나 고 산화 액체 화학 물질을 사용한다. 그러나 플라즈마-기반 에칭과 액체-기반 Ru 에칭 기술 모두는 바람직하지 않다. 플라즈마 ALE는, 플라즈마 ALE로 인해 표면이 거칠어지고 에칭되는 표면이 손상되며 다른 장치 구성요소도 손상되기 때문에, 바람직하지 않다. 종래의 습식 에칭 공정은 에칭 역학을 제어하지 않기 때문에 바람직하지 않다. 예를 들어, 습식 에칭은 결정립 경계에서 다양한 에칭 속도를 발생시킨다. 또한, 결함 부위는 에칭 공정 중에 피팅(pitting)을 초래하거나 표면이 거칠어지게 한다.
본원의 실시예들은, 기상 제거를 통해 루테늄 금속(Ru) 또는 루테늄(IV) 산화물(RuO2)을 선택적으로 제거하기 위한 광-보조 화학 기상 에칭(PCVE) 방법을 포함한다. 본원의 실시예들은 Ru의 에칭에 중점을 두지만, RuO2의 에칭도 본원의 기술로 가능하다. 도 1은 본원의 실시예들에 사용될 수 있는 기상 제거 시스템을 도시한다. 본원에서의 루테늄 에칭은, 휘발성 에칭 생성물을 형성하도록 기상으로 현장에서 생성된 (및/또는 Ru 표면에 흡착된) 반응성 라디칼과 Ru 금속 간의 일시적 반응에 기초한다. 반응성 라디칼은 기상에서 광화학적으로, 화학적으로, 또는 열적으로 생성될 수 있다. 에칭된 물질의 특정 양은, 반응물 펄스 시간, 조명 시간, 및 생성된 라디칼의 수명을 포함한 여러 인자에 의해 제어된다. 이러한 라디칼은 일반적으로 일시적이다. 일단 광-생성된 라디칼이 소비되거나 소멸되면, 해당 에칭 이벤트가 중지되거나 느려진다. 근본적으로 짧은 라디칼 수명과 결합된 반응 펄스 시간을 제어함으로써, Ru의 준 자기-제한 에칭을 달성한다. 수명이 마이크로초인 단기 라디칼은, 입자 경계 및 결함 부위에서 확산-제어식 우선 에칭 반응을 최소화함으로써 균일한 에칭을 허용한다. 또한, ALE와는 달리, 여기서의 공정은 단일 단계(즉, 하나의 반응물만이 포함됨)로 구현될 수 있으므로, 훨씬 더 빠른 에칭 속도를 달성할 수 있다. ALE와는 달리 기상 에칭을 일괄적으로 실행할 수 있기 때문에, 처리량도 개선된다.
이제 도 1a를 참조해 볼 때, 시스템(100)은 루테늄 금속을 기상 에칭하는 데 사용될 수 있다. 처리실(107)을 제공한다. 처리 챔버(107)는 처리될 하나 이상의 기판(웨이퍼)을 수용하고 유지하기에 충분한 크기로 구성된다. 이들 기판은 에칭될 루테늄을 포함할 수 있다. 처리 챔버(107)는 기판(105)을 수용하기 위한 기판 홀더(103)를 포함한다. 기판 홀더(103)는 기판(105)을 가열하기 위한 히터를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 반응물을 활성화하기 위한 광원(110)을 포함한다. 광원(110)은, 예를 들어, 자외선 및/또는 적외선을 챔버 내로 제공할 수 있고/있거나 기판(105) 상으로 지향시킬 수 있다. 처리 챔버(107)는 하나 이상의 공정 가스를 수용하기 위한 유입구(108)를 포함한다. 유출구(109)는 진공 배기부(140)에 연결될 수 있다. 진공 배기부(140)는, 또한, 처리 챔버(107) 내의 압력을 감소시키도록 사용될 수 있다. 시스템은 유입구(108)에 연결된 가스 공급원(131)을 포함한다. 밸브(132)는 가스 공급원(131)으로부터의 공정 가스 또는 공정 가스들의 흐름을 규제할 수 있다. 가스 공급원(131)은, 예를 들어, 과산화수소 공급원일 수 있다. 시스템은 유입구(108)에 연결된 가스 공급원(135)을 포함한다. 밸브(136)는 가스 공급원(135)으로부터의 공정 가스 또는 공정 가스들의 흐름을 규제할 수 있다. 가스 공급원(135)은, 예를 들어, 오존 생성기일 수 있다. 반응성 종의 다른 공급원은, 캐리어 가스뿐만 아니라 이들 가스 공급원에도 포함될 수 있다. 처리 챔버(107) 내로 공급을 행하기 위해 추가 가스 공급원이 추가될 수 있다.
처리 챔버(107)는, 처리 챔버(107) 내로 유입되는 광-산화제를 타격하기 위한 방사선(111)을 위한 창(113)(또는 다른 개구)을 포함할 수 있다. 실시예들은, 광-산화제를 물이 첨가되거나 첨가되지 않고서 과산화수소, 오존, 산소, 또는 이들의 혼합물로서 사용하여, Ru 에칭을 휘발성 RuO4 종으로서 구동하는 반응성 산소 종을 생성하고, 이어서 이러한 반응성 산소 종이 반응 챔버로부터 퍼징되는 것을 포함할 수 있다. RuO4는, 저온에서 휘발성이 있으며, 녹는점이 25℃, 끓는점이 91℃, 증기압이 27℃에서 3.6 torr 내지 11.2 torr이다. Ru가 휘발성 생성물을 형성하는 유일한 물질이므로, 이 공정은 본질적으로 선택적이다. 대체 화학 물질은, 다른 과산화물 종의 광분해에 의해 생성된 히드록실 라디칼, Cl2, 차아염소산, 염화옥살릴 또는 염화비닐 종의 광분해에 의해 생성된 염소 라디칼, 및 감광제 염료를 사용하여 화학적으로, 열적으로, 또는 광자적으로 생성된 일중항 산소를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 반응식의 예는 다음과 같다.
Figure pct00001
도 1b는 공정 챔버(107)의 측면에 위치결정된 광원(120)으로부터 광-산화제의 조사를 가능하게 하는 대체 시스템 구성이다. 본 실시예에서, 방사선(121)은 창(123)(또는 개구)을 통해 진입하고 본질적으로 기판의 작업면에 평행하게 이동한다. 따라서, 방사선(121)은 기판(105)의 작업면을 타격하지 않으면서 챔버 내의 광-산화제를 타격한다. 특정 기판으로부터 루테늄을 에칭할 때 측면 위치로부터 방사선이 진입되는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 주어진 기판에 UV 광에 의해 손상될 수 있는 저 유전층이 있는 경우, 측면 광원 조사를 이용하면 기판 손상을 방지할 수 있다. 다른 주어진 기판에 UV 광의 영향을 받지 않는 물질 스택이 있는 경우, 상단 또는 측면 조사를 선택할 수 있다. 본원의 실시예들은, 기판에 수직으로 지향되는 방사선, 기판에 평행하게 지향되는 방사선, 또는 이들 광원 모두의 조합을 사용할 수 있다는 점에 주목한다.
여기서 에칭 공정은, 하나 이상의 광-산화제를 처리 챔버 내에 도입한 다음 광-산화제를 UV 광에 노출하여 반응성 라디칼(
Figure pct00002
또는
Figure pct00003
및
Figure pct00004
)을 생성함으로써 동작한다. 산화 반응으로서 커버되지 않은/노출된 Ru 표면과 반응하기 위해 Ru 표면 근처에서 라디칼이 생성된다. Ru의 산화는 RuO4를 생성한다. 이어서, 산화된 Ru를 증발시키고 캐리어 가스를 사용하여 제거한다.
RuO4의 제거는, 산화 반응과 함께 선택 사항으로서 그리고 선택적으로 발생할 수 있거나 사용되는 특정 동작 온도 및 압력에 따라 별도의 단계에서 발생할 수 있다. 도 2a 내지 도 2f는 다양한 광-보조 Ru 에칭 모드를 도시하는 그래프를 포함한다. 시간(201)은 x축에 표시되고, 압력 및 광 강도(202)는 y축에 표시된다. 특정 에칭 반응이 고온에서 실행되면, RuO4는 휘발성이므로 산화됨에 따라 표면을 떠나게 된다(도 2a 및 도 2b). 도 2a에서, 반응물(광-산화제)은 일정한 흐름과 반응물 압력(220)으로 에칭 반응기(공정 챔버)에 도입된다. 반응물은 반응성 에칭 종을 생성하도록 UV 광 펄스(211)로 조명된다. 도 2b에서, 반응물은 반응기 내로 순차적으로 펄싱되고(221), UV 광 펄스(211)는 반응물 펄스(221)와 동기화된다. 이어서, 반응기를 퍼징(222)하여 잔류 반응물을 제거하고 생성물을 에칭한다. 이어서, 이 반응물 펄스와 UV 광 펄스 패턴은 에칭 공정을 완료할 때까지 계속될 수 있다. 에칭 공정의 완료는 미리 결정된 양의 Ru의 제거 또는 커버되지 않은 모든 Ru의 제거일 수 있다.
대안으로, 반응기 온도는, RuO4가 표면 산화층을 형성하도록 충분히 낮게 설정될 수 있다. 이 표면 산화 층은, 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이 적외선(IR) 광 펄스(233)를 사용하여 추가로 기화될 수 있다. 충분히 낮은 온도에서, 에칭 생성물은 휘발성이 없다. 도 2c는 도 2a의 변형이다. 도 2c에서, 이어서, IR 광 펄스(233)(레이저 펄스일 수 있음)를 이용하여 산화된 Ru를 증발시켜 표면 개질된 RuO4 층을 제거할 수 있다. (도 2b와 유사한) 도 2d에서, 반응 펄스(221) 및 UV 광 펄스(211)는 0℃와 같은 저온에서 동시에 실행된다. 이어서, 표면 층의 산화는 RuO4 층을 제거하기 위해 IR 레이저 펄스로 이어진다.
본원의 광-보조 에칭 공정은, RuO4 종의 휘발성이 주어지면 실온에서 실행될 수 있다. 또한, 플라즈마 ALE와 같은 방법과는 달리, 표면 거칠어짐을 유발하고 다른 장치 구성요소에 손상을 줄 수 있는 에너지 이온이 없다.
이해할 수 있는 바와 같이, 처리 파라미터들의 많은 조합을 갖는 다른 처리안이 본원에서 고려된다. 도 2e에서, 반응물은 챔버 내로 펄싱되고 기판 표면 상에 응축되거나 흡착된다. 이어서, 챔버를 퍼징하여 여분의 광-산화제를 제거한 다음 UV 광 펄스를 통해 표면 광-산화 공정을 활성화하고, 이러한 단계들을 반복할 수 있다. 도 2f에서, 에칭 공정은, 도 2f의 개질된 층이 IR 광 펄스(233)로 제거되는 저온에서 실행될 수 있다.
본원의 일 실시예는 기판을 에칭하는 방법이다. 기판은 처리 장치의 처리 챔버 내의 기판 홀더 상에 위치결정된다. 예를 들어, 기판 홀더는 에칭 챔버 내의 척일 수 있다. 대안으로, 처리 장치는 웨이퍼들의 뱃치(batch)를 처리하도륵 구성될 수 있다. 기판은, 루테늄 표면 또는 루테늄 산화면을 가지며, 비루테늄 표면도 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판은, 전자 장치들이 미세 제조되는 패터닝된 반도체 웨이퍼일 수 있다. 따라서, 기판은, 부분적으로 제거되거나 완전히 제거되는 루테늄의 증착을 가질 수 있다. 루테늄 및 RuO2는 전도성 응용분야에 또는 촉매제로서 사용될 수 있다. RuO2는, 또한, 특정 미세 제조 공정의 부산물일 수 있으며, 챔버 벽을 코팅할 수 있다. 이에 따라, 본원의 기술은, 챔버 벽 또는 다른 표면으로부터 루테늄 또는 루테늄 산화 잔류물을 세정하기 위한 세정 공정으로서 또한 사용될 수 있다.
광산화제는 처리 챔버에서 증기 형태로 수용된다. 광-산화제는 자외선과 같은 화학 방사선에 반응하여 반응성 산소 종을 생성하는 종이다. 예를 들어, 과산화수소, 오존 등의 기상 광-산화제는, 처리 챔버 내로 유입되어 기판을 향하여, 기판의 작업면과 접촉한다. 이어서, 반응성 산소 종이 처리 챔버 내에서 광-산화제의 조사에 의해 생성된다. 예를 들어, 광-산화제가 루테늄 표면을 향해 흐름에 따라 또는 광산화제가 루테늄 표면에 있거나 그 근처에 있는 동안, UV 광이 광-산화제를 조명한다. 루테늄 표면과 접촉하는 반응성 산소 종은 반응하여 루테늄 표면을 산화시킨다. 이로 인해 산화된 루테늄 층이 생성된 후 기판으로부터 제거된다. 이어서, 기화된 산화 루테늄은 진공 퍼지를 통하는 것과 같이 공정 챔버로부터 제거될 수 있다. 이러한 기화된 루테늄은 루테늄의 휘발성 형태인 RuO4 형태로 된다.
기판은, 반응을 돕거나 유발하도록 미리 정해진 반응 온도까지 가열될 수 있다. 예를 들어, 기판의 온도는 루테늄 표면에 산화된 루테늄 층을 생성하도록 조절될 수 있다. 기판의 특정 온도는, 또한, 산화된 루테늄이 기화되도록 설정될 있다.
다양한 광 처리를 이용할 수 있다. 산화된 루테늄 층은 적외선 방사를 이용하여 광열 증발을 일으켜 제거될 수 있다. 적외선은 펄싱될 수 있거나 지속적일 수 있다. UV 광은 광-산화제 종을 조사하여 반응성 산소 종을 생성하는 데 사용될 수 있다. UV 광은, 지속적일 수 있고, 펄싱될 수 있으며/있거나 패터닝될 수 있으며, 광-산화제 펄스로 펄싱될 수 있다. 주어진 광량은 생성될 반응성 산소 종의 양에 기초할 수 있고, 이는 제거될 루테늄의 특정 두께에 기초할 수 있다. 또한, 광-산화제 자체는 처리 챔버 내로 펄싱될 수 있다. UV 광은 펄스형 광-산화제로 펄싱될 수 있고, 또는 펄스들이 교번될 수 있다. 펄싱되는 광의 양 또는 강도는 생성될 반응성 산소 종의 미리 정해진 양에 기초할 수 있다. 선택적 퍼지 단계는 조사/산화 및/또는 기화 후에 실행될 수 있다. 특정 양의 루테늄을 제거하기 위해 주어진 산화 및 기화 단계를 조정할 수 있다. 이어서, 산화 및 기화 단계를 특정 횟수만큼 순환하여 제거되는 루테늄의 특정한 총 두께를 얻을 수 있다.
투사된 UV 광은 기판 상의 좌표 위치에 의해 강도 및/또는 광량이 가변될 수 있다. 다시 말하면, 패터닝된 광을 기판의 작업면 상에 투사하여 기판 상의 지점 위치에서 많거나 적은 반응성 산소 종을 생성할 수 있다. 예를 들어, 기판의 에지에서의 반응이 통상적으로 기판의 중앙 부분보다 느리게 발생하면, 더 많은 반응물이 기판의 에지 부분에서 생성될 수 있다. 활성화 광은, 좌표당 체류 시간이 가변되는 스캐닝 빔을 사용하여 투사될 수 있거나, 디지털 투사 또는 포토마스크를 사용하여 한 번의 노광으로 기판에 걸쳐 투사될 수 있다. 특정 위치에서 주어진 광량은, 제거될 루테늄의 두께의 변동 또는 특정 위치에서의 장치 특성에 기초할 수 있다. 또한, 광을 작업면과 평행하게 투사하여(측면으로부터 투사하여) UV 광에 민감할 수 있는 기판 상의 임의의 물질에 대한 UV 노광을 피할 수 있다.
다른 일 실시예에서는, 광-산화제를 기판 상의 루테늄 표면에 흡착시킬 수 있다. 이는 응축, 물리 흡착, 화학 흡착 등에 의해 실행될 수 있다. 광-산화제는, 또한, 비루테늄 표면이 아닌 루테늄 표면(또는 RuO2 표면)에 선택적으로 흡착될 수 있다. 이어서, 루테늄 표면 상에 흡착된 광-산화제를 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하여, 루테늄 표면을 산화시킨다. 이어서, 산화된 루테늄은, 가열된 척, 가열된 챔버, IR 펄싱 등의 다양한 조합으로 전술한 바와 같이 제거될 수 있다.
본원의 예시적인 기술들은 주로 미세 제조 규모에서 루테늄의 에칭에 초점을 맞추었지만, 이에 제한되지는 않는다. 거울면, 전기 도금 등의 매크로 규모의 에칭도 실행할 수 있다.
본원에서 Ru 에칭을 위한 기술들은 많은 이점을 제공한다. 한 가지 이점은 에칭 거동을 제어하는 것이다. 광-보조형이며 사용 시점에 생성되는 단기 에천트(short-lived etchant)를 사용함으로써, 에칭 속도를 제어하여 웨이퍼 균일성 내에서 나노 스케일로 에칭을 제어할 수 있다. 오래 지속되는 라디칼이 없으면, 활성 반응 시간은 본질적으로 노광 기간으로 제한된다. 수명이 마이크로초인 단기 에천트를 사용하는 에칭은, 입자 경계 및 결함 부위를 통한 반응물 확산을 제한하여, 에칭 공정 동안 표면 거칠기를 최소화한다. 시간 제어에 추가하여, 본원에서는 공간 제어도 제공된다. 광원은, 픽셀화된 프로젝션 또는 래스터 프로젝션과 같이 강도를 공간적으로 조정하는 프로젝션 소스일 수 있다. 예를 들어, 에칭량의 공간적 변화는, 기판 상의 좌표 위치에 의해 광 강도를 조정하여 주어진 지점 위치에서의 에칭을 더 많게 또는 적게 함으로써 보정될 수 있다. 이는 에칭될 Ru가 많거나 적은 영역을 보상하는 데 도움이 될 수 있다.
본원에서의 공정들은 정확한 에칭 선택성을 제공한다. 많은 기판에서, 기판 표면 상의 덮이지 않았거나 노출된 물질은 Ru 및 기타 물질을 포함한다. Ru가 공정 동안 생성되는 유일한 휘발성 종이기 때문에, 여기서 에칭 공정이 본질적으로 Ru만을 에칭하도록 다른 물질을 선택할 수 있다. 일부 비루테늄 금속과 일부 유전체를 이용하는 경우, 비루테늄 물질의 일부 에칭이 발생할 수 있다. 그럼에도 불구하고, Ru 금속화 단계에서 사용되는 종래의 많은 물질의 경우에, 반응성 산소 종으로부터의 에칭은, 제안된 공정 온도 및 압력에서는 본질적으로 없다. 주변 온도 및 1 torr의 압력에서 반응하는 선택적 Ru 에칭에 대한 공정 온도 및 압력의 일례가 있다. 주어진 반응에 사용되는 특정 공정 압력은 원하는 에칭 속도 및 도구 구성에 기초하여 가변될 수 있다. 통상적인 공정 온도 범위는 0℃ 내지 -400℃이지만, 다른 공정 온도를 사용할 수 있다. 0℃ 미만의 공정 온도를 사용하는 것은,
Figure pct00005
와의 반응시 RuO4 형성의 유리한 에너지학을 고려할 때 유익할 수 있다. 그러나, 이러한 저온에서는, RuO4 증기압이 낮고, 이에 따라 RuO4 증기는 IR 조명과 같은 광열 수단을 사용하여 휘발될 수 있는 표면층을 형성할 수 있다.
본원의 기술들은 오염 없는 공정을 제공한다. 본원의 공정들은, 무기 산화제(예를 들어, 무탄소 H2O2 또는 O3) 및 광을 사용하면서 생성물이 에칭 챔버를 떠나는 휘발성 RuO4인 것으로 제한될 수 있다. 이에 따라, 탄소 및 금속 오염의 위험이 없다. 본원의 기술들은, 또한, 플라즈마가 없는 저온 솔루션을 제공한다. 이 에칭 공정은 RuO4 종의 휘발성을 고려할 때 실온에서 수행될 수 있다. 또한, 플라즈마 ALE와 같은 방법과는 달리, 표면 거칠어짐을 유발하고 다른 장치 구성요소에 손상을 줄 수 있는 에너지 이온이 없다.
본원의 기술들은 또한 매우 선택적이다. 루테늄은 다른 물질을 제거하지 않고도 휘발성 RuO4로서 제거될 수 있다. 다결정 루테늄의 에칭은 균일하다. 수명이 짧고 반응성이 높은 라디칼을 사용하면, 반응성이 높은 표면 부위에서 우선적인 산화 제거가 최소화된다. 본원의 공정들은 단일 반응물을 사용할 수 있고 연속 모드로 반응될 수 있기 때문에, 본원의 에칭은 ALE보다 부분적으로 빠를 수 있다.
전술한 설명에서는, 처리 시스템의 특정 기하학적 구조 및 그 안에서 사용되는 다양한 구성요소 및 공정의 설명과 같은 특정 세부 사항이 설명되었다. 그러나, 본원의 기술들은 이러한 특정 세부 사항에서 벗어나는 다른 실시예에서 실시될 수 있으며, 이러한 세부 사항은 제한이 아니라 설명을 위한 것임을 이해해야 한다. 본원에 개시된 실시예들은 첨부 도면을 참조하여 설명되었다. 마찬가지로, 설명의 목적으로, 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 번호, 물질, 및 구성이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 실시예들은 이러한 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있다. 실질적으로 동일한 기능적 구성을 갖는 구성요소들은 동일한 참조 부호로 표기되므로, 임의의 중복되는 설명을 생략할 수 있다.
다양한 실시예의 이해를 돕기 위해 다양한 기술이 다수의 개별 동작으로서 설명되었다. 설명 순서는, 이러한 동작들이 반드시 순서에 의존한다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 실제로, 이러한 동작들은 제시 순서대로 수행될 필요가 없다. 설명된 동작들은 설명된 실시예들과는 다른 순서로 수행될 수 있다. 다양한 추가 동작이 수행될 수 있고/있거나 설명된 동작들이 추가 실시예들에서 생략될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "기판" 또는 "타겟 기판"은 일반적으로 본 발명에 따라 처리되는 대상을 지칭한다. 기판은, 장치, 특히 반도체 또는 기타 전자 장치의 임의의 물질 부분 또는 구조를 포함할 수 있으며, 예를 들어 반도체 웨이퍼와 같은 베이스 기판 구조, 레티클, 또는 박막과 같은 베이스 기판 구조 상에 있거나 위에 있는 층일 수 있다. 따라서, 기판은, 패터닝되거나 패터닝되지 않은 임의의 특정 베이스 구조, 하부 층 또는 상부 층으로 제한되지 않고, 오히려 이러한 임의의 층 또는 베이스 구조, 및 층 및/또는 베이스 구조의 임의의 조합을 포함하는 것으로 고려된다. 설명은 특정 유형의 기판을 참조할 수 있지만, 이는 예시를 위한 것일 뿐이다.
통상의 기술자는, 또한, 본 발명의 동일한 목적을 달성하면서 전술한 기술의 동작에 많은 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 변형은 본 개시 내용의 범위에 포함되도록 의도된 것이다. 이처럼, 본 발명의 실시예들에 대한 전술한 설명은 제한하려는 의도가 아니다. 오히려, 본 발명의 실시예들에 대한 임의의 제한은 다음에 따르는 청구범위에 제시된다.

Claims (20)

  1. 기판 에칭 방법으로서,
    처리 장치의 처리 챔버 내의 기판 홀더 상에 루테늄 표면과 비루테늄 표면 (non-ruthemum surface)을 갖는 기판을 위치결정하는 단계;
    상기 처리 챔버에서 증기 형태의 광-산화제(photo oxidizer)를 수용하는 단계로서, 상기 광-산화제는 화학 방사선(actinic radiation)에 응답하여 반응성 산소 종을 생성하는 종인, 단계;
    상기 처리 챔버 내의 상기 광-산화제를 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하는 단계로서, 상기 반응성 산소 종은 루테늄 표면과 반응하여 상기 루테늄 표면이 산화되게 하여 산화된 루테늄 층을 RuO4로서 형성하는, 단계; 및
    상기 산화된 루테늄 층을 상기 기판으로부터 제거하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광-산화제는 상기 기판의 작업면과 접촉하도록 지향되고, 상기 광-산화제는 과산화수소, 오존, 및 산소로 이루어진 그룹 중에서 선택되는, 기판 에칭 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판 홀더를 이용하여 상기 기판을 미리 정해진 반응 온도까지 가열하여 상기 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는, 기판 에칭 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 미리 정해진 반응 온도는 상기 산화된 루테늄 층을 증발시키는, 기판 에칭 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 미리 정해진 반응 온도에 의해 상기 산화된 루테늄 층이 상기 루테늄 표면 상에 형성되는, 기판 에칭 방법.
  6. 제5항에 있어서, 산화된 루테늄이 상기 산화된 루테늄 층으로부터 증발되게 하는 적외선 방사를 이용하여 상기 루테늄 표면으로부터 상기 산화된 루테늄 층을 제거하는 단계를 더 포함하는, 기판 에칭 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광-산화제를 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하는 단계는, 생성될 반응성 산소 종의 미리 정해진 양에 기초하여 자외선 광을 펄싱하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  8. 제7항에 있어서, 산화된 루테늄을 증발시키는 적외선 광을 펄싱하는 단계를 더 포함하고, 자외선 광의 펄싱과 적외선 광의 펄싱이 교번되는, 기판 에칭 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광-산화제를 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하는 단계는, 자외선 광을 투사하고 투사된 상기 자외선 광의 강도를 상기 기판 상의 좌표 위치에 의해 가변하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광-산화제를 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하는 단계는, 자외선 광을 투사하고 투사된 상기 자외선 광의 광량을 상기 기판의 좌표 위치에 의해 가변하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  11. 제10항에 있어서, 좌표 위치에 의해 루테늄 표면의 초기 두께를 식별하는 단계를 더 포함하고,
    각 좌표 위치에 투사된 상기 투사된 자외선 광의 광량은 제거될 루테늄의 양에 기초하는, 기판 에칭 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광-산화제를 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하는 단계는, 상기 기판의 작업면에 평행하게 자외선 광을 투사하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 증기 형태의 광-산화제를 수용하는 단계는 상기 광-산화제를 상기 처리 챔버 내에 펄싱하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  14. 제13항에 있어서, 자외선 광이 상기 광-산화제와 함께 펄싱되는, 기판 에칭 방법.
  15. 기판 에칭 방법으로서,
    처리 장치의 처리 챔버 내의 기판 홀더 상에 루테늄 표면을 갖는 기판을 위치결정하는 단계;
    광-산화제를 상기 루테늄 표면 상에 흡착시키는 단계로서, 상기 광-산화제는 화학 방사선에 응답하여 반응성 산소 종을 생성하는 종인, 단계;
    상기 루테늄 표면 상에 흡착된 상기 광-산화제를 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하는 단계로서, 상기 반응성 산소 종은 상기 루테늄 표면이 산화되게 하여 산화된 루테늄 층을 형성하는, 단계; 및
    상기 산화된 루테늄 층을 상기 기판으로부터 제거하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기판 홀더를 이용하여 상기 기판을 미리 정해진 반응 온도까지 가열하여 상기 산화된 루테늄 층을 증발시키는 단계를 더 포함하는, 기판 에칭 방법.
  17. 제15항에 있어서, 산화된 루테늄을 상기 루테늄 표면으로부터 증발시키는 적외선 방사를 이용함으로써 상기 산화된 루테늄 층을 상기 루테늄 표면으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는, 기판 에칭 방법.
  18. 제17항에 있어서, 산화된 루테늄을 증발시키는 적외선 광을 펄싱하는 단계를 더 포함하고,
    자외선 광의 펄싱과 적외선 광의 펄싱이 교번되는, 기판 에칭 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 기판을 루테늄 표면과 비루테늄 표면을 모두 포함하고, 상기 광-산화제를 상기 루테늄 표면 상에 흡착시키는 단계는, 상기 광-산화제가 상기 비루테늄 표면에 흡착되지 않으면서 상기 광-산화제를 루테늄 표면에 선택적으로 흡착시키는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
  20. 기판 에칭 방법으로서,
    처리 장치의 처리 챔버 내에 처리될 기판을 수용하는 단계로서, 상기 기판은 루테늄 산화물(RuO2) 표면을 갖는, 단계;
    증기 형태의 광-산화제를 상기 RuO2 표면으로 지향시키는 단계로서, 상기 광-산화제는 화학 방사선에 반응하여 반응성 산소 종을 생성하는 종인, 단계;
    상기 광-산화제가 상기 RuO2 표면에 근접해 있는 동안 상기 광-산화제를 자외선 방사로 조사함으로써 반응성 산소 종을 생성하는 단계로서, 상기 반응성 산소 종은 상기 RuO2 표면과 접촉하여 상기 RuO4 표면이 추가로 산화되게 하여 RuO2 층을 형성하는, 단계; 및
    RuO4의 증발에 의해 상기 RuO4 층을 제거하고, 증발된 RuO4를 상기 처리 챔버로부터 제거하는 단계를 포함하는, 기판 에칭 방법.
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