Copper etching is one of the most difficult processes to overcome in order to realize copper metallization for the next generation semiconductor technology. Cooper chloride formed during etching is not so volatile as reaction product in coventional etching. In this dissertation, we proposed a new plasma etching method using ultraviolet(UV) irradiation in order to etch, that is, desorb the copper choloride effectively.
Chlorine plasma reacts rapidly with copper to be etched and form copper chloride ($CuCl_x$) thick and nonvolatile. Therefore, in order to analyze the etch characteristics, it should be necessary to understand how the copper chloride is formed in the plasma. So, we suggested a growth model of copper chloride that is able to anticipate the thickness exactly with practical process parameters, such as, plasma current, and bias voltage. From the model, we could extract criteria suggesting how fast UV should desorb the copper chloride (about 2100nm/min).
Surely, experimental results showed that UV should enhance the desorption of $CuCl_x$. Unfortunately, our UV system did not have enough capability to catch up the formation rate of $CuCl_x$. Compared etch data with the temperature simulation and with the measured temperature, what is worse, the dominant effect of UV is found out to be heating up the sample then yielding desorption of $CuCl_x$. QMS analysis of the emitted chloride species shows a possibility that photons above 3eV could desorb the $CuCl_x$ at lower temperature.
A new concept using plasma together with light (UV) was proposed and applied to etch copper. Although the first trial does not yield good results, this concept could be applied to any semiconductor process using plasma and might give a chance to improve the process.
반도체 소자의 미세화와 고밀도화는 기존의 알루미늄 배선보다 우수한 속도와 신뢰성을 줄 수 있는 구리를 배선용 금속으로 사용해야만 하는 상황을 가져왔다. 구리의 도입은 초창기서부터 고려되었지만, 소자에 미치는 악영향과 여러 공정상의 문제로 실현되지 못하였다. 특히, 구리의 플라즈마 식각은 식각시 형성되는 반응생성물이 비휘발성의 특성을 가지고 있어서 힘들다. 이를 해결하기 위해서 250℃ 이상의 온도가 필요하다. 본 논문에서는 플라즈마 식각시 자외선을 조사하는 새로운 방식의 식각 방법을 제시하였으며, 식각 기구를 규명하였다. 자외선에 의한 비열적 과정을 통해서 저온에서의 구리 식각을 시도한 것이다.
전형적인 식각에 있어서 반응생성물은 휘발성의 특성을 가지고 있다. 그러므로 식각 특성을 규명하는데 있어서 반응생성물이 형성 특성은 크게 고려하지 않는다. 그러나 비휘발성의 특성을 가지고 있는 경우, 식각 특성을 규명하기 위해서는 반응생성물의 형성 특성의 규명 또한 필요하다. 따라서, 실제공정변수로 기술할 수 있는 염화구리의 정량적인 형성 모델을 제시하였으며, 실험 결과와 잘 일치하는 것을 보였다. 염소 가스에 의한 염화구리 형성특성과 다르게, 염소 플라즈마로부터 오는 염소 음이온과 라디칼에 의하여 염화구리가 형성되는 것을 정량적으로 분석하였다. 또한, 본 모델로부터 플라즈마와 자외선이 수행해야 할 식각률에 대한 기준을 제시하였다. 적어도 700nm/min의 속도로 구리를 식각해야 한다.
자외선 조사를 할 경우, 구리의 식각은 괄목할 만한 향상을 보였다. 그러나, 좀처럼 비등방성의 식각 특성을 얻기가 어려웠으며, 잔유물과 염화구리의 재증착 그리고 감광막의 변형 등과 같은 문제들이 발생하였다. 자외선의 영향 중 열적인 영향을 가려내기 위해서, 온도 시뮬레이션 결과와 식각 결과들을 비교하였다. 하지만, 자외선 조사에 의한 온도의 상승이 식각의 주요인으로 나타났다. 자외선에 의하여 온도가 220℃까지 올라가기 전까지 염화구리가 형성된 후 온도상승에 의하여 염화구리의 탈착, 즉, 식각이 일어났다.
자외선의 영향을 보다 정밀하게 살펴보기 위해서 QMS를 이용하여 식각되는 염화구리 종들을 조사한 결과, 425nm(~3eV)이하의 자외선이 200℃ 이하에서도 $CuCl_2$를 탈착시키는 것으로 나타났다. 3eV 보다 큰 에너지를 갖는 자외선을 사용할 경우, 저온에서의 구리의 플라즈마 식각이 가능하리라 기대된다.
