KR102781519B1 - Method for Dry Etching of Cobalt Thin Films - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코발트 박막의 식각방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코발트 박막에 대하여 식각가스의 종류 및 식각가스의 농도 그리고 식각의 공정 변수 등을 포함한 최적의 식각공정 조건을 적용함으로써, 종래 코발트 박막의 식각법에 비해 재증착이 발생하지 않으면서 빠른 식각속도 및 높은 이방성(또는 식각 경사)의 식각프로파일을 제공할 수 있는 코발트 박막의 식각방법에 관한 것이다.The present invention relates to an etching method for a cobalt thin film, and more specifically, to an etching method for a cobalt thin film which can provide a fast etching speed and an etching profile with high anisotropy (or etching slope) without re-deposition compared to conventional etching methods for cobalt thin films by applying optimal etching process conditions including the type and concentration of etching gas and etching process variables to the cobalt thin film.
Description
본 발명은 코발트 박막의 건식 식각방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코발트 박막에 대하여 알코올 가스가 함유된 식각 가스를 이용하여 최적의 식각 공정 조건을 적용한, 코발트 박막의 식각방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dry etching method for a cobalt thin film, and more specifically, to an etching method for a cobalt thin film that applies optimal etching process conditions to the cobalt thin film using an etching gas containing alcohol gas.
반도체 소자 제조공정은 집적도의 증가로 인해 디바이스의 사이즈 감소가 요구되고 있으며, 배선 선폭이 감소하면서 스몰사이즈 패턴의 패턴 형상을 깨끗하게 구현하기가 어려워지고 있다. 이에 따라 반도체 제조 공정시 이용되는 가공기술도 점점 엄격해지고 있다.The semiconductor device manufacturing process is demanding a reduction in device size due to increased integration, and as the wiring line width decreases, it is becoming more difficult to cleanly implement the pattern shape of small-size patterns. Accordingly, the processing technology used in the semiconductor manufacturing process is also becoming increasingly strict.
종래 액정 디스플레이, 반도체 디바이스의 박막 트랜지스터의 게이트 전극, 배선, 배리어층이나 콘택트홀, 비어홀의 매립 등에는 구리 또는 구리계 금속이 사용되어 왔다. 그러나 최근에는 소자의 임계수치(critical dimension)가 수십 nm 이하로 축소됨에 따라서 구리 금속배선의 저항이 점진적으로 증가함에 따라 구리 또는 구리계 금속이 코발트 또는 코발트계 금속으로 대체되고 있는 추세이다.Copper or copper-based metals have been used for liquid crystal displays, gate electrodes, wiring, barrier layers, contact holes, and via holes of thin film transistors in semiconductor devices. However, recently, as the critical dimension of devices has been reduced to several tens of nm or less, the resistance of copper metal wiring has gradually increased, and copper or copper-based metals are being replaced by cobalt or cobalt-based metals.
코발트 및 코발트계 금속은 비저항값이 구리 보다는 크지만 일렉트로마이그레이션(electromigration) 현상이 거의 없고, 건식 식각 가능성도 구리보다는 우수하여 현재 차세대 금속배선 물질로 주목받고 있다.Cobalt and cobalt-based metals have higher resistivity than copper, but show almost no electromigration and have better dry etching potential than copper, so they are currently receiving attention as next-generation metal wiring materials.
한편 일반적으로 미세 패터닝을 위한 박막들의 식각공정에는 습식 식각과 건식 식각 방법이 있으며, 식각할 패턴들의 크기가 수 마이크로미터 크기 이하 또는 나노미터 크기로 축소됨에 따라서 습식 식각의 적용이 어려워지고 있어, 패턴 전달에 충실한 플라즈마를 이용하는 건식 식각의 필요성이 부각되고 있다. Meanwhile, in general, there are wet etching and dry etching methods in the etching process of thin films for fine patterning. However, as the size of the patterns to be etched is reduced to a size of several micrometers or nanometers, the application of wet etching becomes difficult, and the need for dry etching using plasma that is faithful to pattern transfer is highlighted.
건식 식각공정은 저압의 플라즈마를 이용하는 식각법으로서 플라즈마의 화학반응성에 의하여 이온 밀링(ion milling) 식각법 및 반응성 이온 식각(reactive ion etching)법 두 가지로 구분될 수 있고, 상기 이온 밀링(ion milling) 식각법은 불활성 가스인 아르곤(Ar) 플라즈마를 이용하며, 반응성 이온 식각(reactive ion etching)법은 여러 가지 화학가스를 사용하여 식각을 수행한다.Dry etching process is an etching method that uses low-pressure plasma, and can be divided into two types: ion milling etching and reactive ion etching, depending on the chemical reactivity of the plasma. The ion milling etching method uses argon (Ar) plasma, which is an inert gas, and the reactive ion etching method performs etching using various chemical gases.
이와 관련된 선행기술을 살펴보면, 코발트 식각은 1990년대 후반부터 시작되었으나 현재까지 주목할 만한 건식 식각공정에 대한 식각가스와 식각기술이 개발되고 있지 않다. 초기에는 Ne, Ar, Kr 그리고 Xe 등의 불활성기체들을 사용하는 ion beam etching법이 사용되었으며 (JVST B18, 3539, 2000), CF4/O2 및 Cl2/Ar의 가스들이 적용되어 RIE 또는 ICPRIE법이 사용되었으나, 만족할 만한 식각결과는 확보하지 못하였다(J. Kor. Rad. Waste Sco., 232, 2004). 그 후, 2017년에 O2 plasma와 HCOOH vapor를 이용하여 2단계의 원자층 식각법이 시도되었으며, 심한 undercut 프로파일과 약 60°의 식각 경사를 확보하였다(J. Vac. Sci. Technol. A35, 05C305, 2017). 또한 Cl2/Ar 및 HFAC/Ar의 혼합가스들을 사용하여 vapor etching을 포함하는 원자층 식각법이 도입되었다(JVST A37, 021004, 2019). 가장 최근에 보고된 연구결과는 Valiey Institute of Physics and Technology에서 BCl3/Ar 가스와 ICPRIE법을 이용하여 600 nm 패턴에 대하여 약 60°식각 경사를 확보하였다 (Proceeding of SPIE, 12157 1215718, 2021). Looking at the related prior art, cobalt etching began in the late 1990s, but no notable etching gas or etching technology for a dry etching process has been developed to date. Initially, the ion beam etching method using inert gases such as Ne, Ar, Kr, and Xe was used (JVST B18, 3539, 2000), and the RIE or ICPRIE method was used with gases such as CF 4 /O 2 and Cl 2 /Ar, but satisfactory etching results were not secured (J. Kor. Rad. Waste Sco., 232, 2004). After that, in 2017, a two-step atomic layer etching method was attempted using O 2 plasma and HCOOH vapor, and a severe undercut profile and an etching slope of approximately 60° were secured (J. Vac. Sci. Technol. A35, 05C305, 2017). In addition, atomic layer etching including vapor etching using Cl 2 /Ar and HFAC/Ar gas mixtures has been introduced (JVST A37, 021004, 2019). The most recently reported research result was obtained by securing an etching slope of approximately 60° for a 600 nm pattern using BCl 3 /Ar gas and the ICPRIE method at the Valiey Institute of Physics and Technology (Proceeding of SPIE, 12157 1215718, 2021).
한편 일반적으로 코발트 박막을 식각할 경우에는 물리적 식각 메카니즘을 이용하는 이온밀링을 사용할 경우나, 패턴의 크기가 대략 5 ㎛ ~ 10 ㎛ 이하의 경우에는 도 1의 (b)에 나타난 바와 같이 식각된 패턴주위로 재증착이 일어나 펜스(fence)모양을 형성한다. 이는 이온밀링 식각법이 화학반응 없이 순수하게 아르곤(Ar) 양이온의 충돌 에너지에 의하여 박막 물질의 일부가 스퍼터링되어 제거되는 식각 메카니즘에 기인한다. Meanwhile, in general, when ion milling, which utilizes a physical etching mechanism, is used to etch a cobalt thin film, or when the pattern size is approximately 5 ㎛ to 10 ㎛ or less, redeposition occurs around the etched pattern to form a fence shape, as shown in (b) of Fig. 1. This is because the ion milling etching method is an etching mechanism in which a portion of the thin film material is sputtered and removed purely by the collision energy of argon (Ar) cations without a chemical reaction.
따라서, 현재 코발트 박막에 대한 건식 식각 공정은 현존하는 식각가스 및 새로운 식각가스들을 개발하여 최적의 식각공정들을 도출하여 이루어져야 하며, 고집적 소자들의 제조를 위하여 코발트 박막을 식각하는 경우에는 물리적 식각 메카니즘에 의한 이온 밀링법이 아닌 화학반응이 적용된 반응성 이온 식각법이 적용되어야 할 것이다.Therefore, the current dry etching process for cobalt thin films should be performed by developing the existing etching gases and new etching gases to derive the optimal etching processes, and when etching cobalt thin films for the manufacture of high-integration devices, a reactive ion etching method using a chemical reaction should be applied rather than an ion milling method using a physical etching mechanism.
최근에는 플라즈마 밀도가 높아 식각속도가 빠르고 식각선택도를 증가시킬 수 있는 고밀도 플라즈마 반응성 이온 식각법이 적용되고 있다. 특히 코발트 금속은 반응성이 극히 적거나 아예 없기 때문에 식각 속도가 매우 느리며 따라서 식각 마스크에 대한 코발트 박막의 식각 선택도도 매우 적다. 따라서 일반적인 리소그래피에 의하여 포토레지스를 마스크로 사용할 경우에는 식각조건에 따라서 식각된 코발트 패턴을 형성하는 것이 불가하다. 이때에는 포토레지스트 대신에 금속(Ti, Ta, W, TiN, Cr, etc)이나 금속 산화물(TiO2, SiO2, etc) 또는 Si3N4의 박막을 마스크로 이용하여 즉, 하드 마스크를 사용하여 식각을 해야 한다.Recently, high-density plasma reactive ion etching has been applied because it has a high plasma density, which enables a fast etching speed and increases the etching selectivity. In particular, cobalt metal has very low or no reactivity, so the etching speed is very slow, and therefore the etching selectivity of the cobalt thin film with respect to the etching mask is also very low. Therefore, when photoresist is used as a mask by general lithography, it is impossible to form an etched cobalt pattern depending on the etching conditions. In this case, instead of photoresist, a thin film of metal (Ti, Ta, W, TiN, Cr, etc.) or metal oxide (TiO 2 , SiO 2 , etc.) or Si 3 N 4 must be used as a mask, that is, a hard mask must be used to etch.
그러나, 반응성 이온 식각법에 의하여 코발트 박막을 식각하는 경우에도 적절하지 않은 식각 가스나 적절하지 않은 식각 가스의 농도를 사용하거나, 적절치 못한 식각 공정을 적용하는 경우에는 식각된 패턴의 측면에 재증착이 발생하는 문제가 있었다. 또한, 최적화되지 않은 식각 가스 또는 식각 조건으로 식각을 수행하는 경우 재증착의 발생은 감소할 수가 있으나, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이 식각된 측면경사(식각 경사)가 매우 완만하여 미세패턴의 식각에 적용하기 어려운 문제가 발생하였다. However, even when etching a cobalt thin film by reactive ion etching, there was a problem of re-deposition occurring on the side of the etched pattern if an inappropriate etching gas or inappropriate etching gas concentration was used, or if an inappropriate etching process was applied. In addition, when etching was performed with a non-optimized etching gas or etching condition, the occurrence of re-deposition could be reduced, but as shown in (c) of Fig. 1, the etched side slope (etching slope) was very gentle, making it difficult to apply it to the etching of a fine pattern.
따라서, 적절한 식각 가스 및 이의 농도 조절을 통한 빠른 식각속도 및 높은 이방성의 식각프로파일을 제공할 수 있는 코발트 박막의 식각기술에 대한 개발이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다. Therefore, there is a continuous demand for the development of an etching technology for cobalt thin films that can provide a fast etching speed and a highly anisotropic etching profile through appropriate etching gas and its concentration control.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 코발트 박막의 식각 벽면에 식각 부산물이 재증착하는 것을 방지하고, 식각 잔류물 없이 코발트 박막 하부의 금속산화물 반도체층에 가해지는 플라즈마 데미지를 완화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 빠른 식각속도 및 높은 이방성의 식각 프로파일을 제공할 수 있는 코발트 박막의 식각방법을 제공하는데 있다.The main purpose of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a method for etching a cobalt thin film, which can prevent etching by-products from being redeposited on an etched wall surface of a cobalt thin film, alleviate plasma damage to a metal oxide semiconductor layer under the cobalt thin film without etching residues, and provide a fast etching speed and a highly anisotropic etching profile.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, (a) 코발트 박막을 하드 마스크로 패터닝하고, 식각하여 마스킹하는 단계; (b) 알코올 가스; 알코올 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스 및 산화성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스, 산화성 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스로 구성된 군에서 선택된 식각 가스를 플라즈마화하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 플라즈마를 이용하여 (a) 단계에서 마스킹된 코발트 박막을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법을 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides a method for etching a cobalt thin film, characterized by including the steps of: (a) patterning a cobalt thin film with a hard mask and masking it by etching; (b) converting an etching gas selected from the group consisting of an alcohol gas; a mixed gas containing an alcohol gas and an inert gas; a mixed gas containing an alcohol gas and an oxidizing gas; and a mixed gas containing an alcohol gas, an oxidizing gas, and an inert gas into plasma; and (c) etching the cobalt thin film masked in step (a) using the plasma generated in step (b).
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 하드 마스크에 대한 코발트 박막의 식각 선택도는 0.4 내지 1.5인 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the etching selectivity of the cobalt thin film with respect to the hard mask may be characterized as being 0.4 to 1.5.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 불활성 가스는 He, Ne, Ar 및 N2로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the inert gas may be characterized by being at least one selected from the group consisting of He, Ne, Ar, and N 2 .
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 산화성 가스는 산소, 오존, 라디칼 산소 및 수증기로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the oxidizing gas may be characterized by being at least one selected from the group consisting of oxygen, ozone, radical oxygen, and water vapor.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 하드 마스크는 산화규소(SiO2), Si3N4, TiO2, TiN, Ti, Ta, W, Cr 및 카본(C)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the hard mask may be characterized by being at least one selected from the group consisting of silicon oxide (SiO 2 ), Si 3 N 4 , TiO 2 , TiN, Ti, Ta, W, Cr, and carbon (C).
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계의 식각 가스는 식각 가스 총 부피에 대하여, 알코올 가스 50 vol% ~ 100 vol%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the etching gas of step (b) may be characterized by containing 50 vol% to 100 vol% of alcohol gas with respect to the total volume of the etching gas.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계의 산화성 가스가 함유된 혼합가스는 혼합가스 총 부피에 대하여, 산화성 가스 10 vol% ~ 20 vol%를 함유하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the mixed gas containing the oxidizing gas of step (b) may be characterized by containing 10 vol% to 20 vol% of the oxidizing gas with respect to the total volume of the mixed gas.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계의 플라즈마화는 0.13 Pa ~ 1.3 Pa의 공정 압력으로 가스를 주입하고, 300 W ~ 700 W의 코일 고주파 전력(ICP rf power), 200 V ~ 400 V의 dc-bias 전압을 인가하여 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the plasma treatment in step (b) may be performed by injecting gas at a process pressure of 0.13 Pa to 1.3 Pa and applying a coil high-frequency power (ICP rf power) of 300 W to 700 W and a dc-bias voltage of 200 V to 400 V.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (c) 단계의 식각은 유도결합플라즈마 반응성 이온식각법을 포함하는 고밀도 플라즈마 반응성 이온식각법, 자기증강반응성 이온식각법, 반응성 이온 식각법, 증기 식각법(vapor etching), 원자층 식각법(atomic layer etching) 및 펄스 모듈레이트된(pulse-modulated) 고밀도 플라즈마 반응성 이온 식각법으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the etching in step (c) may be characterized in that it is performed by one method selected from the group consisting of high-density plasma reactive ion etching including inductively coupled plasma reactive ion etching, self-enhanced reactive ion etching, reactive ion etching, vapor etching, atomic layer etching, and pulse-modulated high-density plasma reactive ion etching.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (c) 단계 후, 암모니아수, 과산화수소 및 물이 함유된 혼합 용액을 이용하여 식각 잔류물을 제거하는 후처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the method may further comprise a post-treatment step of removing etching residue using a mixed solution containing ammonia water, hydrogen peroxide, and water after step (c).
본 발명의 다른 구현예는 상기의 식각 방법으로 식각되며, 70°이상의 식각 경사를 가지는 것을 특징으로 하는 코발트 박막을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a cobalt thin film etched by the above-described etching method and characterized by having an etching slope of 70° or more.
본 발명에 따른 코발트 박막의 식각방법은 최적의 식각가스와 최적의 식각가스농도와 더불어 최적의 식각공정 조건을 적용함으로써, 종래 코발트 박막의 식각방법에 비해 재증착이 발생하지 않으면서 식각 잔류물 없이 빠른 식각 속도 및 높은 이방성의 식각프로파일을 제공하여 코발트 박막이 이용되는 모든 소자 및 기기들에 적용할 수 있다.The etching method of a cobalt thin film according to the present invention applies optimal etching process conditions as well as optimal etching gas and optimal etching gas concentration, thereby providing a fast etching speed and a highly anisotropic etching profile without etching residue and without re-deposition compared to conventional etching methods of a cobalt thin film, and thus can be applied to all devices and apparatuses in which a cobalt thin film is used.
또한, 본 발명은 기판의 가열을 위한 추가적인 구성이 필요 없고, 저온에서 코발트 박막을 식각할 수 있다. In addition, the present invention does not require an additional configuration for heating the substrate, and can etch a cobalt thin film at a low temperature.
도 1은 박막 식각 전/후의 측면구조를 개략적으로 나타낸 것으로, (a)는 식각 전의 박막구조이고, (b)는 기존의 이온 밀링 식각법 또는 반응성 이온 식각법으로 식각된 박막구조이며, (c)는 기존의 반응성 이온 식각법으로 식각된 박막구조이며, (d)는 이상적인 식각 후의 시료의 식각프로파일이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코발트 박막의 건식 식각방법의 개략도로, (i)는 하드 마스크/코발트 박막상의 포토레지스트 마스크(PR mask)가 패터닝된 박막구조이고, (ii)는 패터닝된 포토레지스트 마스크를 이용하여 하드 마스크가 식각된 박막구조이며, (iii) 식각된 하드 마스크상의 포토레지스트 마스크가 제거된 박막구조이고, (iv) 식각된 하드 마스크를 이용하여 코발트 박막의 식각 후의 박막구조이다.
도 3은 식각 가스 중 C2H5OH/Ar 혼합가스에서 C2H5OH 농도에 따른 코발트 박막 및 하드 마스크의 식각속도 변화 및 식각 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 식각 가스 중 C2H5OH/Ar 혼합가스에서 C2H5OH 농도에 따라 식각된 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 비교예 1에서 식각된 박막의 측면이고, (b)는 실시예 4에서 식각된 박막의 측면이며, (c)는 실시예 3에서 식각된 박막의 측면이고, (d)는 실시예 2에서 식각된 박막의 측면이며, (e)는 실시예 1에서 식각된 박막의 측면이다.
도 5는 혼합 용액의 성분비율에 따라 처리된 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 실시예 5에서 처리된 박막의 측면이고, (b)는 실시예 6에서 처리된 박막의 측면이며, (c)는 실시예 7에서 처리된 박막의 측면이고, (d)는 실시예 8에서 처리된 박막의 측면이며, (e)는 실시예 9에서 처리된 박막의 측면이다.
도 6은 후처리 단계에서 혼합 용액 처리 전/후의 식각된 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 실시예 4의 코발트 박막의 측면이고, (b)는 실시예 3의 코발트 박막의 측면이며, (c)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이고, (d)는 실시예 1의 코발트 박막의 측면이다. 또한 (e)는 실시예 13의 코발트 박막의 측면이고, (f) 실시예 12의 코발트 박막의 측면이며, (g) 실시예 6의 코발트 박막의 측면이고, (h) 실시예 10의 코발트 박막의 측면이다.
도 7은 식각 가스 중 C2H5OH/O2/Ar 혼합가스에서 O2 농도에 따른 코발트 박막 및 하드 마스크의 식각속도 변화 및 식각 선택도를 나타낸 그래프로, (a)는 C2H5OH/O2/Ar 혼합가스에서 C2H5OH가 50 vol%인 경우이고, (b)는 C2H5OH/O2/Ar 혼합가스에서 C2H5OH가 75 vol%인 경우이다.
도 8은 식각 가스 중 C2H5OH/O2/Ar 혼합가스에서 O2 농도에 따라 식각된 코발트 박막의 혼합 용액 처리 전/후의 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 실시예 3의 코발트 박막의 측면이고, (b)는 실시예 16의 코발트 박막의 측면이며, (c)는 실시예 15의 코발트 박막의 측면이고, (d)는 실시예 14의 코발트 박막의 측면이며, (e)는 실시예 13의 코발트 박막의 측면이고, (f)는 실시예 11의 코발트 박막의 측면이며, (g)는 실시예 24의 코발트 박막의 측면이고, (h)는 실시예 23의 코발트 박막의 측면이며, (i)는 실시예 22의 코발트 박막의 측면이고, (j)는 실시예 21의 코발트 박막의 측면이다.
도 9은 식각 가스 중 C2H5OH/O2/Ar 혼합가스에서 O2 농도에 따라 식각된 코발트 박막의 혼합 용액 처리 전/후의 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이고, (b)는 실시예 20의 코발트 박막의 측면이며, (c)는 실시예 19의 코발트 박막의 측면이고, (d)는 실시예 18의 코발트 박막의 측면이며, (e)는 실시예 17의 코발트 박막의 측면이고, (f)는 실시예 6의 코발트 박막의 측면이며, (g)는 실시예 28의 코발트 박막의 측면이고, (h)는 실시예 27의 코발트 박막의 측면이며, (i)는 실시예 26의 코발트 박막의 측면이고, (j)는 실시예 25의 코발트 박막의 측면이다.
도 10은 75 vol% C2H5OH/Ar의 식각 가스에서 ICP rf power에 따른 코발트 박막 및 하드 마스크의 식각속도 변화 및 식각 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 75 vol% C2H5OH/Ar의 식각 가스에서 ICP rf power에 따라 식각된 코발트 박막의 혼합 용액 처리 전/후의 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 실시예 29의 코발트 박막의 측면이고, (b)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이며, (c)는 실시예 30의 코발트 박막의 측면이고, (d)는 실시예 35의 코발트 박막의 측면이며, (e)는 실시예 6의 코발트 박막이고, (f)는 실시예 36의 코발트 박막의 측면이다.
도 12는 75 vol% C2H5OH/Ar의 식각 가스에서 dc-bias voltage에 따른 코발트 박막 및 하드 마스크의 식각속도 변화 및 식각 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 13은 75 vol% C2H5OH/Ar의 식각 가스에서 dc-bias voltage에 따라 식각된 코발트 박막의 혼합 용액 처리 전/후의 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 실시예 31의 코발트 박막의 측면이고, (b)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이며, (c)는 실시예 32의 코발트 박막의 측면이고, (d)는 실시예 37의 코발트 박막의 측면이며, (e)는 실시예 6의 코발트 박막이고, (f)는 실시예 38의 코발트 박막의 측면이다.
도 14는 75 vol% C2H5OH/Ar의 식각 가스에서 압력에 따른 코발트 박막 및 하드 마스크의 식각속도 변화 및 식각 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 75 vol% C2H5OH/Ar의 식각 가스에서 압력에 따라 식각된 코발트 박막의 혼합 용액 처리 전/후의 코발트 박막의 SEM 이미지로, (a)는 실시예 33의 코발트 박막의 측면이고, (b)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이며, (c)는 실시예 34의 코발트 박막의 측면이고, (d)는 실시예 39의 코발트 박막의 측면이며, (e)는 실시예 6의 코발트 박막이고, (f)는 실시예 40의 코발트 박막의 측면이다.
도 16은 식각 가스 중 C2H5OH/Ar 혼합가스에서 C2H5OH 및 Ar의 혼합 비율에 따라 생성되는 플라즈마내의 활성종들의 크기를 측정한 그래프로, (a)는 C2H5OH의 농도가 증가함에 따라서 여러 가지 활성종의 크기들을 비교한 것이고, (b)는 Ar의 강도에 대한 각 활성종의 비를 나타낸 그래프이다.
도 17은 식각전의 코발트 박막(Before etching)과 실시예 1 내지 4에서 식각된 코발트 박막의 표면에 대한 XPS 분석 결과로, (a)는 Co 2p이고, (b)는 O 1s이며, (c)는 C 1s이다.
도 18은 실시예 2 내지 4에서 식각된 코발트 박막의 식각 프로파일 SEM 이미지로, (a)는 실시예 4에서 식각된 코발트 박막의 식각 프로파일 이미지이고, (b)는 실시예 3에서 식각된 코발트 박막의 식각 프로파일 이미지이며, (c)는 실시예 2에서 식각된 코발트 박막의 식각 프로파일 이미지이다.Figure 1 schematically illustrates the side structure before/after thin film etching. (a) is the thin film structure before etching, (b) is the thin film structure etched by the conventional ion milling etching method or reactive ion etching method, (c) is the thin film structure etched by the conventional reactive ion etching method, and (d) is the etching profile of the sample after ideal etching.
FIG. 2 is a schematic diagram of a dry etching method for a cobalt thin film according to an embodiment of the present invention, wherein (i) is a thin film structure in which a photoresist mask (PR mask) on a hard mask/cobalt thin film is patterned, (ii) is a thin film structure in which a hard mask is etched using the patterned photoresist mask, (iii) is a thin film structure in which the photoresist mask on the etched hard mask is removed, and (iv) is a thin film structure after etching of the cobalt thin film using the etched hard mask.
Figure 3 is a graph showing the change in etching rate and etching selectivity of a cobalt thin film and a hard mask according to the concentration of C 2 H 5 OH in a C 2 H 5 OH/Ar mixed gas among etching gases.
Figure 4 is a SEM image of a cobalt thin film etched according to the C 2 H 5 OH concentration in a C 2 H 5 OH/Ar mixed gas among etching gases, where (a) is a side view of a thin film etched in Comparative Example 1, (b) is a side view of a thin film etched in Example 4, (c) is a side view of a thin film etched in Example 3, (d) is a side view of a thin film etched in Example 2, and (e) is a side view of a thin film etched in Example 1.
Figure 5 shows SEM images of cobalt thin films treated according to the component ratio of the mixed solution, where (a) is a side view of a thin film treated in Example 5, (b) is a side view of a thin film treated in Example 6, (c) is a side view of a thin film treated in Example 7, (d) is a side view of a thin film treated in Example 8, and (e) is a side view of a thin film treated in Example 9.
Figure 6 is a SEM image of an etched cobalt thin film before/after the mixed solution treatment in the post-processing step, where (a) is a side view of the cobalt thin film of Example 4, (b) is a side view of the cobalt thin film of Example 3, (c) is a side view of the cobalt thin film of Example 2, and (d) is a side view of the cobalt thin film of Example 1. In addition, (e) is a side view of the cobalt thin film of Example 13, (f) is a side view of the cobalt thin film of Example 12, (g) is a side view of the cobalt thin film of Example 6, and (h) is a side view of the cobalt thin film of Example 10.
Figure 7 is a graph showing the change in etching rate and etching selectivity of a cobalt thin film and a hard mask according to the O 2 concentration in a C 2 H 5 OH/O 2 /Ar mixed gas among etching gases. (a) is the case where C 2 H 5 OH is 50 vol% in the C 2 H 5 OH/O 2 /Ar mixed gas, and (b) is the case where C 2 H 5 OH is 75 vol% in the C 2 H 5 OH/O 2 /Ar mixed gas.
Figure 8 is a SEM image of a cobalt thin film before and after mixed solution treatment according to the O 2 concentration in the C 2 H 5 OH/O 2 /Ar mixed gas among etching gases, where (a) is a side view of a cobalt thin film of Example 3, (b) is a side view of a cobalt thin film of Example 16, (c) is a side view of a cobalt thin film of Example 15, (d) is a side view of a cobalt thin film of Example 14, (e) is a side view of a cobalt thin film of Example 13, (f) is a side view of a cobalt thin film of Example 11, (g) is a side view of a cobalt thin film of Example 24, (h) is a side view of a cobalt thin film of Example 23, (i) is a side view of a cobalt thin film of Example 22, and (j) is a side view of a cobalt thin film of Example 21.
Figure 9 is a SEM image of a cobalt thin film before and after mixed solution treatment according to the O 2 concentration in the C 2 H 5 OH/O 2 /Ar mixed gas among etching gases, where (a) is a side view of a cobalt thin film of Example 2, (b) is a side view of a cobalt thin film of Example 20, (c) is a side view of a cobalt thin film of Example 19, (d) is a side view of a cobalt thin film of Example 18, (e) is a side view of a cobalt thin film of Example 17, (f) is a side view of a cobalt thin film of Example 6, (g) is a side view of a cobalt thin film of Example 28, (h) is a side view of a cobalt thin film of Example 27, (i) is a side view of a cobalt thin film of Example 26, and (j) is a side view of a cobalt thin film of Example 25.
Figure 10 is a graph showing the change in etching rate and etching selectivity of a cobalt thin film and a hard mask according to ICP rf power in an etching gas of 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar.
Figure 11 is a SEM image of a cobalt thin film before and after mixed solution treatment of the cobalt thin film etched according to ICP rf power in an etching gas of 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar, where (a) is a side view of the cobalt thin film of Example 29, (b) is a side view of the cobalt thin film of Example 2, (c) is a side view of the cobalt thin film of Example 30, (d) is a side view of the cobalt thin film of Example 35, (e) is a side view of the cobalt thin film of Example 6, and (f) is a side view of the cobalt thin film of Example 36.
Figure 12 is a graph showing the change in etching rate and etching selectivity of a cobalt thin film and a hard mask according to dc-bias voltage in an etching gas of 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar.
Figure 13 shows SEM images of cobalt thin films before and after mixed solution treatment in an etching gas of 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar at a dc-bias voltage, where (a) is a side view of the cobalt thin film of Example 31, (b) is a side view of the cobalt thin film of Example 2, (c) is a side view of the cobalt thin film of Example 32, (d) is a side view of the cobalt thin film of Example 37, (e) is a side view of the cobalt thin film of Example 6, and (f) is a side view of the cobalt thin film of Example 38.
Figure 14 is a graph showing the change in etching rate and etching selectivity of a cobalt thin film and a hard mask according to pressure in an etching gas of 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar.
Figure 15 is a SEM image of a cobalt thin film before and after the mixed solution treatment of the cobalt thin film etched under pressure in an etching gas of 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar, where (a) is a side view of the cobalt thin film of Example 33, (b) is a side view of the cobalt thin film of Example 2, (c) is a side view of the cobalt thin film of Example 34, (d) is a side view of the cobalt thin film of Example 39, (e) is a side view of the cobalt thin film of Example 6, and (f) is a side view of the cobalt thin film of Example 40.
Figure 16 is a graph measuring the sizes of active species in plasma generated according to the mixing ratio of C 2 H 5 OH and Ar in a C 2 H 5 OH/Ar mixed gas among etching gases. (a) is a graph comparing the sizes of various active species as the concentration of C 2 H 5 OH increases, and (b) is a graph showing the ratio of each active species to the intensity of Ar.
Figure 17 shows the XPS analysis results for the surfaces of cobalt thin films before etching and cobalt thin films etched in Examples 1 to 4, where (a) is Co 2p, (b) is O 1s, and (c) is C 1s.
Figure 18 is an etching profile SEM image of the cobalt thin film etched in Examples 2 to 4, where (a) is an etching profile image of the cobalt thin film etched in Example 4, (b) is an etching profile image of the cobalt thin film etched in Example 3, and (c) is an etching profile image of the cobalt thin film etched in Example 2.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, whenever a part is said to "include" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise specifically stated.
본 발명은 (a) 코발트 박막을 하드 마스크로 패터닝하고, 식각하여 마스킹하는 단계; (b) 알코올 가스; 알코올 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스 및 산화성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스, 산화성 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스로 구성된 군에서 선택된 식각 가스를 플라즈마화하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 생성된 플라즈마를 이용하여 (a) 단계에서 하드 마스크로 마스킹된 코발트 박막을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법에 관한 것이다.The present invention relates to an etching method for a cobalt thin film, characterized by comprising the steps of: (a) patterning a cobalt thin film with a hard mask and masking it by etching; (b) converting an etching gas selected from the group consisting of an alcohol gas; a mixed gas containing an alcohol gas and an inert gas; a mixed gas containing an alcohol gas and an oxidizing gas; and a mixed gas containing an alcohol gas, an oxidizing gas, and an inert gas into plasma; and (c) etching the cobalt thin film masked with the hard mask in step (a) using the plasma generated in step (b).
구체적으로 본 발명의 주된 목적은 차세대 반도체 소자 및 디스플레이 소자에서 전극과 배선 등의 반도체 재료로서 폭넓게 사용될 수 있는 코발트 박막에 대하여 현재의 다마신(damascene) 공정에 의하여 패턴을 하지 않고 정통적인 건식식각 방법을 사용하여 식각에 의한 패턴을 형성하고자 한다. 이를 달성하기 위하여 새로운 적절한 식각가스를 개발하고 이를 이용하여 재증착이 발생하지 않으면서 식각 잔류물이 없이 빠른 식각속도 및 높은 이방성의 식각프로파일을 제공할 수 있는 코발트 박막의 식각방법을 제공하는데 있다.Specifically, the main purpose of the present invention is to form a pattern by etching using a conventional dry etching method without forming a pattern by the current damascene process on a cobalt thin film that can be widely used as a semiconductor material such as electrodes and wiring in next-generation semiconductor devices and display devices. To achieve this, the present invention develops a new appropriate etching gas and provides an etching method for a cobalt thin film that can provide a fast etching speed and a highly anisotropic etching profile without etching residues and without re-deposition.
이하 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다. The present invention is described in detail step by step below.
본 발명에 따른 코발트 박막의 식각방법은 먼저 코발트 박막을 하드 마스크로 패터닝하고, 식각하여 마스킹한다[(a) 단계].The etching method of a cobalt thin film according to the present invention first patterns the cobalt thin film with a hard mask and masks it by etching [step (a)].
상기 (a) 단계는 일 예로서, 도 2에 나타난 바와 같이 먼저 하드 마스크(SiO2 mask)/코발트 박막(Co)을 포토레지스트 마스크(PR mask)로 패터닝하여 상기 하드 마스크/코발트 박막을 마스킹[도 2의(i)]하고, C2F6/Cl2/Ar 등의 가스를 플라즈마화한다. 그 이후 생성된 C2F6/Cl2/Ar 플라즈마를 이용하여 마스킹된 하드마스크/코발트 박막에서 하드 마스크를 식각한다[도 2의(ii)]. 이후, 포토레지스트 마스크를 제거하기 위하여, 산소가스를 플라즈마화하고, 생성된 산소 플라즈마를 이용하여 박막에서 포토레지스트 마스크를 제거하여[도 2의(iii)] 하드 마스크로 마스킹된 코발트 박막을 수득한다. 이와 같이 포토레지스트 마스크가 제거된 박막에서 하드 마스크를 이용하여 코발트 박막을 식각하게 된다.The above step (a) is, as an example, as shown in FIG. 2, first, a hard mask (SiO 2 mask)/cobalt thin film (Co) is patterned with a photoresist mask (PR mask) to mask the hard mask/cobalt thin film [FIG. 2(i)], and a gas such as C 2 F 6 /Cl 2 /Ar is converted to plasma. Thereafter, the hard mask is etched from the masked hard mask/cobalt thin film using the generated C 2 F 6 /Cl 2 /Ar plasma [FIG. 2(ii)]. Thereafter, in order to remove the photoresist mask, oxygen gas is converted to plasma, and the photoresist mask is removed from the thin film using the generated oxygen plasma [FIG. 2(iii)], thereby obtaining a cobalt thin film masked by the hard mask. In this way, the cobalt thin film is etched using the hard mask from the thin film from which the photoresist mask has been removed.
상기 (a) 단계에서 사용되는 하드 마스크는 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4), 이산화티타늄(TiO2) 등의 세라믹 계열, Ti, TiN, Ta, W 등의 금속계열 및 비정질 카본(amorphous carbon) 중에서 선택된 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 하드마스크는 본 발명의 식각가스에 대하여 느린 식각속도를 보이며 고식각 선택도를 나타내내는 물질이면 만족하고, 구체적으로 이산화규소(SiO2)인 것이 바람직하다.The hard mask used in the step (a) above may be one selected from among ceramic series such as silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), titanium dioxide (TiO 2 ), metal series such as Ti, TiN, Ta, W, and amorphous carbon, but is not limited thereto. The hard mask is satisfactory as long as it is a material that exhibits a slow etching speed and high etching selectivity with respect to the etching gas of the present invention, and specifically, it is preferably silicon dioxide (SiO 2 ).
상기 이산화규소 하드 마스크의 패터닝은 SiO2 박막 위에 일반적인 포토레지스트를 이용하여 리소그래피공정에 의하여 패터닝한 후에 C2F6/Ar 등의 가스에 의하여 식각하여 형성된다. 25 vol% ~ 30 vol% C2F의 농도에서 식각된 SiO2 박막은 약 85°이상의 수직적인 식각경사를 얻을 수 있다.The patterning of the above silicon dioxide hard mask is formed by patterning a SiO 2 thin film using a general photoresist through a lithography process, and then etching using a gas such as C 2 F 6 /Ar. The SiO 2 thin film etched at a concentration of 25 vol% to 30 vol% C 2 F can obtain a vertical etching slope of about 85° or more.
이후, 본 발명에서는 플라즈마를 이용하여 코발트 박막을 식각하기 위해 식각 가스를 플라즈화한다[(b) 단계].Thereafter, in the present invention, the etching gas is plasma-plasmaized to etch the cobalt thin film [step (b)].
종래의 식각 가스로서 순수한 불활성 가스(e.g. 아르곤 가스)만을 사용한 경우에는 아르곤 이온에 의한 물리적 식각이 이루어지기 때문에 식각된 코발트 박막 주변에 다량의 재증착 물질이 생성되는 등의 문제점이 있었다.In the case where only pure inert gas (e.g. argon gas) was used as a conventional etching gas, there were problems such as a large amount of redeposited material being generated around the etched cobalt thin film because physical etching was performed by argon ions.
이에, 본 발명에서는 코발트 박막의 식각 가스로 알코올 가스를 이용함으로써, 식각 후 코발트 박막 주변에 부산물이 재증착되지 않는다는 장점을 가지고 있다.Accordingly, the present invention has the advantage of not allowing by-products to be re-deposited around the cobalt thin film after etching by using alcohol gas as an etching gas for the cobalt thin film.
본 발명에 있어서, 상기 식가 가스는 알코올 가스 단독, 알코올 가스가 함유된 혼합가스일 수 있고, 바람직하게는 알코올 가스; 알코올 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스 및 산화성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스, 산화성 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스로 구성된 군에서 선택될 수 있다.In the present invention, the edible gas may be alcohol gas alone, a mixed gas containing alcohol gas, and preferably may be selected from the group consisting of alcohol gas; a mixed gas containing alcohol gas and an inert gas; a mixed gas containing alcohol gas and an oxidizing gas; and a mixed gas containing alcohol gas, an oxidizing gas, and an inert gas.
상기 알코올 가스는 하이드록시기(-OH)가 포화 탄소원자에 결합된 기체상의 유기화합물이면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 5의 알코올 가스일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 에탄올일 수 있다. The alcohol gas may be used without limitation as long as it is a gaseous organic compound in which a hydroxyl group (-OH) is bonded to a saturated carbon atom, and preferably, it may be an alcohol gas having 1 to 5 carbon atoms, and more preferably, it may be ethanol.
또한, 상기 식각 가스는 일 구현예로 상기 알코올 가스에 He, Ne, Ar 및 N2로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 불활성 가스가 함유된 혼합가스일 수 있으며, 다른 구현예로는 상기 알코올 가스에 산소, 오존, 라디칼 산소 및 수증기로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 산화성 가스가 함유된 혼합가스일 수 있고, 또 다른 구현예로는 상기 알코올 가스에 상기의 불활성 가스 및 산화성 가스가 함유된 혼합가스일 수 있다.In addition, the etching gas may be, as an embodiment, a mixed gas containing at least one inert gas selected from the group consisting of He, Ne, Ar, and N 2 in the alcohol gas, and as another embodiment, a mixed gas containing at least one oxidizing gas selected from the group consisting of oxygen, ozone, radical oxygen, and water vapor in the alcohol gas, and as yet another embodiment, a mixed gas containing the inert gas and the oxidizing gas in the alcohol gas.
이때, 상기 알코올 가스는 식각 가스 총 부피에 대하여 25 vol% ~ 100 vol%, 바람직하게는 50 vol% ~ 100 vol%를 함유할 수 있고, 상기 식각 가스 중 알코올 가스가 25 vol% 미만일 경우에는 식각된 박막 주변에 재증착 물질이 생성되어 코발트의 미세 패턴을 형성할 수 없는 문제점이 발생될 수 있다.At this time, the alcohol gas may contain 25 vol% to 100 vol%, preferably 50 vol% to 100 vol%, based on the total volume of the etching gas. If the alcohol gas in the etching gas is less than 25 vol%, a problem may occur in which a redeposition material is generated around the etched thin film and a fine pattern of cobalt cannot be formed.
또한, 상기 식각 가스 중 산화성 가스가 함유된 혼합가스의 경우에는 산화성 가스의 함량이 식각 가스 총 부피에 대하여 바람직하게 10 vol% ~ 20 vol%, 더욱 바람직하게는 15 vol% ~ 20 vol%로 함유될 수 있다. 상기 산화 가스 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 재증착 없이 코발트 박막의 식각 선택도와 식각 경사도를 개선시킬 수 있다. In addition, in the case of a mixed gas containing an oxidizing gas among the etching gases, the content of the oxidizing gas may be preferably contained in an amount of 10 vol% to 20 vol%, more preferably 15 vol% to 20 vol%, based on the total volume of the etching gas. When the content of the oxidizing gas satisfies the above range, the etching selectivity and etching slope of the cobalt thin film can be improved without redeposition.
본 발명에서 플라즈마화는 0.13 Pa ~ 1.3 Pa의 공정 압력으로 가스를 주입하고, 300 W ~ 700 W의 코일 고주파 전력(ICP rf power), 200 V ~ 400 V의 dc-bias 전압을 인가하여 수행할 수 있다.In the present invention, plasma generation can be performed by injecting gas at a process pressure of 0.13 Pa to 1.3 Pa, applying coil high-frequency power (ICP rf power) of 300 W to 700 W, and applying dc-bias voltage of 200 V to 400 V.
상기 공정 압력이 0.13 Pa 미만일 경우, 생성된 플라즈마가 불안정해질 수 있으며, 평균 자유행로가 커져 이온 및 라디칼들이 코발트 박막과 물리적 충돌이 증가하여 박막 측면에 재증착의 발생이 증가할 수가 있고, 1.3 Pa를 초과할 경우에는 플라즈마 내 이온, 라디칼 등의 양이 상대적으로 많아지나, 이들의 평균 자유행로가 작아져 물리적 충돌이 빈번하게 발생됨에 따라 궁극적으로 느린 식각 속도와 낮은 식각 경사를 얻게 되는 문제가 발생하게 될 수 있다.When the above process pressure is less than 0.13 Pa, the generated plasma may become unstable, and the mean free path may increase, which may increase the physical collisions of ions and radicals with the cobalt thin film, which may increase the occurrence of redeposition on the side of the thin film. When it exceeds 1.3 Pa, the amount of ions, radicals, etc. in the plasma may relatively increase, but their mean free paths may decrease, which may cause frequent physical collisions, ultimately resulting in a slow etching rate and a low etching slope.
상기 플라즈마의 코일 고주파 전력 (ICP rf power)이 300 W 보다 낮을 경우에는 식각속도가 너무 느리고 식각 대신에 폴리머 증착이 발생할 수 있으며, 700W 보다 클 경우에는 식각 후에 재증착이 심각하게 발생하는 문제점이 발생될 수 있다.If the coil high-frequency power (ICP rf power) of the above plasma is lower than 300 W, the etching speed may be too slow and polymer deposition may occur instead of etching, and if it is higher than 700 W, a problem of serious re-deposition after etching may occur.
또한, DC-bias 전압이 200 V 미만일 경우에는 식각하는 박막에 전체적으로 인가되는 전압이 낮아 플라즈마화로 생성된 이온, 라디칼 등이 시료에 전달되는 양이 적어질 뿐만 아니라, 특히 이온의 느린(약한) 가속으로 인하여 느린 식각 속도와 비교적 낮은 식각 경사의 패턴이 얻어지며 식각 측면에 폴리머 증착이 발생될 수 있고, 400 V를 초과하는 높은 DC-bias 전압은 식각 속도 및 식각 경사가 향상될 수 있지만, 박막에 가해지는 이온 충격에 의한 식각 재증착이 발생할 수 있으며 동시에 박막에 식각손상(etch damage)이 발생하여 향후 제조되는 소자의 전기적 특성이 열화되는 문제가 발생될 수 있다. In addition, when the DC bias voltage is less than 200 V, the overall voltage applied to the thin film to be etched is low, so not only is the amount of ions, radicals, etc. generated by plasma transferred to the sample small, but in particular, due to the slow (weak) acceleration of the ions, a pattern with a slow etching speed and a relatively low etching slope is obtained, and polymer deposition may occur on the etching side, and a high DC bias voltage exceeding 400 V may improve the etching speed and etching slope, but etching redeposition may occur due to ion bombardment applied to the thin film, and at the same time, etch damage may occur in the thin film, which may cause a problem of deterioration in the electrical characteristics of devices to be manufactured in the future.
본 발명에 따른 코발트 박막의 식각방법에 있어서, 상기 식각 가스를 이용하여 생성된 플라즈마를 통해 코발트 박막을 식각함으로써, 코발트 박막을 빠른 속도로 식각할 수 있고, 식각면에 재증착이 발생하는 것을 억제할 수 있으며, 높은 이방성의 식각 프로파일을 제공할 수 있다.In the etching method of a cobalt thin film according to the present invention, by etching the cobalt thin film using plasma generated using the etching gas, the cobalt thin film can be etched at a high speed, re-deposition on the etched surface can be suppressed, and an etching profile with high anisotropy can be provided.
이후, (c) 단계에서는 상기 (b) 단계에서 생성된 플라즈마를 이용하여 (a) 단계의 마스킹된 코발트 박막을 식각한다.Thereafter, in step (c), the masked cobalt thin film of step (a) is etched using the plasma generated in step (b).
상기 마스킹된 코발트 박막의 식각은 유도결합플라즈마 반응성 이온식각법을 포함하는 고밀도 플라즈마 반응성 이온식각법, 자기증강반응성 이온식각법, 반응성 이온 식각법, 증기 식각법(vapor etching), 원자층 식각법(atomic layer etching) 및 펄스 모듈레이트된(pulse-modulated) 고밀도 플라즈마 반응성 이온 식각법으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행될 수 있다.The etching of the above masked cobalt thin film can be performed by one method selected from the group consisting of high-density plasma reactive ion etching including inductively coupled plasma reactive ion etching, self-enhanced reactive ion etching, reactive ion etching, vapor etching, atomic layer etching, and pulse-modulated high-density plasma reactive ion etching.
상기 식각법은 고밀도 플라즈마 발생이 가능하면서 기판쪽에 독립적인 RF power가 연결되어서 기판에 바이어스 전압을 인가할 수 있고, 이에 따라 이온들의 기판에 대한 고에너지의 충돌이 가능하며, 이때 끊어진 화학결합들은 플라즈마 내부에서 내려오는 라디칼과 화학반응을 일으켜서 식각이 진행된다. 또한, 화학반응에 의한 반응생성물의 휘발성이 약하면 식각된 측면에 재증착이 발생하는 데, 이때 이온들의 기판에 대한 물리적 스퍼터링이 재증착물질들이 탈착되는 것을 돕는 역할을 한다.The above etching method is capable of generating high-density plasma and connecting an independent RF power to the substrate side to apply a bias voltage to the substrate, thereby enabling high-energy collisions of ions with the substrate, and the broken chemical bonds then chemically react with radicals coming down from inside the plasma to cause etching. In addition, if the volatility of the reaction products by the chemical reaction is low, redeposition occurs on the etched side, and at this time, the physical sputtering of ions on the substrate helps to detach the redeposited materials.
특히 고밀도 플라즈마 이온식각법은 외부 코일에 가하는 전력이 챔버 내부의 발생된 플라즈마 내 전자에 에너지를 전달함으로써 고밀도의 플라즈마를 얻게 되는 것으로, 식각 속도가 빠르며 이온 충격에 의한 손상이 없다는 장점이 있다.In particular, high-density plasma ion etching method obtains high-density plasma by transferring energy to electrons in plasma generated inside the chamber by applying power to an external coil, and has the advantages of fast etching speed and no damage due to ion bombardment.
또한, 반응성 이온 식각(Reactive ion etching)은 이온 충격을 이용한 반응성 화학공정과 물리적 공정에서 웨이퍼 표면으로부터 물질을 제거하는 기술이다. 자기증강반응성 이온 식각은 자기적으로 강화된 반응성 이온 식각반응으로 물리적 방법과 화학적 방법이 결합된 식각방법이다. 자기장을 갖는 플라즈마는 고밀도 플라즈마를 생성하고 낮은 압력에서도 동작을 허용하며, 특히 높은 종횡비 특성을 갖는 식각인 경우 식각의 방향성과 균일성을 유지하게 하는 장점이 있다. 하지만, 일반적인 저밀도의 반응성 이온 식각법을 이용하는 경우 상기의 효과들을 얻기가 어려우며, 이에 따라 적절한 식각 속도 및 이방성 식각이 수행되지 않는 문제가 있다.Also, reactive ion etching is a technology to remove materials from the wafer surface through a reactive chemical process and a physical process using ion bombardment. Magnetically enhanced reactive ion etching is an etching method that combines physical and chemical methods with a magnetically enhanced reactive ion etching reaction. Plasma with a magnetic field generates high-density plasma and allows operation even at low pressure, and has the advantage of maintaining the directionality and uniformity of etching, especially in the case of etching with high aspect ratio characteristics. However, it is difficult to obtain the above effects when using a general low-density reactive ion etching method, and accordingly, there are problems in that an appropriate etching speed and anisotropic etching are not performed.
상기 (c) 단계의 식각은 이온들의 코발트 박막에 대한 고에너지 충돌이 수행되고, 이로 인하여 끊어진 화학결합들이 플라즈마 내부의 라디칼과 화학반응을 일으켜서 수행된다. 이때, 화학반응에 의한 반응생성물의 휘발성이 약하면 식각된 측면에 재증착이 발생하는데, 이온들의 기판에 대한 물리적 스퍼터링이 재증착 물질들이 탈착되는 것을 돕는 역할을 하여 재증착을 억제한다.The etching in the above step (c) is performed by high-energy collision of ions with the cobalt thin film, and the resulting chemical bonds cause a chemical reaction with radicals within the plasma. At this time, if the volatility of the reaction products due to the chemical reaction is low, redeposition occurs on the etched side, but the physical sputtering of ions onto the substrate helps to detach the redeposited materials, thereby suppressing redeposition.
이때, 상기 코발트 박막이 로딩된 식각 기판의 온도는 10 ℃ ~ 25 ℃로, 본 발명에서는 코발트 박막 식각시에 식각 기판을 가열하는 구성이 필요하지 않으며, 식각 기판에 10 ℃ ~ 25 ℃인 쿨링 유체를 적용하여 저온에서 식각이 수행될 수 있다.At this time, the temperature of the etching substrate loaded with the cobalt thin film is 10° C. to 25° C. In the present invention, a configuration for heating the etching substrate is not required when etching the cobalt thin film, and etching can be performed at a low temperature by applying a cooling fluid of 10° C. to the etching substrate.
종래 식각방법과 같이 식각 기판을 150 ℃ 이상으로 가열해야 한다면, 우선 기판 아래에 O-ring 등의 진공 씰(seal)을 사용할 수가 없어서 특별한 구조의 기판 이 구비되어야 함에 따라 장비의 단가가 증가되는 단점이 있으며, 또한 기판이 150 ℃의 고온으로 상당 시간 동안 가열되어야 하므로, 기판 위에 이미 증착되거나 패턴/식각되어 있는 물질들의 확산을 유발시켜서 원치 않는 물질(원소)들이 박막층의 위 또는 아래로 이동하여 소자의 특성을 변질시키거나 저하시키는 원인이 될 수 있다.If the etching substrate must be heated to 150°C or higher as in the conventional etching method, first of all, since a vacuum seal such as an O-ring cannot be used under the substrate, a substrate with a special structure must be provided, which increases the unit cost of the equipment, and furthermore, since the substrate must be heated to a high temperature of 150°C for a considerable period of time, this may cause diffusion of materials already deposited or patterned/etched on the substrate, causing unwanted materials (elements) to move up or down the thin film layer, which may cause deterioration or deterioration of the characteristics of the device.
한편, 본 발명에 따른 코발트 박막의 식각방법은 상기 (c) 단계 후에 암모니아수, 과산화수소 및 물이 함유된 혼합 용액을 이용하여 식각 잔류물이나 재증착 물질을 제거하는 후처리 단계[(d) 단계]를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the etching method of a cobalt thin film according to the present invention may further include a post-treatment step [step (d)] of removing etching residue or redeposited material using a mixed solution containing ammonia water, hydrogen peroxide, and water after step (c).
상기 암모니아수, 과산화수소 및 물이 함유된 혼합 용액은 바람직하게 암모니아수, 과산화수소 및 물의 부피비가 1 : 1 : 2 ~ 10일 수 있고, 더욱 바람직하게는 암모니아수, 과산화수소 및 물의 부피비가 1 : 1 : 3 ~ 7일 수 있다.The mixed solution containing the above ammonia water, hydrogen peroxide and water may preferably have a volume ratio of ammonia water, hydrogen peroxide and water of 1:1:2 to 10, and more preferably, the volume ratio of ammonia water, hydrogen peroxide and water may have a volume ratio of 1:1:3 to 7.
상기 함량범위의 암모니아수, 과산화수소 및 물이 함유된 혼합 용액은 코발트 박막 표면의 추가적인 식각 없이 박막 표면의 식각 잔사물이나 재증착 물질을 제거할 수 있다. A mixed solution containing ammonia water, hydrogen peroxide, and water in the above content range can remove etching residues or redeposited materials on the surface of a cobalt thin film without additional etching of the surface of the thin film.
본 발명에 따른 식각방법에 의해 제조된 코발트 박막은 하드 마스크에 대한 코발트 박막의 식각 선택도가 0.4 내지 1.5이며, 상기 코발트 박막의 식각 경사는 70˚이상으로서 우수한 이방성 프로파일을 제공할 수 있다[도 2의 (iv)]. 상기 식각선택도는 하드 마스크의 식각속도에 대한 코발트 박막의 식각속도를 의미하며, 하기 식 1과 같이 계산될 수 있다.The cobalt thin film manufactured by the etching method according to the present invention has an etching selectivity of 0.4 to 1.5 with respect to a hard mask, and an etching slope of the cobalt thin film of 70° or more, thereby providing an excellent anisotropic profile [(iv) of FIG. 2]. The etching selectivity refers to the etching rate of the cobalt thin film with respect to the etching rate of the hard mask, and can be calculated as shown in Equation 1 below.
식각선택도 = (코발트 박막의 식각속도)/(하드 마스크의 식각속도)...식 1Etch selectivity = (etching rate of cobalt thin film)/(etching rate of hard mask)...Equation 1
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of preferred embodiments. However, it will be apparent to those skilled in the art that these embodiments are intended to explain the present invention more specifically and that the scope of the present invention is not limited thereby.
<실시예 1><Example 1>
SiO2 하드 마스크로 마스킹된 코발트 박막(두께 500 nm)을 ICP coil과 120 mm 떨어진 곳에 위치시키고, 0.67 Pa 공정압력에서 식각 가스인 에탄올(C2H5OH) 가스 또는 에탄올(C2H5OH) 가스와 아르곤(Ar) 가스의 혼합가스를 20 sccm으로 흘려주며 500 W의 코일 고주파 전력과 300 V의 DC 바이어스를 가하여 플라즈마를 형성하는 방법으로 하드 마스크로 패턴된 코발트 박막을 식각하였다. 이때, 상기 혼합가스의 비율은 표 1에 나타내었다.A cobalt thin film (500 nm thick) masked with a SiO 2 hard mask was positioned 120 mm away from the ICP coil, and ethanol (C 2 H 5 OH) gas or a mixture of ethanol (C 2 H 5 OH) gas and argon (Ar) gas as an etching gas was flowed at 20 sccm at a process pressure of 0.67 Pa, and a coil high-frequency power of 500 W and a DC bias of 300 V were applied to form plasma, thereby etching the cobalt thin film patterned with the hard mask. The ratio of the mixed gas is shown in Table 1.
<실시예 2 내지 4와 비교예 ><Examples 2 to 4 and comparative examples>
실시예 1과 동일한 방법으로 코발트 박막을 식각하되, 식각 가스의 성분 비율을 표 1에 기재된 조건으로 대체하여 코발트 박막을 식각하였다. A cobalt thin film was etched using the same method as in Example 1, but the component ratio of the etching gas was replaced with the conditions described in Table 1.
(W)ICP rf Power
(W)
전압
(V)DC bias
voltage
(V)
(Pa)Chamber pressure
(Pa)
Etching gas
(vol%)C 2 H 5 OH
(vol%)
(vol%)Ar
(vol%)
<실시예 5 내지 12><Examples 5 to 12>
실시예 1 내지 4에서 각각 식각된 코발트 박막을 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2) 및 물(DI water)이 하기 표 2의 함량비로 혼합된 혼합 용액을 이용하여 20분 동안 세척하였다.In Examples 1 to 4, the etched cobalt thin films were each washed for 20 minutes using a mixed solution containing ammonia water (NH 4 OH), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and water (DI water) in the content ratios shown in Table 2 below.
<실시예 13 내지 20><Examples 13 to 20>
실시예 1과 동일한 방법으로 코발트 박막을 식각하되, 식각 가스의 성분 비율을 표 3에 기재된 조건으로 대체하여 코발트 박막을 식각하였다. A cobalt thin film was etched using the same method as in Example 1, but the component ratio of the etching gas was replaced with the conditions described in Table 3.
<실시예 21 내지 28><Examples 21 to 28>
실시예 14 내지 17에서 각각 식각된 코발트 박막을 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2) 및 물(DI water)이 하기 표 4의 함량비로 혼합된 혼합 용액을 이용하여 20분 동안 세척하였다.In Examples 14 to 17, the etched cobalt thin films were each washed for 20 minutes using a mixed solution containing ammonia water (NH 4 OH), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and water (DI water) in the content ratios shown in Table 4 below.
<실시예 29 및 34><Examples 29 and 34>
실시예 1과 동일한 방법으로 코발트 박막을 식각하되, 플라즈마 조건을 하기 표 5의 조건으로 변화시켜 코발트 박막의 식각을 수행하였다.The cobalt thin film was etched using the same method as in Example 1, but the plasma conditions were changed to the conditions in Table 5 below to perform etching of the cobalt thin film.
(W)ICP rf Power
(W)
전압
(V)DC bias
voltage
(V)
(Pa)Chamber pressure
(Pa)
Etching gas
(vol%)C 2 H 5 OH
(vol%)
(vol%)Ar
(vol%)
<실시예 35 내지 40><Examples 35 to 40>
실시예 29 내지 34에서 각각 식각된 코발트 박막을 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2) 및 물(DI water)이 하기 표 6의 함량비로 혼합된 혼합 용액을 이용하여 20분 동안 세척하였다.In Examples 29 to 34, the etched cobalt thin films were each washed for 20 minutes using a mixed solution containing ammonia water (NH 4 OH), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and water (DI water) in the content ratios shown in Table 6 below.
<실험예 1 : 식각 가스의 혼합비율에 따른 코발트 박막의 식각속도 및 식각선택도 측정><Experimental Example 1: Measurement of etching rate and etching selectivity of cobalt thin film according to mixing ratio of etching gas>
식각 가스인 C2H5OH와 Ar의 혼합비율에 따른 코발트 박막의 식각속도와 선택도[코발트 박막(Co) 식각속도/하드 마스크(SiO2) 식각속도]를 알아보기 위해 실시예 1 내지 4와 비교예 1에서 식각된 박막에 대한 식각속도를 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.In order to determine the etching rate and selectivity of cobalt thin films according to the mixing ratio of etching gases C 2 H 5 OH and Ar [cobalt thin film (Co) etching rate/hard mask (SiO 2 ) etching rate], the etching rates for thin films etched in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were measured, and the results are shown in Fig. 3.
도 3에 나타난 바와 같이, C2H5OH/Ar의 농도가 증가하면서 코발트 박막과 하드 마스크의 식각속도가 동시에 점진적으로 감소하였으며, 또한 코발트 박막의 식각속도가 SiO2 하드마스크의 식각속도보다 더 빠르므로, SiO2 하드마스크에 대한 코발트 박막에 대한 식각선택도는 1 ~ 1.4인 것으로 나타났다.As shown in Fig. 3, as the concentration of C 2 H 5 OH/Ar increased, the etching rates of the cobalt thin film and the hard mask simultaneously and gradually decreased, and also, since the etching rate of the cobalt thin film was faster than that of the SiO 2 hard mask, the etching selectivity of the cobalt thin film over the SiO 2 hard mask was found to be 1 to 1.4.
결과적으로 C2H5OH 가스가 증가함에 따라서 식각속도는 증가하지 않고 감소하여 전형적인 반응성 이온 식각 메카니즘을 따르지 않았다. 이는 순수 아르곤 가스에 C2H5OH 가스가 첨가되어 코발트 박막위에 CHx를 함유하는 폴리머가 증착되며, -OH기에 의하여 표면에 산화막이 형성되어 전반적인 박막의 식각속도는 감소된 것으로 판단되었다.As a result, the etching rate did not increase but decreased as the C 2 H 5 OH gas increased, which did not follow the typical reactive ion etching mechanism. This was judged to be because the addition of C 2 H 5 OH gas to pure argon gas caused a polymer containing CH x to be deposited on the cobalt thin film, and an oxide film was formed on the surface by the -OH groups, which decreased the overall etching rate of the thin film.
<실험예 2 : 식각 가스의 혼합비율에 따라 식각된 코발트 박막 관찰><Experimental Example 2: Observation of etched cobalt thin film according to the mixing ratio of etching gas>
식각 가스인 C2H5OH와 Ar의 혼합비율에 따른 코발트 박막의 식각면을 관찰하기 위하여 실시예 1 내지 4와 비교예 1에서 식각된 박막의 측면을 SEM(Hitachi SE-4300)을 이용하여 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이때 도 4(a)는 비교예 1에서 식각된 코발트 박막의 측면이고, 도 4(b)는 실시예 4에서 식각된 코발트 박막의 측면이며, 도 4(c)는 실시예 3에서 식각된 코발트 박막의 측면이고, 도 4(d)는 실시예 2에서 식각된 코발트 박막의 측면이며, 도 4(e)는 실시예 1에서 식각된 코발트 박막의 측면 이미지이다.In order to observe the etched surface of the cobalt thin film according to the mixing ratio of the etching gas, C 2 H 5 OH and Ar, the side surfaces of the thin films etched in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were measured using SEM (Hitachi SE-4300), and the results are shown in Fig. 4. At this time, Fig. 4(a) is a side view of the cobalt thin film etched in Comparative Example 1, Fig. 4(b) is a side view of the cobalt thin film etched in Example 4, Fig. 4(c) is a side view of the cobalt thin film etched in Example 3, Fig. 4(d) is a side view of the cobalt thin film etched in Example 2, and Fig. 4(e) is a side view image of the cobalt thin film etched in Example 1.
도 4에 나타난 바와 같이, 순수 아르곤에서 식각된 코발트(비교예 1)에서는 패턴 측면으로 상당한 재증착이 형성된 것이 관찰되었으며, 이는 아르곤 이온들이 코발트 박막에 대하여 물리적 스퍼터링에 의한 결과로 판단되었고, C2H5OH 농도가 25 vol%에서 100 vol%로 증가함에 따라서 식각된 코발트 박막의 측면에 재증착은 점진적으로 감소되었으며 100 vol% C2H5OH 조건에서는 박막측면에 재증착이 거의 관찰되지 않음을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 4, in cobalt etched in pure argon (Comparative Example 1), significant redeposition was observed to be formed on the pattern side. This was judged to be the result of physical sputtering of the argon ions onto the cobalt thin film. As the C 2 H 5 OH concentration increased from 25 vol% to 100 vol%, redeposition on the side of the etched cobalt thin film gradually decreased, and it was confirmed that almost no redeposition was observed on the side of the thin film under the 100 vol% C 2 H 5 OH condition.
<실험예 3 : 혼합 용액의 성분비율에 따라 후 처리된 코발트 박막 관찰><Experimental Example 3: Observation of post-processed cobalt thin film according to the component ratio of the mixed solution>
후처리 단계에서 혼합 용액의 NH4OH, H2O2 및 DI water 성분 혼합비율에 따라 처리된 코발트 박막의 식각면을 관찰하기 위하여 실시예 5 내지 9에서 처리된 박막의 측면을 SEM(Hitachi SE-4300)을 이용하여 관찰하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. 이때 도 5(a)는 실시예 5에서 처리된 코발트 박막의 측면이고, 도 5(b)는 실시예 6에서 처리된 코발트 박막의 측면이며, 도 5(c)는 실시예 7에서 처리된 코발트 박막의 측면이고, 도 5(d)는 실시예 8에서 처리된 코발트 박막의 측면이며, 도 5(e)는 실시예 9에서 처리된 코발트 박막의 측면 이미지이다.In order to observe the etched surface of the cobalt thin film treated according to the mixing ratio of the NH4OH , H2O2 , and DI water components of the mixed solution in the post-processing step, the side surfaces of the thin films treated in Examples 5 to 9 were observed using SEM (Hitachi SE-4300), and the results are shown in Fig. 5. At this time, Fig. 5(a) is a side view of the cobalt thin film treated in Example 5, Fig. 5(b) is a side view of the cobalt thin film treated in Example 6, Fig. 5(c) is a side view of the cobalt thin film treated in Example 7, Fig. 5(d) is a side view of the cobalt thin film treated in Example 8, and Fig. 5(e) is a side view image of the cobalt thin film treated in Example 9.
도 5에 나타난 바와 같이, NH4OH : H2O2 : DI water로 구성된 혼합 용액에서 NH4OH : H2O2 : DI water의 부피비가 1 : 1 : 3인 경우(실시예 5)에는 코발트 측면에 생성된 재증착 물질들이 제거는 되지만, 측면이 거친 것으로 나타났으며, NH4OH : H2O2 : DI water의 부피비가 1 : 1 : 7인 경우(실시예 7)에는 코발트 측면의 재증착 물질들이 완전히 제거되지 않은 것이 관찰되었다. 또한 NH4OH : H2O2 : DI water의 부피비가 1 : 0 : 5인 용액의 경우 즉, H2O2를 첨가하지 않은 용액의 경우(실시예 8)에 코발트 박막 측면의 재증착 물질이 일부 제거된 것이 관찰되었으나, 코발트 박막의 양측 부분이 식각된 것이 관찰되었고, 반면에 NH4OH : H2O2 : DI water의 부피비가 1 : 2 : 5인 경우(실시예 9)에는 재증착 물질이 충분히 제거되지 않고 측면이 매우 거칠게 변화된 것이 관찰되었다. 결과적으로 NH4OH : H2O2 : DI water의 부피비가 1 : 1 : 5인 혼합 용액이 가장 우수한 후처리 효과를 보이는 것으로 나타났다.As shown in FIG. 5, in a mixed solution composed of NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water, when the volume ratio of NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water was 1 : 1 : 3 (Example 5), the redeposited materials generated on the cobalt side were removed, but the side appeared rough, and when the volume ratio of NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water was 1 : 1 : 7 (Example 7), it was observed that the redeposited materials on the cobalt side were not completely removed. Also, in the case of a solution having a volume ratio of NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water of 1 : 0 : 5, i.e., a solution without adding H 2 O 2 (Example 8), it was observed that some of the redeposition material on the side of the cobalt thin film was removed, but it was observed that both sides of the cobalt thin film were etched, whereas in the case of a volume ratio of NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water of 1 : 2 : 5 (Example 9), it was observed that the redeposition material was not sufficiently removed and the side became very rough. As a result, it was found that a mixed solution having a volume ratio of NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water of 1 : 1 : 5 showed the best post-treatment effect.
<실험예 4 : 혼합 용액의 처리 전 후의 코발트 박막 관찰><Experimental Example 4: Observation of cobalt thin film before and after treatment with mixed solution>
후처리 단계에서 혼합 용액의 처리 전/후의 코발트 박막을 비교 관찰하기 위해 실시예 1 내지 4의 코발트 박막과 상기 실시예 1 내지 4의 코발트 박막을 NH4OH, H2O2 및 DI water의 부피비가 1 : 1 : 5인 혼합 용액으로 처리된 실시예 6, 10 내지 13의 코발트 박막의 측면을 SEM(Hitachi SE-4300)을 이용하여 관찰하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. 이때 도 6(a)는 실시예 4의 코발트 박막의 측면이고, 도 6(b)는 실시예 3의 코발트 박막의 측면이며, 도 6(c)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이고, 도 6(d)는 실시예 1의 코발트 박막의 측면 이미지이다. 또한 도 6(e)는 실시예 13의 코발트 박막의 측면이고, 도 6(f)는 실시예 12의 코발트 박막의 측면이며, 도 6(g)는 실시예 6의 코발트 박막의 측면이고, 도 6(h)는 실시예 10의 코발트 박막의 측면 이미지이다. In order to compare and observe the cobalt thin films before and after treatment with the mixed solution in the post-treatment step, the side surfaces of the cobalt thin films of Examples 1 to 4 and the cobalt thin films of Examples 6 and 10 to 13, which were treated with the mixed solution having a volume ratio of NH 4 OH, H 2 O 2 and DI water of 1: 1: 5, were observed using SEM (Hitachi SE-4300), and the results are shown in Fig. 6. Fig. 6(a) is a side view of the cobalt thin film of Example 4, Fig. 6(b) is a side view of the cobalt thin film of Example 3, Fig. 6(c) is a side view of the cobalt thin film of Example 2, and Fig. 6(d) is a side view image of the cobalt thin film of Example 1. Also, FIG. 6(e) is a side view of the cobalt thin film of Example 13, FIG. 6(f) is a side view of the cobalt thin film of Example 12, FIG. 6(g) is a side view of the cobalt thin film of Example 6, and FIG. 6(h) is a side view image of the cobalt thin film of Example 10.
도 6에 나타난 바와 같이, 도 4에서 이미 설명했듯이 75 vol% C2H5OH/Ar 이상의 식각 가스에서는 식각된 코발트 박막의 측면에 재증착이 감소하였으며(도 4d, 도 4e), 이러한 식각된 코발트 박막들(실시예 3 및 4)을 혼합 용액으로 처리하면 25 vol% C2H5OH/Ar과 50 vol% C2H5OH/Ar의 식각 가스에서 식각된 코발트 박막들(실시예 12 및 13)은 식각 재증착 물질들이 거의 제거되지 않았으며[도 6(e), 도 6(f)], 75 vol% C2H5OH/Ar과 100 vol% C2H5OH에서 식각된 코발트 박막들(실시예 1 및 2)은 식각 측벽(실시예 6 및 10)에 생성된 재증착 물질들이 완전히 제거된 것이 관찰되었다(도 6(g) 및 도 6(h)].As shown in Fig. 6, the redeposition on the side of the etched cobalt thin film was reduced in the etching gas of 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar or higher as already explained in Fig. 4 (Fig. 4d, Fig. 4e), and when these etched cobalt thin films (Examples 3 and 4) were treated with a mixed solution, the cobalt thin films etched in the etching gas of 25 vol% C 2 H 5 OH/Ar and 50 vol% C 2 H 5 OH/Ar (Examples 12 and 13) had almost no removal of the etching redeposition materials [Fig. 6(e), Fig. 6(f)], and the cobalt thin films etched in the 75 vol% C 2 H 5 OH/Ar and 100 vol% C 2 H 5 OH (Examples 1 and 2) had no etching sidewalls (Examples 6 and 10). It was observed that the redeposited materials were completely removed (Fig. 6(g) and Fig. 6(h)].
<실험예 5 : 식각 가스의 혼합비율에 따른 코발트 박막의 식각속도 및 식각선택도 측정><Experimental Example 5: Measurement of etching rate and etching selectivity of cobalt thin film according to mixing ratio of etching gas>
식각 가스인 C2H5OH, O2 및 Ar의 혼합비율에 따른 코발트 박막의 식각속도와 선택도[코발트 박막(Co) 식각속도/하드 마스크(SiO2) 식각속도]를 알아보기 위해 실시예 2 및 3와 실시예 14 내지 21에서 식각된 박막에 대한 식각속도를 측정하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이때, 도 7(a)는 식각 가스로 C2H5OH, O2 및 Ar의 혼합 가스 중, C2H5OH가 50 vol%인 경우이고, 도 7(b)는 식각 가스로 C2H5OH, O2 및 Ar의 혼합 가스 중, C2H5OH가 75 vol%인 경우이다.In order to determine the etching rate and selectivity of cobalt thin films according to the mixing ratio of C 2 H 5 OH, O 2 and Ar as etching gases [cobalt thin film (Co) etching rate/hard mask (SiO 2 ) etching rate], the etching rates for the thin films etched in Examples 2 and 3 and Examples 14 to 21 were measured, and the results are shown in Fig. 7. At this time, Fig. 7(a) shows the case where C 2 H 5 OH is 50 vol% among the mixed gas of C 2 H 5 OH, O 2 and Ar as etching gases, and Fig. 7(b) shows the case where C 2 H 5 OH is 75 vol% among the mixed gas of C 2 H 5 OH, O 2 and Ar as etching gases.
도 7에 나타난 바와 같이 산소(O2)가 혼합된 식각 가스를 이용하여 코발트 박막을 식각함에 따라 코발트 박막이 산화되어 산화코발트 (CoOx)로 만들거나 산소가 포함된 코발트 화합물들을 형성시킴으로서, 에탄올가스와 반응성을 높이고 결과적으로 식각 재증착이 감소하였다. As shown in Fig. 7, when a cobalt thin film is etched using an etching gas mixed with oxygen (O 2 ), the cobalt thin film is oxidized to form cobalt oxide (CoO x ) or cobalt compounds containing oxygen, thereby increasing the reactivity with ethanol gas and consequently reducing etching redeposition.
<실험예 6 : 혼합 용액의 처리 전 후의 코발트 박막 관찰><Experimental Example 6: Observation of cobalt thin film before and after treatment with mixed solution>
후처리 단계에서 혼합 용액의 처리 전 후의 코발트 박막을 비교 관찰하기 위해 실시예 2, 실시예 3, 실시예 13 내지 20의 코발트 박막과 상기 실시예들의 식각된 코발트 박막을 NH4OH, H2O2 및 DI water의 부피비가 1 : 1 : 5인 혼합 용액을 이용하여 처리된 실시예 6, 실시예 11, 실시예 21 내지 28의 코발트 박막의 측면을 SEM(Hitachi SE-4300)을 이용하여 관찰하고 그 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다.In order to compare and observe the cobalt thin films before and after treatment with the mixed solution in the post-treatment step, the cobalt thin films of Examples 2, 3, and 13 to 20 and the etched cobalt thin films of the above examples were treated with a mixed solution having a volume ratio of NH 4 OH, H 2 O 2 and DI water of 1: 1: 5, and the side surfaces of the cobalt thin films of Examples 6, 11, and 21 to 28 were observed using SEM (Hitachi SE-4300), and the results are shown in FIGS. 8 and 9.
이때 도 8(a)는 실시예 3의 코발트 박막의 측면이고, 도 8(b)는 실시예 16의 코발트 박막의 측면이며, 도 8(c)는 실시예 15의 코발트 박막의 측면이고, 도 8(d)는 실시예 14의 코발트 박막의 측면이며, 도 8(e)는 실시예 13의 코발트 박막의 측면 이미지이다. 또한, 도 8(f)는 실시예 11의 코발트 박막의 측면이며, 도 8(g)는 실시예 24의 코발트 박막의 측면이고, 도 8(h)는 실시예 23의 코발트 박막의 측면이며, 도 8(i)는 실시예 22의 코발트 박막의 측면이고, 도 8(j)는 실시예 21의 코발트 박막의 측면 이미지이다.At this time, FIG. 8(a) is a side view of the cobalt thin film of Example 3, FIG. 8(b) is a side view of the cobalt thin film of Example 16, FIG. 8(c) is a side view of the cobalt thin film of Example 15, FIG. 8(d) is a side view of the cobalt thin film of Example 14, and FIG. 8(e) is a side view image of the cobalt thin film of Example 13. In addition, FIG. 8(f) is a side view of the cobalt thin film of Example 11, FIG. 8(g) is a side view of the cobalt thin film of Example 24, FIG. 8(h) is a side view of the cobalt thin film of Example 23, FIG. 8(i) is a side view of the cobalt thin film of Example 22, and FIG. 8(j) is a side view image of the cobalt thin film of Example 21.
한편, 도 9(a)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이고, 도 9(b)는 실시예 20의 코발트 박막의 측면이며, 도 9(c)는 실시예 19의 코발트 박막의 측면이고, 도 9(d)는 실시예 18의 코발트 박막의 측면이며, 도 9(e)는 실시예 17의 코발트 박막의 측면 이미지이다. 또한, 도 9(f)는 실시예 6의 코발트 박막의 측면이며, 도 9(g)는 실시예 28의 코발트 박막의 측면이고, 도 9(h)는 실시예 27의 코발트 박막의 측면이며, 도 9(i)는 실시예 26의 코발트 박막의 측면이고, 도 9(j)는 실시예 25의 코발트 박막의 측면 이미지이다.Meanwhile, FIG. 9(a) is a side view of a cobalt thin film of Example 2, FIG. 9(b) is a side view of a cobalt thin film of Example 20, FIG. 9(c) is a side view of a cobalt thin film of Example 19, FIG. 9(d) is a side view of a cobalt thin film of Example 18, and FIG. 9(e) is a side image of a cobalt thin film of Example 17. In addition, FIG. 9(f) is a side view of a cobalt thin film of Example 6, FIG. 9(g) is a side view of a cobalt thin film of Example 28, FIG. 9(h) is a side view of a cobalt thin film of Example 27, FIG. 9(i) is a side view of a cobalt thin film of Example 26, and FIG. 9(j) is a side view image of a cobalt thin film of Example 25.
도 8에 나타난 바와 같이, 50% C2H5OH/Ar에서 식각한 코발트 박막(실시예 3)의 식각프로파일은 식각측면에 재증착이 심하게 발생하였다. 그러나 5 vol% ~ 20 vol%의 O2가스를 첨가(실시예 21 내지 24)하였을 때 식각 재증착이 상당히 감소하였고 식각경사도도 약 75°이상으로 향상되었다. 특히 15 vol% ~ 20 vol% O2 가스가 식각 가스에 첨가(실시예 21 및 22)되었을 때 측면에 재증착이 거의 관찰되지 않았다. 이러한 식각된 코발트 박막들을 후처리 단계에서 혼합 용액으로 처리한 결과, 식각 가스로 10 vol% ~ 20 vol% O2가 첨가된 경우(실시예 21 내지 23)에는 측면에 식각 재증착이 완전히 제거되었다.As shown in Fig. 8, the etching profile of the cobalt thin film (Example 3) etched in 50 % C2H5OH /Ar showed severe redeposition on the etching side. However, when 5 vol% to 20 vol% O2 gas was added (Examples 21 to 24), the etching redeposition significantly decreased and the etching slope was also improved to about 75° or more. In particular, when 15 vol% to 20 vol% O2 gas was added to the etching gas (Examples 21 and 22), almost no redeposition was observed on the side. When these etched cobalt thin films were treated with a mixed solution in the post-treatment step, when 10 vol% to 20 vol% O2 was added as the etching gas (Examples 21 to 23), the etching redeposition on the side was completely eliminated.
또한, 도 9에 나타난 바와 같이, 75 % C2H5OH/Ar의 식각 가스로 식각한 코발트 박막(실시예 2)의 식각프로파일은 식각 측면에 재증착이 발생하였다. 그러나 5 vol% ~ 20 vol%의 O2가스를 식각 가스에 첨가한 경우(실시예 25 내지 28)에는 식각 재증착이 상당히 감소하였고, 식각 경사도도 약 80°이상으로 향상되었다. 특히 15 vol% ~ 20 vol% O2 가스가 첨가한 경우(실시예 25 및 26)에는 식각 측면에 재증착이 거의 관찰되지 않았다. 이러한 식각된 시료들을 후처리 단계에서 혼합 용액으로 처리한 결과, 코발트 박막의 식각 측면에 식각 재증착이 완전히 제거되었다. In addition, as shown in FIG. 9, the etching profile of the cobalt thin film (Example 2) etched with an etching gas of 75% C 2 H 5 OH/Ar showed that redeposition occurred on the etching side. However, when 5 vol% to 20 vol% O 2 gas was added to the etching gas (Examples 25 to 28), the etching redeposition significantly decreased and the etching slope was also improved to about 80° or more. In particular, when 15 vol% to 20 vol% O 2 gas was added (Examples 25 and 26), almost no redeposition was observed on the etching side. When these etched samples were treated with a mixed solution in the post-treatment step, the etching redeposition on the etching side of the cobalt thin film was completely removed.
<실험예 7 : ICP rf power에 따른 식각속도 및 박막 분석><Experimental Example 7: Etching rate and thin film analysis according to ICP rf power>
식각의 주요 변수 중 하나인 ICP rf power 변화에 따른 코발트 및 하드 마스크(SiO2)의 식각 속도 및 식각 선택도를 측정하기 위해 ICP rf power 변화에 따라 식각된 실시예 2와 실시예 29 및 30의 박막에 대하여 식각 속도와 식각 선택도를 측정하여 그 결과를 도 10에 나타내었다.In order to measure the etching rate and etching selectivity of cobalt and hard mask (SiO 2 ) according to the change in ICP rf power, which is one of the main variables of etching, the etching rate and etching selectivity were measured for the thin films of Example 2 and Examples 29 and 30 etched according to the change in ICP rf power, and the results are shown in Fig. 10.
도 10에 나타나 바와 같이, ICP rf power가 증가할수록 코발트의 식각속도는 거의 직선적으로 증가하였으나, 하드 마스크(SiO2)의 식각속도는 약간 증가하였다. 이에 하드 마스크(SiO2)에 대한 코발트 박막의 식각 선택도는 0.8에서 1.4사이임을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 10, as the ICP rf power increased, the etching rate of cobalt increased almost linearly, but the etching rate of the hard mask (SiO 2 ) increased slightly. Accordingly, it was confirmed that the etching selectivity of the cobalt thin film with respect to the hard mask (SiO 2 ) was between 0.8 and 1.4.
또한, ICP rf power 변화에 따라 식각된 코발트 박막 상태를 관찰하기 위해 CP rf power 변화에 따라 식각된 실시예 2와 실시예 29 및 30의 박막과 이들 박막을 후처리 단계에서 혼합 용액(NH4OH : H2O2 : DI water= 1 : 1 : 5)을 이용하여 처리된 실시예 6, 실시예 35 및 36의 박막 측면을 SEM(Hitachi SE-4300)로 촬영하여 비교 관찰하고 그 결과를 도 11에 나타내었다. 이때, 도 11(a)는 실시예 29의 코발트 박막이고, 도 11(b)는 실시예 2의 코발트 박막이며, 도 11(c)는 실시예 30의 코발트 박막이다. 또한, 도 11(d)는 실시예 35의 코발트 박막이고, 도 11(e)는 실시예 6의 코발트 박막이며, 도 11(f)는 실시예 36의 코발트 박막이다.In addition, in order to observe the state of the etched cobalt thin film according to the change in ICP rf power, the thin films of Examples 2 and 29 and 30 etched according to the change in CP rf power and the thin films of Examples 6, 35 and 36 treated using a mixed solution (NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water = 1 : 1 : 5) in the post-processing step were photographed and observed for comparison using SEM (Hitachi SE-4300), and the results are shown in Fig. 11. At this time, Fig. 11(a) is the cobalt thin film of Example 29, Fig. 11(b) is the cobalt thin film of Example 2, and Fig. 11(c) is the cobalt thin film of Example 30. Also, Fig. 11(d) is a cobalt thin film of Example 35, Fig. 11(e) is a cobalt thin film of Example 6, and Fig. 11(f) is a cobalt thin film of Example 36.
도 11에 나타난 바와 같이, 식각프로파일 측면에서는 300 W의 rf power 조건에서 식각 후 재증착이 크게 감소하였고, 700 W의 식각 조건에서는 식각 후에 하드마스크와 코발트 박막의 측면에서 재증착 물질이 다소 증가되었으나, 식각경사는 크게 향상되었다. 일반적으로 ICP rf power가 증가하면 반응기내의 플라즈마 밀도가 증가하게 되어 더 많은 라디칼과 더 많은 양이온들이 생성되어서 박막들의 식각속도들은 증가하게 되며 식각 프로파일의 이방성(anisotropy)에도 도움이 된다. 그러나 식각 메카니즘이 반응성 이온 식각 메카니즘을 따르지 않는 경우에는 재증착의 발생할 수가 있다. 이러한 식각된 코발트 박막들을 혼합 용액으로 후처리하면 300 W와 500 W의 경우에는 박막 측면의 재증착 물질이 완전히 제거되었으며, 700 W의 경우에는 재증착 물질이 완전히 제거되지 않고 일부 남아 있는 것이 확인되었다.As shown in Fig. 11, in terms of the etching profile, the redeposition after etching was significantly reduced under the rf power condition of 300 W, and under the etching condition of 700 W, the redeposition material increased somewhat on the sides of the hard mask and the cobalt thin film after etching, but the etch slope was greatly improved. In general, when the ICP rf power increases, the plasma density in the reactor increases, which generates more radicals and more cations, thereby increasing the etching rates of the thin films and also helping the anisotropy of the etching profile. However, if the etching mechanism does not follow the reactive ion etching mechanism, redeposition may occur. When these etched cobalt thin films were post-treated with a mixed solution, the redeposition material on the side of the thin film was completely removed in the cases of 300 W and 500 W, but it was confirmed that some of the redeposition material remained in the case of 700 W.
<실험예 8 : dc-bias voltage에 따른 식각속도 및 박막 분석><Experimental Example 8: Etching rate and thin film analysis according to dc-bias voltage>
식각의 주요 변수 중 하나인 dc-bias voltage 변화에 따른 코발트 및 하드 마스크(SiO2)의 식각 속도 및 식각 선택도를 측정하기 위해 dc-bias voltage 변화에 따라 식각된 실시예 2와 실시예 31 및 32의 박막에 대하여 식각 속도와 식각 선택도를 측정하여 그 결과를 도 12에 나타내었다.In order to measure the etching rate and etching selectivity of cobalt and hard mask (SiO 2 ) according to the change in dc-bias voltage, which is one of the main variables of etching, the etching rate and etching selectivity were measured for the thin films of Example 2 and Examples 31 and 32 etched according to the change in dc-bias voltage, and the results are shown in Fig. 12.
도 12에 나타나 바와 같이, dc-bias voltage가 200 V에서 400 V로 증가함에 따라서 코발트 박막의 식각속도는 점진적으로 증가하였으며, SiO2 하드 마스크의 식각속도 또한 200 V에서 300 V로 증가함에 따라서 증가하였으나, 400 V에서는 큰 변화가 없었다. SiO2 하드 마스크에 대한 코발트 박막의 식각 선택도는 0.9에서 1.4의 범위임을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 12, the etching rate of the cobalt thin film gradually increased as the dc-bias voltage increased from 200 V to 400 V, and the etching rate of the SiO 2 hard mask also increased as it increased from 200 V to 300 V, but there was no significant change at 400 V. The etching selectivity of the cobalt thin film to the SiO 2 hard mask was confirmed to be in the range of 0.9 to 1.4.
또한, dc-bias voltage 변화에 따라 식각된 코발트 박막 상태를 관찰하기 위해 dc-bias voltage 변화에 따라 식각된 실시예 2와 실시예 31 및 32의 박막과 이들 박막을 혼합 용액(NH4OH : H2O2 : DI water= 1 : 1 : 5)으로 처리된 실시예 6, 실시예 37 및 38의 박막 측면을 SEM(Hitachi SE-4300)로 촬영하여 비교 관찰하고 그 결과를 도 13에 나타내었다. 이때, 도 13(a)는 실시예 31의 코발트 박막의 측면이고, 도 13(b)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면이며, 도 13(c)는 실시예 32의 코발트 박막의 측면 이미지이다. 또한, 도 13(d)는 실시예 37의 코발트 박막의 측면이고, 도 13(e)는 실시예 6의 코발트 박막의 측면이며, 도 13(f)는 실시예 38의 코발트 박막의 측면 이미지이다.In addition, in order to observe the state of the etched cobalt thin film according to the change in dc-bias voltage, the thin films of Examples 2, 31, and 32 etched according to the change in dc-bias voltage and the side surfaces of the thin films of Examples 6, 37, and 38 treated with a mixed solution (NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water = 1 : 1 : 5) were photographed by SEM (Hitachi SE-4300) for comparative observation, and the results are shown in Fig. 13. At this time, Fig. 13(a) is a side image of the cobalt thin film of Example 31, Fig. 13(b) is a side image of the cobalt thin film of Example 2, and Fig. 13(c) is a side image of the cobalt thin film of Example 32. Also, FIG. 13(d) is a side view of the cobalt thin film of Example 37, FIG. 13(e) is a side view of the cobalt thin film of Example 6, and FIG. 13(f) is a side view image of the cobalt thin film of Example 38.
도 13에 나타난 바와 같이, 식각프로파일 결과들을 살펴보면 200 V와 300 V dc-bias voltage의 조건들에서 식각된 코발트 박막(실시예 31 및 실시예 2)은 식각 측면에 재증착 물질이 소량으로 비슷하게 관찰되었으나, 400 V의 dc-bias voltage의 조건에서 식각된 코발트 박막(실시예 32)는 식각 측면에 상당한 양의 재증착 물질은 관찰되었다. 이러한 식각된 박막들을 후처리 단계에서 혼합 용액으로 처리하면 200 V와 300 V dc-bias voltage의 조건들에서는 식각된 측면(실시예 37 및 실시예 6)에 재증착 물질이 완전히 제거되었으며, 400 V dc-bias voltage 조건에서는 식각 측면(실시예 38)의 재증착 물질이 완전히 제거되지 않았다. 이는 dc-bias voltage가 증가하면 플라즈마내의 양이온들이 더 큰 에너지로 기판쪽으로 끌려와서 강하게 충돌하게 되어 박막이 제거되거나, 표면에 남아 있는 식각 생성물들이 제거되나, 표면의 화학반응이 동반되지 않으면서 기판에 강한 충돌만을 발생할 경우에는 식각패턴의 측벽이 재증착을 발생하게 되는 것으로 판단되었다.As shown in Fig. 13, when examining the etching profile results, the cobalt thin films etched under the conditions of 200 V and 300 V dc-bias voltage (Example 31 and Example 2) showed a small amount of redeposited material similarly on the etching side, but the cobalt thin film etched under the condition of 400 V dc-bias voltage (Example 32) showed a significant amount of redeposited material on the etching side. When these etched thin films were treated with a mixed solution in the post-processing step, the redeposited material on the etched side (Example 37 and Example 6) was completely removed under the conditions of 200 V and 300 V dc-bias voltage, but the redeposited material on the etching side (Example 38) was not completely removed under the condition of 400 V dc-bias voltage. It was determined that when the dc-bias voltage increases, the positive ions in the plasma are attracted to the substrate with greater energy and collide strongly, removing the thin film or removing the etching products remaining on the surface. However, if only a strong collision occurs on the substrate without a chemical reaction on the surface, the sidewall of the etching pattern undergoes redeposition.
<실험예 9 : 식각 공정 압력에 따른 식각속도 및 박막 분석><Experimental Example 9: Etching rate and thin film analysis according to etching process pressure>
식각의 주요 변수 중 하나인 식각 공정 압력 변화에 따른 코발트 및 하드 마스크(SiO2)의 식각 속도 및 식각 선택도를 측정하기 위해 챔버 압력 변화에 따라 식각된 실시예 2와 실시예 33 및 34의 박막에 대하여 식각 속도와 식각 선택도를 측정하여 그 결과를 도 14에 나타내었다.In order to measure the etching rate and etching selectivity of cobalt and hard mask (SiO 2 ) according to the change in etching process pressure, which is one of the main variables of etching, the etching rate and etching selectivity were measured for the thin films of Example 2 and Examples 33 and 34 etched according to the change in chamber pressure, and the results are shown in Fig. 14.
도 14에 나타난 바와 같이, 코발트 박막의 식각속도는 압력이 0.13 Pa에서 1.3 Pa로 감소함에 따라서 다소 감소하였으며, 하드 마스크(SiO2)의 식각속도는 0.67 Pa에서 증가하였다가 1,3 Pa에서는 다시 감소하였다. 하드 마스크(SiO2)에 대한 코발트 박막의 식각 선택도는 약 0.9에서 1.8 사이로 변화하였으며 0.13 Pa의 공정 압력에서 가장 큰 값을 나타내었다.As shown in Fig. 14, the etching rate of the cobalt thin film decreased slightly as the pressure decreased from 0.13 Pa to 1.3 Pa, and the etching rate of the hard mask (SiO 2 ) increased at 0.67 Pa and then decreased again at 1.3 Pa. The etching selectivity of the cobalt thin film to the hard mask (SiO 2 ) varied between approximately 0.9 and 1.8 and showed the largest value at the process pressure of 0.13 Pa.
또한, 압력 변화에 따라 식각된 코발트 박막 상태를 관찰하기 위해 압력 변화에 따라 식각된 실시예 2와 실시예 33 및 34의 박막과 이들 박막을 혼합 용액(NH4OH : H2O2 : DI water= 1 : 1 : 5)으로 처리된 실시예 6, 실시예 39 및 40의 박막 측면을 SEM(Hitachi SE-4300)로 촬영하여 비교 관찰하고 그 결과를 도 15에 나타내었다. 이때, 도 15(a)는 실시예 33의 코발트 박막의 측면이고, 도 15(b)는 실시예 2의 코발트 박막의 측면 이미지이며, 도 15(c)는 실시예 34의 코발트 박막의 측면이다. 또한, 도 15(d)는 실시예 39의 코발트 박막의 측면이고, 도 15(e)는 실시예 6의 코발트 박막의 측면이며, 도 15(f)는 실시예 40의 코발트 박막의 측면 이미지이다.In addition, in order to observe the state of the etched cobalt thin film according to the pressure change, the thin films of Examples 2 and 33 and 34 etched according to the pressure change and the thin films of Examples 6, 39 and 40 treated with a mixed solution (NH 4 OH : H 2 O 2 : DI water = 1 : 1 : 5) were photographed and observed sideways with SEM (Hitachi SE-4300) for comparison, and the results are shown in Fig. 15. At this time, Fig. 15(a) is a side view of the cobalt thin film of Example 33, Fig. 15(b) is a side image of the cobalt thin film of Example 2, and Fig. 15(c) is a side view of the cobalt thin film of Example 34. Also, FIG. 15(d) is a side view of the cobalt thin film of Example 39, FIG. 15(e) is a side view of the cobalt thin film of Example 6, and FIG. 15(f) is a side view image of the cobalt thin film of Example 40.
도 15에 나타난 바와 같이, 0.13 Pa의 챔버 압력으로 식각된 코발트 박막(실시예 33)에서는 코발트 박막의 측벽에 재증착이 발생하였고, 1.3 Pa의 챔버 압력으로 식각된 코발트 박막(실시예 34)에서도 측벽에 재증착이 관찰되었으나, 0.67 Pa의 압력으로 식각된 코발트 박막(실시예 2)에서는 가장 적은 양의 재증착이 관찰되었다. 이러한 식각된 박막들을 혼합 용액으로 처리한 결과, 각 압력의 모든 조건들에서 측벽의 재증착 물질이 제거된 것으로 관찰되었으나, 0.13 Pa과 1.3 Pa의 공정 압력으로 식각된 코발트 박막의 후처리된 코발트 박막(실시예 39 및 40)에서는 식각 측벽이 다소 거칠어졌고, 박막 측벽의 재증착 물질이 완전히 제거되지 않은 것으로 관찰되어 압력조건인 0.67 Pa의 공정 압력이 최적의 조건으로 판단되었다.As shown in Fig. 15, in the cobalt thin film etched at a chamber pressure of 0.13 Pa (Example 33), redeposition occurred on the sidewall of the cobalt thin film, and in the cobalt thin film etched at a chamber pressure of 1.3 Pa (Example 34), redeposition was also observed on the sidewall, but in the cobalt thin film etched at a pressure of 0.67 Pa (Example 2), the smallest amount of redeposition was observed. As a result of treating these etched thin films with a mixed solution, it was observed that the redeposited material on the sidewall was removed under all conditions of each pressure. However, in the post-treated cobalt thin films (Examples 39 and 40) etched at process pressures of 0.13 Pa and 1.3 Pa, the etched sidewalls were somewhat roughened, and it was observed that the redeposited material on the sidewalls of the thin film was not completely removed. Therefore, the process pressure of 0.67 Pa was determined to be the optimal condition.
이러한 결과는 일반적으로 0.13 Pa의 저압에서는 mean free path가 크게 증가하여 플라즈마 내에서 생성된 라디칼이나 이온들이 충돌 없이 효과적으로 박막표면에 도달하게 되어 더 많은 라디칼과 이온들이 박막 표면과 화학반응 및 스퍼터링 등과 같은 반응에 참여하게 되어 식각속도가 증가되나, 박막 측면에 재증착 물질은 증가하게 되며, 식각 프로파일의 이방성은 증가하여 보다 수직직인 식각 프로파일이 관찰되는 것으로 판단되었다.These results are generally judged to be because at a low pressure of 0.13 Pa, the mean free path increases significantly, allowing radicals or ions generated in the plasma to effectively reach the thin film surface without collision, allowing more radicals and ions to participate in reactions such as chemical reactions and sputtering with the thin film surface, thereby increasing the etching rate. However, the redeposited material on the side of the thin film increases, and the anisotropy of the etching profile increases, resulting in a more vertical etching profile.
<실험예 10 : 식각 가스 중 C<Experimental Example 10: C in etching gas 22 HH 55 OH와 Ar의 혼합 비율에 따른 OES 분석>OES analysis according to the mixing ratio of OH and Ar>
식각 가스 중 C2H5OH/Ar 혼합가스에서 C2H5OH 및 Ar의 혼합 비율에 따라 생성되는 플라즈마내의 활성종들의 크기를 OES(optical emission spectroscopy)로 측정하여 도 16에 나타내었다. 이때, 공정 조건은 0.67 Pa 압력에서 식각 가스인 에탄올(C2H5OH) 가스 또는 에탄올(C2H5OH) 가스와 아르곤(Ar) 가스의 혼합가스를 20 sccm으로 흘려주며 500 W의 코일 고주파 전력과 300 V의 DC 바이어스를 가하여 플라즈마를 형성하였다. 상기 도 16(a)는 C2H5OH의 농도가 증가함에 따라서 여러 가지 활성종의 크기들을 비교한 것이고 (b)는 Ar의 강도에 대한 각 활성종의 비를 나타낸 그래프이다.The sizes of active species in the plasma generated according to the mixing ratio of C 2 H 5 OH and Ar in the C 2 H 5 OH/Ar mixed gas among the etching gases were measured by OES (optical emission spectroscopy), and the results are shown in Fig. 16. At this time, the process conditions were that ethanol (C 2 H 5 OH) gas or a mixed gas of ethanol (C 2 H 5 OH) gas and argon (Ar) gas, which are etching gases, were flowed at 20 sccm at a pressure of 0.67 Pa, and 500 W of coil high-frequency power and 300 V of DC bias were applied to form the plasma. Fig. 16(a) compares the sizes of various active species as the concentration of C 2 H 5 OH increases, and (b) is a graph showing the ratio of each active species to the intensity of Ar.
도 16에 나타난 바와 같이, C2H5OH/Ar 혼합가스에서 플라즈마 내의 여러 가지 활성종(active species) 가운데서 [H], [C], [O], [OH], 그리고 [CH] 순으로 강도(intensity)가 높으며, C2H5OH 농도가 증가함에 따라서 각 활성종의 intensity는 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 또한 C2H5OH 농도가 증가하고 Ar 농도가 감소함에 따라서 혼합가스의 플라즈마 밀도는 감소하는 것으로 판단되었다. 결론적으로 플라즈마 내의 각 활성종들이 코발트 박막이 일부 반응하여 코발트 화합물들이 생성되고 이들의 휘발성은 낮은 것으로 판단되었다.As shown in Fig. 16, among the various active species in the plasma in the C 2 H 5 OH/Ar mixed gas, the intensity was high in the order of [H], [C], [O], [OH], and [CH], and the intensity of each active species gradually decreased as the C 2 H 5 OH concentration increased. In addition, it was determined that the plasma density of the mixed gas decreased as the C 2 H 5 OH concentration increased and the Ar concentration decreased. In conclusion, it was determined that each active species in the plasma partially reacted with the cobalt thin film to generate cobalt compounds and that the volatility of these was low.
<실험예 11 : 식각 가스 중 C<Experimental Example 11: C in etching gas 22 HH 55 OH와 Ar의 혼합 비율에 따른 XPS 분석>XPS analysis according to the mixing ratio of OH and Ar>
식각 가스 중 C2H5OH와 Ar의 혼합 비율에 따른 코발트 박막의 화학적 반응 여부를 알아보기 위하여 식각전의 코발트 박막(Before etching), 실시예 1 내지 4에서 식각된 코발트 박막의 표면에 대한 XPS(Xray Photoelectron spectroscopy, ThermoScientific K-alpha)을 분석하고, 그 결과를 도 17에 나타내었다. 이때, 도 17(a)는 Co 2p이고, 도 17(b)는 O 1s이며, 도 17(c)는 C 1s를 나타내었다. In order to determine whether there is a chemical reaction of the cobalt thin film according to the mixing ratio of C 2 H 5 OH and Ar in the etching gas, XPS (Xray Photoelectron spectroscopy, ThermoScientific K-alpha) was analyzed on the surfaces of the cobalt thin films before etching (Before etching) and the cobalt thin films etched in Examples 1 to 4, and the results are shown in Fig. 17. At this time, Fig. 17(a) shows Co 2p, Fig. 17(b) shows O 1s, and Fig. 17(c) shows C 1s.
도 17(a)에 나타난 바와 같이, Co 2p peak에 대한 narrow scan 결과를 살펴보면 식각 전의 코발트 박막의 표면이 일부 CoO로 산화되어 있으며, C2H5OH 가스로 식각한 후에는 코발 박막의 표면에서 CoO 와 Co(OH)2 화합물이 생성된 것으로 판단되었다. 그러나 C2H5OH 농도가 증가함에 따른 코발트 화합물의 양은 큰 변화가 관찰되지 않았다. As shown in Fig. 17(a), when examining the narrow scan results for the Co 2p peak, it was determined that the surface of the cobalt thin film before etching was partially oxidized to CoO, and that CoO and Co(OH) 2 compounds were generated on the surface of the cobalt thin film after etching with C 2 H 5 OH gas. However, no significant change was observed in the amount of cobalt compounds as the C 2 H 5 OH concentration increased.
도 17(b)에 나타난 바와 같이, O 1s peak의 narrow scan들에서는 식각 전의 코발트 박막 표면에서 코발트 산화물이 관찰되지 않았으며, 25 vol% C2H5OH/Ar 식각 가스에서 식각한 코발트 박막(실시예 4)에서는 Co3O4와 CoO의 코발트 산화물 그리고 Co(OH)2의 코발트 수산화물의 생성이 확인되었다. 또한, C2H5OH 농도가 증가함에 따라서 CoOx 산화물은 다소 감소한 반면에 Co(OH)2는 다소 증가한 것으로 관찰되었다. As shown in Fig. 17(b), no cobalt oxide was observed on the surface of the cobalt thin film before etching in the narrow scans of the O 1s peak, whereas the formation of cobalt oxides of Co 3 O 4 and CoO and cobalt hydroxide of Co(OH) 2 was confirmed in the cobalt thin film etched in 25 vol% C 2 H 5 OH/Ar etching gas (Example 4). In addition, it was observed that CoO x oxide slightly decreased while Co(OH) 2 slightly increased as the C 2 H 5 OH concentration increased.
최종적으로 도 17(c)는 C 1s peak의 narrow scan들을 보여주는 그래프로서 코발트 박막이 C2H5OH/Ar 가스로 식각되면, 코발트 박막의 표면에 C-H 또는 C-C를 포함하는 탄화물이 생성이 되는 것이 관찰되었다. 이는 코발트 박막의 식각속도를 감소시키는 원인이 되지만, 식각되는 박막의 측면에 일종의 보호막을 형성하여 수직적인 이방성 식각을 증대시켜서 식각경사가 증가하는 요인이 되는 것으로 파악되었다. Co 2p와 O 1s의 narrow scan의 결과로부터 C2H5OH의 식각 조건에서는 CoOx와 Co(OH)2이 생성되어 식각 후에 식각 재증착물이 감소한 이유라고 판단되었다.Finally, Fig. 17(c) is a graph showing narrow scans of the C 1s peak. It was observed that when the cobalt thin film is etched with C 2 H 5 OH/Ar gas, carbides containing CH or CC are generated on the surface of the cobalt thin film. Although this causes a decrease in the etching rate of the cobalt thin film, it forms a kind of protective film on the side of the thin film being etched, which increases the vertical anisotropic etching and is a factor that increases the etching slope. From the results of the narrow scans of Co 2p and O 1s, it was determined that CoO x and Co(OH) 2 were generated under the etching conditions of C 2 H 5 OH, which is the reason why the etching redeposition decreased after etching.
<실험예 12 : 식각 가스 중 C<Experimental Example 12: C in etching gas 22 HH 55 OH와 Ar의 혼합 비율에 따른 식각 프로파일 측정>Etching profile measurement according to the mixing ratio of OH and Ar>
식각 가스 중 C2H5OH와 Ar의 혼합 비율에 따른 식각 프로파일을 측정하기 위해 실시예 2 내지 4에서 식각된 코발트 박막에서 SiO2 하드 마스크를 C2F6/Ar 가스를 이용하여 제거한 다음, SEM을 통해 측정하고 그 결과를 도 18에 나타내었다. 이때, 도 18(a)는 실시예 4에서 식각된 코발트 박막의 식각 프로파일이고, 도 18(b)는 실시예 3에서 식각된 코발트 박막의 식각 프로파일이며, 도 18(c)는 실시예 2에서 식각된 코발트 박막의 식각 프로파일이다.In order to measure the etching profile according to the mixing ratio of C 2 H 5 OH and Ar in the etching gas, the SiO 2 hard mask was removed from the cobalt thin films etched in Examples 2 to 4 using C 2 F 6 /Ar gas, and then measured using SEM. The results are shown in Fig. 18. At this time, Fig. 18(a) is the etching profile of the cobalt thin film etched in Example 4, Fig. 18(b) is the etching profile of the cobalt thin film etched in Example 3, and Fig. 18(c) is the etching profile of the cobalt thin film etched in Example 2.
도 18에 나타난 바와 같이, 실시예 4에서 식각된 코발트 박막의 측면은 거칠고 식각 경사도가 약 60°인 것으로 나타났고, 실시예 3에서 식각된 코발트 박막의 식각 경사도는 약 65°인 것으로 나타났으며, 실시예 2에서 식각된 코발트 박막의 측면은 부드러우면서 식각 경사도가 약 77°인 것으로 나타났다. As shown in Fig. 18, the side surface of the cobalt thin film etched in Example 4 was rough and had an etching inclination of about 60°, the side surface of the cobalt thin film etched in Example 3 was found to have an etching inclination of about 65°, and the side surface of the cobalt thin film etched in Example 2 was found to have a smooth etching inclination of about 77°.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 도면에 예시된 것에 한정되는 것은 아니며, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.The specific parts of the present invention have been described in detail above, but are not limited to those illustrated in the drawings. It will be apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (11)
(b) 알코올 가스; 알코올 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스 및 산화성 가스가 함유된 혼합가스; 알코올 가스, 산화성 가스 및 불활성 가스가 함유된 혼합가스로 구성된 군에서 선택된 식각 가스를 플라즈마화하는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계에서 생성된 플라즈마를 이용하여 (a) 단계에서 마스킹된 코발트 박막을 식각하는 단계를 포함하되,
상기 (b) 단계의 플라즈마화는 0.13 Pa ~ 1.3 Pa의 공정 압력으로 가스를 주입하고, 300 W ~ 700 W의 코일 고주파 전력(ICP rf power), 200 V ~ 400 V의 dc-bias 전압을 인가하여 수행하며,
상기 (c) 단계의 식각은 유도결합플라즈마 반응성 이온식각법을 포함하는 고밀도 플라즈마 반응성 이온식각법, 자기증강반응성 이온식각법, 반응성 이온 식각법, 증기 식각법(vapor etching), 원자층 식각법(atomic layer etching) 및 펄스 모듈레이트된(pulse-modulated) 고밀도 플라즈마 반응성 이온 식각법으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
(a) a step of patterning a cobalt thin film with a hard mask and masking it by etching;
(b) a step of plasma-forming an etching gas selected from the group consisting of alcohol gas; a mixed gas containing alcohol gas and an inert gas; a mixed gas containing alcohol gas and an oxidizing gas; and a mixed gas containing alcohol gas, an oxidizing gas, and an inert gas; and
(c) a step of etching the cobalt thin film masked in step (a) using the plasma generated in step (b),
The plasma generation in the above step (b) is performed by injecting gas at a process pressure of 0.13 Pa to 1.3 Pa, applying a coil high-frequency power (ICP rf power) of 300 W to 700 W, and a dc-bias voltage of 200 V to 400 V.
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that the etching of the step (c) is performed by one method selected from the group consisting of high-density plasma reactive ion etching including inductively coupled plasma reactive ion etching, self-enhanced reactive ion etching, reactive ion etching, vapor etching, atomic layer etching, and pulse-modulated high-density plasma reactive ion etching.
상기 하드 마스크에 대한 코발트 박막의 식각 선택도는 0.4 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
In the first paragraph,
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that the etching selectivity of the cobalt thin film with respect to the hard mask is 0.4 to 1.5.
상기 불활성 가스는 He, Ne, Ar 및 N2로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
In the first paragraph,
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that the above inert gas is at least one selected from the group consisting of He, Ne, Ar, and N 2.
상기 산화성 가스는 산소, 오존, 라디칼 산소 및 수증기로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
In the first paragraph,
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that the oxidizing gas is at least one selected from the group consisting of oxygen, ozone, radical oxygen, and water vapor.
상기 하드 마스크는 산화규소(SiO2), Si3N4, TiO2, TiN, Ti, Ta, W, Cr 및 카본(C)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
In the first paragraph,
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that the hard mask is at least one selected from the group consisting of silicon oxide (SiO 2 ), Si 3 N 4 , TiO 2 , TiN, Ti, Ta, W, Cr, and carbon (C).
상기 (b) 단계의 식각 가스는 식각 가스 총 부피에 대하여, 알코올 가스 50 vol% ~ 100 vol%를 포함하는 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
In the first paragraph,
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that the etching gas of the step (b) contains 50 vol% to 100 vol% of alcohol gas with respect to the total volume of the etching gas.
상기 (b) 단계의 산화성 가스가 함유된 혼합가스는 혼합가스 총 부피에 대하여, 산화성 가스 10 vol% ~ 20 vol%를 함유하는 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
In the first paragraph,
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that the mixed gas containing the oxidizing gas of step (b) contains 10 vol% to 20 vol% of the oxidizing gas based on the total volume of the mixed gas.
상기 (c) 단계 후, 암모니아수, 과산화수소 및 물이 함유된 혼합 용액을 이용하여 식각된 잔류물을 제거하는 후처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코발트 박막의 식각방법.
In the first paragraph,
A method for etching a cobalt thin film, characterized in that it further comprises a post-treatment step of removing etched residue using a mixed solution containing ammonia water, hydrogen peroxide, and water after the step (c) above.
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