專利名稱：蝕刻方法和蝕刻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蝕刻方法和蝕刻裝置。
背景技術(shù)：
近年來，半導(dǎo)體集成電路裝置的運(yùn)行高速化在不斷發(fā)展。運(yùn)行的高速化是由配線材料的低電阻化等來實(shí)現(xiàn)的。因此，作為配線材料，已逐漸使用電阻更低的銅來替代以往的招。但是，在銅的加工中難以借用現(xiàn)有的干式蝕刻技術(shù)。這是由于蝕刻時(shí)形成的銅的化合物通常蒸氣壓低，難以蒸發(fā)。在過去雖然嘗試了 Ar濺射法、Cl氣RIE法等，但由于銅附著于腔內(nèi)壁等問題而未能實(shí)用化。因此，專門通過金屬鑲嵌法來形成使用銅的配線。金屬鑲嵌法是預(yù)先將與配線圖案相應(yīng)的槽形成在層間絕緣膜上，以掩埋該槽的方式形成銅薄膜，利用CMP法化學(xué)機(jī)械研磨銅薄膜，僅在槽的內(nèi)部殘留銅的金屬。另外，也有使用氯化鐵水溶液來濕式蝕刻銅的技術(shù)，其仍是各向同性的蝕刻。此外，在專利文獻(xiàn)I中記載了使用了有機(jī)化合物氣體的干式洗滌方法。在該專利文獻(xiàn)I中記載了使用有機(jī)化合物氣體來蝕刻形成在銅表面上的薄氧化銅的技術(shù)。在專利文獻(xiàn)I中，使用有機(jī)化合物氣體，例如甲酸氣體(HCOOH)來蝕刻氧化銅。反應(yīng)式如下。Cu2O + 2HC00H — 2Cu (HCOO) + H2O`
· Cu (HCOO)為揮發(fā)性但是，專利文獻(xiàn)I是對形成在銅表面上的氧化銅進(jìn)行蝕刻的技術(shù)，蝕刻的原理也是各向同性地蝕刻薄氧化銅整體。專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-43975號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，雖然存在各向同性地蝕刻銅的技術(shù)，但各向異性地蝕刻銅的技術(shù)還未
被確立。本發(fā)明的目的在于提供一種能夠各向異性地蝕刻銅的蝕刻方法和蝕刻裝置。根據(jù)本發(fā)明的第I觀點(diǎn)，提供一種蝕刻方法，其具備將表面上形成有掩模材料的銅膜的周圍設(shè)為有機(jī)化合物氣體氣氛的工序；在上述有機(jī)化合物氣體氣氛中，將上述掩模材料作為掩模，對上述銅膜照射氧離子而各向異性蝕刻上述銅膜的工序。根據(jù)本發(fā)明的第2觀點(diǎn)，提供一種蝕刻裝置，其具備產(chǎn)生氧離子的離子源室；使上述產(chǎn)生的氧離子加速的加速室；載置具備銅膜和形成在上述銅膜上的掩模材料的被處理體，對該被處理體照射上述加速的氧離子的照射室；以及向上述照射室供給有機(jī)化合物氣體的有機(jī)化合物氣體供給源；并且，其構(gòu)成為一邊將上述有機(jī)化合物氣體供給至上述照射室，一邊對上述被處理體照射上述加速的氧離子。


圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻裝置的一個(gè)例子的截面圖。圖2A是用于說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻方法的工序的半導(dǎo)體晶片截面圖。圖2B是用于說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻方法的工序的半導(dǎo)體晶片截面圖。圖2C是用于說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻方法的工序的半導(dǎo)體晶片截面圖。圖2D是用于說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻方法的工序的半導(dǎo)體晶片截面圖。圖2E是用于說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻方法的工序的半導(dǎo)體晶片截面圖。圖2F是用于說明本發(fā) 明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻方法的工序的半導(dǎo)體晶片截面圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖來說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。應(yīng)予說明，所有附圖中，對共同的部分標(biāo)注相同的參照符號。(裝置構(gòu)成)圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式涉及的蝕刻裝置的一個(gè)例子的截面圖。如圖1所示，蝕刻裝置I是將形成在被處理體上的銅膜各向異性地蝕刻的裝置，具備離子源室2、加速室3、照射室4。具備實(shí)施蝕刻處理的銅膜的被處理體被載置于配置在照射室4中且兼作載置臺(tái)的載臺(tái)加熱器5上。被處理體的一個(gè)例子是半導(dǎo)體晶片W。離子源室2產(chǎn)生氧離子6。氧離子6是如下產(chǎn)生的，S卩，通過向可從氧氣供給源7供給氧氣8的容器例如石英管9，供給氧氣8，使用RF電源10對供給了氧氣8的石英管9施加交流電場，使供給的氧電離成0 +、O2+、02+、O22+等而產(chǎn)生。通過加速電壓電源11，使RF電源10相對于接地電位成為正電位。將氧離子6通過控制成低于RF電源10的電位的引出電極12而從石英管9引出，介由具有小孔13的窗14注入加速室3。對于氧離子6的產(chǎn)生方式，除上述之外，還可以是在可供給氧氣8的容器中使電流流通于在鎢上涂覆有氧化物的絲或反應(yīng)性小的錸線絲，向其供給氧氣8，在絲表面進(jìn)行電離的方式。需要從離子源室2使氧氣8持續(xù)地漏出，將其通過不同于其它室的泵(TMP) 15來保持為真空。在加速室3中配置有電子透鏡16。在電子透鏡16的中心部開有供氧離子6通過的孔。將加速室3通過不同于離子源室2和照射室4的泵(TMP)17來保持為真空。將加速室3中加速的氧離子6介由設(shè)置在加速室3與照射室4之間且具有小孔18的窗19注入到照射室4。注入到照射室4中的氧離子6的離子束因施加在偏轉(zhuǎn)板20上的電場進(jìn)行掃描，對半導(dǎo)體晶片W的所需的位置進(jìn)行照射。對于氧離子6的離子束，為了維持晶片面內(nèi)的均勻性，優(yōu)選通過計(jì)算機(jī)控制而在晶片面內(nèi)進(jìn)行掃描。另外，因照射角度偏離90度而各向異性蝕刻產(chǎn)生問題時(shí)，可以不使氧離子6的離子束進(jìn)行掃描，而如圖中的箭頭所示，使載臺(tái)加熱器(載置臺(tái))5沿著X方向和Y方向水平移動(dòng)。例如，使氧離子6的離子束的相對于半導(dǎo)體晶片W的表面的照射角度為90度的狀態(tài)下，使載臺(tái)加熱器5沿著水平方向移動(dòng)。通過具備該構(gòu)成，能夠抑制因照射角度而對掩模材料下的銅膜部分沿著傾斜方向進(jìn)行蝕刻。在照射室4中，從有機(jī)化合物氣體供給源21供給有機(jī)化合物氣體。有機(jī)化合物氣體的一個(gè)例子是含有羧酸的有機(jī)酸氣體22。有機(jī)化合物氣體為含有羧酸的有機(jī)酸氣體22時(shí)，有機(jī)化合物氣體供給源21包括使屬于液體的含有羧酸的有機(jī)酸進(jìn)行汽化的裝置。照射室4內(nèi)的壓力通過自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置(APC) 23和泵(TMP) 24進(jìn)行調(diào)節(jié)。照射室4內(nèi)的有機(jī)酸氣體22的壓力高時(shí)，預(yù)計(jì)銅膜的各向異性的蝕刻的速度增大。但是，在本例中，認(rèn)為氧離子6的氧注入量決定銅膜的各向異性的蝕刻的速度，所以照射室4內(nèi)的有機(jī)酸氣體22無需過大的壓力。另外，如果有機(jī)酸氣體22的壓力高，則與注入的氧離子6的碰撞頻率增加。從該觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選照射室4內(nèi)的有機(jī)酸氣體22的壓力低。優(yōu)選的照射室4內(nèi)的壓力范圍為IOOOPa 30000Pa。另外，在照射室4中將供給有機(jī)酸氣體22。為了盡量防止有機(jī)酸氣體22向加速室3逆流，在本例中，在加速室3與照射室4之間用具有小孔18的窗19分割，進(jìn)行差動(dòng)排氣。SP，將加速室3內(nèi)的壓力設(shè)定為高于照射室4內(nèi)的壓力。由此，能夠抑制有機(jī)酸氣體22向加速室3逆流。另外，向照射室4照射的氧離子6有可能與有機(jī)酸氣體22碰撞。如果因氧離子6與有機(jī)酸氣體22的碰撞而生成的離子中的負(fù)離子漏出至加速室3，則其進(jìn)行加速而朝向離子源室2行進(jìn)，有可能 與石英管9、引出電極12碰撞。因此，如本例所述，將離子源室2與加速室3之間、加速室3與照射室4之間用具有小孔13的窗14和具有小孔18的窗19分割，則能夠得到可抑制上述負(fù)離子向與正離子相反的方向移動(dòng)這樣的優(yōu)點(diǎn)。另外，在通常的離子照射裝置中，從石英管9中，即從由離子源生成的各種離子中僅選取特定的離子。其采用以下的方法使用由磁場和電場構(gòu)成的維納濾波器，由電荷與質(zhì)量的比來選擇離子。但是，在本例中，并不進(jìn)行僅選取特定的離子這樣的過濾。而是積極地使用所有產(chǎn)生的氧離子，即，不僅使用0 +，還使用O2+、O2+。由此，對銅膜的氧化深度帶來變化(variation)。O2 +由于電荷為2倍，因此動(dòng)能為2倍，與O+相比，在銅膜的更深的位置處停止，參加氧化。O2 +由于質(zhì)量為2倍，所以在銅膜的表面碰撞而分離為2個(gè)時(shí)每個(gè)的動(dòng)能為1/2，所以在比O +淺的位置處停止，參加氧化。O22 +的質(zhì)量/電荷比與O+相同，所以認(rèn)為呈與O+相同的舉動(dòng)，因此并不需要選擇除去。如此地，通過對銅膜照射所有產(chǎn)生的氧離子、即O +以及O2+、O2+，能夠?qū)︺~膜的氧化進(jìn)行變化，特別是能夠?qū)~膜沿著深度方向深度氧化且能夠進(jìn)行有效的氧化。半導(dǎo)體晶片W的溫度通過載臺(tái)加熱器5進(jìn)行控制。雖然對于銅膜的氧化而言無需通過載臺(tái)加熱器5進(jìn)行溫度控制，但為了利用有機(jī)酸氣體除去氧化銅，優(yōu)選將半導(dǎo)體晶片W的溫度通過載臺(tái)加熱器5例如維持在100°C 250°C之間，通過這樣控制半導(dǎo)體晶片W的溫度，能夠促進(jìn)被氧離子6所氧化的銅與有機(jī)酸氣體22的反應(yīng)。例如，含有羧酸的有機(jī)酸氣體例如為甲酸氣體(HCOOH)時(shí)，將促進(jìn)下述反應(yīng)。Cu2O + 2HC00H — 2Cu (HCOO) + H2O· Cu (HCOO)為揮發(fā)性另外，由于氧離子6帶正電，在銅膜和形成在銅膜上的掩模材料的表面進(jìn)行碰撞時(shí)產(chǎn)生二次電子。因此，銅膜和掩模材料的表面帶正電。銅膜和掩模材料的帶電產(chǎn)生靜電力，排斥屬于正電荷粒子的氧離子6。為了各向異性地氧化銅膜，與氧離子6的橫向的運(yùn)動(dòng)相比，需要增加縱向的運(yùn)動(dòng)。因此，需要防止這種使縱向的動(dòng)能減少的銅膜和掩模材料的帶電。另外，如果銅膜和掩模材料帶電，則在利用偏轉(zhuǎn)板20使氧離子6的離子束進(jìn)行掃描時(shí)，氧離子6的離子束有可能向異常的方向彎曲。為了防止銅膜和掩模材料帶電，優(yōu)選另外設(shè)置除電機(jī)構(gòu)。作為除電機(jī)構(gòu)的一個(gè)例子，只要將一端接地的小的除電用電極25例如與安裝在載臺(tái)加熱器5上且形成有銅膜的半導(dǎo)體晶片的邊緣等接觸即可。(電源構(gòu)成)接下來，說明蝕刻裝置I的電源構(gòu)成。離子源室2的側(cè)壁優(yōu)選由強(qiáng)度高的部件，例如不銹鋼或杜拉鋁構(gòu)成，為了安全而進(jìn)行電接地。RF電源10與設(shè)置在離子源室2上的平板型的電極相連，使石英管9內(nèi)的氧氣分子電離。RF電源10和平板型的 電極通過加速電壓電源11維持在相對于接地電位為正的電壓。加速室3的側(cè)壁優(yōu)選與離子源室2同樣地由強(qiáng)度高的部件，例如不銹鋼或杜拉鋁構(gòu)成，為了安全而進(jìn)行電接地。在加速室3中設(shè)置有電子透鏡16。在本例中具備4片電子透鏡16。各電子透鏡16朝向照射室4電位緩慢降低。為了實(shí)現(xiàn)其，在各電子透鏡16的電極間使用高電阻型，例如水泥電阻r來流通微弱的電流。通過流過水泥電阻r的電流，分別在各電子透鏡16的電極間生成使電壓下降的量的電位差，各電子透鏡16的電極的電位朝向照射室4其電位緩慢下降。另外，最接近離子源室2的電子透鏡16介由水泥電阻r與引出電極12連接，引出電極12進(jìn)一步介由水泥電阻r與RF電源10連接。由此，構(gòu)成為電位按照RF電源10、引出電極12、最接近離子源室2的電子透鏡16的順序緩慢降低。在各電子透鏡16的電極間，與電極平行地產(chǎn)生等電位面，但在中心的孔中等電位面滲漏。由此，發(fā)散的氧離子6通過彎曲的等電位面會(huì)聚，不斷通過中心的孔。在加速室3中加速的離子通過窗19的小孔18照射到照射室4。照射室4的側(cè)壁也優(yōu)選由強(qiáng)度高的部件，例如不銹鋼或杜拉鋁構(gòu)成，為了安全而進(jìn)行電接地。為了維護(hù)而需要清洗照射室4的內(nèi)壁時(shí)，從實(shí)用性角度出發(fā)，還可以用耐化學(xué)試劑性的某種貴金屬涂覆內(nèi)壁。另外，通過將照射室4的側(cè)壁接地，從而能夠降低因氧離子6與有機(jī)酸氣體22的碰撞而產(chǎn)生的負(fù)離子被引入加速室3的可能性。
(蝕刻方法)接下來，說明使用蝕刻裝置I的銅膜各向異性蝕刻方法的一個(gè)例子。首先，利用泵15、17對離子源室2、加速室3進(jìn)行排氣，將離子源室2、加速室3的內(nèi)部維持為真空。其次，由于離子源從啟動(dòng)至穩(wěn)定需要時(shí)間，所以預(yù)先進(jìn)行啟動(dòng)。S卩，向石英管9供給氧氣8，使用RF電源10對供給有氧氣8的石英管9施加交流電場。接下來，打開照射室4的閘閥26，將在表面上形成有銅膜和掩模材料的半導(dǎo)體晶片W使用搬運(yùn)裝置(未圖示)搬運(yùn)至照射室4的內(nèi)部，載置在載臺(tái)加熱器5上，使用機(jī)械卡盤機(jī)構(gòu)(未圖示)進(jìn)行固定。為了防止氧離子照射時(shí)帶電，使除電用電極25與半導(dǎo)體晶片的邊緣接觸。其后，關(guān)閉閘閥26，利用泵24對照射室4進(jìn)行排氣。照射室4內(nèi)的真空度成為充分的值后，利用有機(jī)化合物氣體供給源21生成有機(jī)化合物氣體，在本例中為有機(jī)酸氣體22，向照射室4內(nèi)供給。至此為止，通過使用閥27堵塞設(shè)置在窗19上的小孔18而攔截氧離子6的離子束，或?qū)ζD(zhuǎn)板20施加充分的電壓，使氧離子6的離子束偏向半導(dǎo)體晶片W的外側(cè)。如果在該偏向的位置預(yù)先設(shè)置離子束電流計(jì)28，則也能夠測定離子束電流的量和穩(wěn)定度。其后，開始銅膜的各向異性蝕刻。接著，參照半導(dǎo)體晶片的截面例，對銅膜的各向異性蝕刻進(jìn)行說明。圖2A 圖2F是 為了說明上述銅膜各向異性蝕刻方法的工序而擴(kuò)大地表示半導(dǎo)體晶片的一部分的截面圖。在圖2A中示出了擴(kuò)大地表示搬運(yùn)至照射室4內(nèi)的半導(dǎo)體晶片W的一部分的截面。如圖2A所示，在半導(dǎo)體晶片W上形成有防止銅擴(kuò)散的阻擋金屬膜100，在阻擋金屬膜100上形成有銅膜101。在銅膜101上形成有掩模材料102。掩模材料102具有不使氧離子6到達(dá)銅膜101的方式遮擋氧離子6的作用。因此，要求掩模材料102原子量大且厚。如果可能，則優(yōu)選原子量大于銅(Cu :原子量63. 546)且密度高的材料。掩模材料102的膜厚設(shè)定成氧離子6不能到達(dá)銅膜101的厚度。越是原子量大且密度高的材料，掩模材料102的膜厚越可以制薄。接下來，向照射室4內(nèi)供給有機(jī)酸氣體22，同時(shí)控制施加在偏轉(zhuǎn)板20上的電壓，將氧離子6的離子束掃描到半導(dǎo)體晶片W上。氧離子6的打入角度由偏轉(zhuǎn)板20與照射位置所決定。因此，在偏轉(zhuǎn)板20與半導(dǎo)體晶片W之間需要保持充分的距離。圖2B 圖2E中示出了在有機(jī)酸氣體22的氣氛中被氧離子6照射的銅膜101的變化情況。如圖2B所示，被氧離子6照射的銅膜101的表面部分被氧化而變成氧化銅103。但是，由于周圍的氣氛為有機(jī)酸氣體22，例如為甲酸氣體，所以如圖2C所示，形成在表面部分的氧化銅103瞬間轉(zhuǎn)化成Cu (HCOO)和H2O而升華。由于氧化銅103升華，所以在銅膜101的表面部分將露出銅。但是，由于持續(xù)照射氧離子6，所以如圖2D所示，表面部分再次變成氧化銅103。但是，周圍的氣氛持續(xù)為有機(jī)酸氣體22，所以如圖2E所示，形成在表面部分的氧化銅103再次瞬間轉(zhuǎn)化成Cu (HCOO)和H2O而升華。這種現(xiàn)象在有機(jī)酸氣體22的氣氛中持續(xù)照射氧離子6期間連續(xù)發(fā)生。由于這種現(xiàn)象，如圖2F所示，最終銅膜101被各向異性地蝕刻。應(yīng)予說明，為了減少阻擋金屬膜100的損傷，也可以在銅膜101的各向異性的蝕刻要結(jié)束前減弱加速電壓。如此地，根據(jù)上述一個(gè)實(shí)施方式，能夠?qū)~各向異性地蝕刻。上述實(shí)施方式對形成銅配線的技術(shù)有效，例如，能夠用于以下用途?！ぐ雽?dǎo)體集成電路裝置的Cu配線形成工藝·使晶片與晶片貼合的3D工藝的凸塊和配線(其它應(yīng)用)在上面根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于一個(gè)實(shí)施方式，可以進(jìn)行各種變形。例如，在上述一個(gè)實(shí)施方式中，示出了作為有機(jī)化合物氣體使用有機(jī)酸氣體，特別是甲酸氣體的例子，但有機(jī)化合物氣體不限于甲酸氣體，可以使用如下所述的甲酸氣體以外的有機(jī)化合物氣體。·可適用于本發(fā)明的其它有機(jī)化合物氣體作為其它有機(jī)化合物氣體的例子，可舉出具有羧基(-C00H)的羧酸。作為上述羧酸的例子，可舉出由以下通式表示的羧酸。R6-COOH(R6為氧、或直鏈或支鏈狀的C1 C2tl的燒基或稀基，優(yōu)選為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基)作為由上述通式表示的羧酸的例子，可舉出甲酸(HCOOH)乙酸(CH3COOH)丙酸(CH3CH2COOH)丁酸(CH3 (CH2)2COOH)戊酸(CH3(CH2) 3C00H)。

符號說明6…氧離子、22···有機(jī)酸氣體、101···銅膜、102…掩模材料
權(quán)利要求
1.一種蝕刻方法，其特征在于，具備 將表面形成有掩模材料的銅膜的周圍設(shè)為有機(jī)化合物氣體氣氛的工序，和在所述有機(jī)化合物氣體氣氛中，將所述掩模材料用作掩模，對所述銅膜照射氧離子而各向異性蝕刻所述銅膜的工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蝕刻方法，其中，所述氧離子包含O2以下的分子量的離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蝕刻方法，其中，所述有機(jī)化合物氣體為具有羧基即-COOH的羧酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蝕刻方法，其中，所述羧酸是由下述(I)式表示的羧酸， R3-COOH…(I) R3為氫、或直鏈或支鏈狀的C1 C2tl的烷基或烯基。
5.一種蝕刻裝置，其特征在于，具備 產(chǎn)生氧離子的離子源室， 使所述產(chǎn)生的氧離子加速的加速室， 載置具備銅膜和形成在所述銅膜上的掩模材料的被處理體，對該被處理體照射所述加速的氧離子的照射室，以及 向所述照射室供給有機(jī)化合物氣體的有機(jī)化合物氣體供給源； 并且，其構(gòu)成為一邊將所述有機(jī)化合物氣體供給至所述照射室，一邊對所述被處理體照射所述加速的氧離子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蝕刻裝置，其中，所述加速室與所述照射室之間利用具有孔的窗分割。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蝕刻裝置，其中，在向所述被處理體照射所述加速的氧離子期間，所述加速室的壓力高于所述照射室的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蝕刻裝置，其中，具備載置所述被處理體的載置臺(tái)， 在所述載置臺(tái)進(jìn)一步具備在向所述被處理體照射所述加速的氧離子期間對所述銅膜和形成在所述銅膜上的掩模材料進(jìn)行除電的除電機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明具備將表面上形成有掩模材料(102)的銅膜(101)的周圍設(shè)為有機(jī)化合物氣體(22)氣氛的工序和在有機(jī)化合物氣體(22)氣氛中，將掩模材料(102)作為掩模，對銅膜(101)照射氧離子(6)而各向異性蝕刻銅膜(101)的工序。
文檔編號H01L21/302GK103069547SQ201180041358
公開日2013年4月24日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者原謙一, 早川崇 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社