专利名称：蚀刻方法和蚀刻装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蚀刻方法和蚀刻装置。
背景技术：
近年来，半导体集成电路装置的运行高速化在不断发展。运行的高速化是由配线材料的低电阻化等来实现的。因此，作为配线材料，已逐渐使用电阻更低的铜来替代以往的招。但是，在铜的加工中难以借用现有的干式蚀刻技术。这是由于蚀刻时形成的铜的化合物通常蒸气压低，难以蒸发。在过去虽然尝试了 Ar溅射法、Cl气RIE法等，但由于铜附着于腔内壁等问题而未能实用化。因此，专门通过金属镶嵌法来形成使用铜的配线。金属镶嵌法是预先将与配线图案相应的槽形成在层间绝缘膜上，以掩埋该槽的方式形成铜薄膜，利用CMP法化学机械研磨铜薄膜，仅在槽的内部残留铜的金属。另外，也有使用氯化铁水溶液来湿式蚀刻铜的技术，其仍是各向同性的蚀刻。此外，在专利文献I中记载了使用了有机化合物气体的干式洗涤方法。在该专利文献I中记载了使用有机化合物气体来蚀刻形成在铜表面上的薄氧化铜的技术。在专利文献I中，使用有机化合物气体，例如甲酸气体(HCOOH)来蚀刻氧化铜。反应式如下。Cu2O + 2HC00H — 2Cu (HCOO) + H2O`
· Cu (HCOO)为挥发性但是，专利文献I是对形成在铜表面上的氧化铜进行蚀刻的技术，蚀刻的原理也是各向同性地蚀刻薄氧化铜整体。专利文献1:日本特开2009-43975号公报
发明内容
如上所述，虽然存在各向同性地蚀刻铜的技术，但各向异性地蚀刻铜的技术还未
被确立。本发明的目的在于提供一种能够各向异性地蚀刻铜的蚀刻方法和蚀刻装置。根据本发明的第I观点，提供一种蚀刻方法，其具备将表面上形成有掩模材料的铜膜的周围设为有机化合物气体气氛的工序；在上述有机化合物气体气氛中，将上述掩模材料作为掩模，对上述铜膜照射氧离子而各向异性蚀刻上述铜膜的工序。根据本发明的第2观点，提供一种蚀刻装置，其具备产生氧离子的离子源室；使上述产生的氧离子加速的加速室；载置具备铜膜和形成在上述铜膜上的掩模材料的被处理体，对该被处理体照射上述加速的氧离子的照射室；以及向上述照射室供给有机化合物气体的有机化合物气体供给源；并且，其构成为一边将上述有机化合物气体供给至上述照射室，一边对上述被处理体照射上述加速的氧离子。
图1是表示本发明一个实施方式涉及的蚀刻装置的一个例子的截面图。图2A是用于说明本发明一个实施方式涉及的蚀刻方法的工序的半导体晶片截面图。图2B是用于说明本发明一个实施方式涉及的蚀刻方法的工序的半导体晶片截面图。图2C是用于说明本发明一个实施方式涉及的蚀刻方法的工序的半导体晶片截面图。图2D是用于说明本发明一个实施方式涉及的蚀刻方法的工序的半导体晶片截面图。图2E是用于说明本发明一个实施方式涉及的蚀刻方法的工序的半导体晶片截面图。图2F是用于说明本发 明一个实施方式涉及的蚀刻方法的工序的半导体晶片截面图。
具体实施例方式以下，参照附图来说明本发明的一个实施方式。应予说明，所有附图中，对共同的部分标注相同的参照符号。(装置构成)图1是表示本发明一个实施方式涉及的蚀刻装置的一个例子的截面图。如图1所示，蚀刻装置I是将形成在被处理体上的铜膜各向异性地蚀刻的装置，具备离子源室2、加速室3、照射室4。具备实施蚀刻处理的铜膜的被处理体被载置于配置在照射室4中且兼作载置台的载台加热器5上。被处理体的一个例子是半导体晶片W。离子源室2产生氧离子6。氧离子6是如下产生的，S卩，通过向可从氧气供给源7供给氧气8的容器例如石英管9，供给氧气8，使用RF电源10对供给了氧气8的石英管9施加交流电场，使供给的氧电离成0 +、O2+、02+、O22+等而产生。通过加速电压电源11，使RF电源10相对于接地电位成为正电位。将氧离子6通过控制成低于RF电源10的电位的引出电极12而从石英管9引出，介由具有小孔13的窗14注入加速室3。对于氧离子6的产生方式，除上述之外，还可以是在可供给氧气8的容器中使电流流通于在钨上涂覆有氧化物的丝或反应性小的铼线丝，向其供给氧气8，在丝表面进行电离的方式。需要从离子源室2使氧气8持续地漏出，将其通过不同于其它室的泵(TMP) 15来保持为真空。在加速室3中配置有电子透镜16。在电子透镜16的中心部开有供氧离子6通过的孔。将加速室3通过不同于离子源室2和照射室4的泵(TMP)17来保持为真空。将加速室3中加速的氧离子6介由设置在加速室3与照射室4之间且具有小孔18的窗19注入到照射室4。注入到照射室4中的氧离子6的离子束因施加在偏转板20上的电场进行扫描，对半导体晶片W的所需的位置进行照射。对于氧离子6的离子束，为了维持晶片面内的均匀性，优选通过计算机控制而在晶片面内进行扫描。另外，因照射角度偏离90度而各向异性蚀刻产生问题时，可以不使氧离子6的离子束进行扫描，而如图中的箭头所示，使载台加热器(载置台)5沿着X方向和Y方向水平移动。例如，使氧离子6的离子束的相对于半导体晶片W的表面的照射角度为90度的状态下，使载台加热器5沿着水平方向移动。通过具备该构成，能够抑制因照射角度而对掩模材料下的铜膜部分沿着倾斜方向进行蚀刻。在照射室4中，从有机化合物气体供给源21供给有机化合物气体。有机化合物气体的一个例子是含有羧酸的有机酸气体22。有机化合物气体为含有羧酸的有机酸气体22时，有机化合物气体供给源21包括使属于液体的含有羧酸的有机酸进行汽化的装置。照射室4内的压力通过自动压力调节装置(APC) 23和泵(TMP) 24进行调节。照射室4内的有机酸气体22的压力高时，预计铜膜的各向异性的蚀刻的速度增大。但是，在本例中，认为氧离子6的氧注入量决定铜膜的各向异性的蚀刻的速度，所以照射室4内的有机酸气体22无需过大的压力。另外，如果有机酸气体22的压力高，则与注入的氧离子6的碰撞频率增加。从该观点出发，优选照射室4内的有机酸气体22的压力低。优选的照射室4内的压力范围为IOOOPa 30000Pa。另外，在照射室4中将供给有机酸气体22。为了尽量防止有机酸气体22向加速室3逆流，在本例中，在加速室3与照射室4之间用具有小孔18的窗19分割，进行差动排气。SP，将加速室3内的压力设定为高于照射室4内的压力。由此，能够抑制有机酸气体22向加速室3逆流。另外，向照射室4照射的氧离子6有可能与有机酸气体22碰撞。如果因氧离子6与有机酸气体22的碰撞而生成的离子中的负离子漏出至加速室3，则其进行加速而朝向离子源室2行进，有可能 与石英管9、引出电极12碰撞。因此，如本例所述，将离子源室2与加速室3之间、加速室3与照射室4之间用具有小孔13的窗14和具有小孔18的窗19分割，则能够得到可抑制上述负离子向与正离子相反的方向移动这样的优点。另外，在通常的离子照射装置中，从石英管9中，即从由离子源生成的各种离子中仅选取特定的离子。其采用以下的方法使用由磁场和电场构成的维纳滤波器，由电荷与质量的比来选择离子。但是，在本例中，并不进行仅选取特定的离子这样的过滤。而是积极地使用所有产生的氧离子，即，不仅使用0 +，还使用O2+、O2+。由此，对铜膜的氧化深度带来变化(variation)。O2 +由于电荷为2倍，因此动能为2倍，与O+相比，在铜膜的更深的位置处停止，参加氧化。O2 +由于质量为2倍，所以在铜膜的表面碰撞而分离为2个时每个的动能为1/2，所以在比O +浅的位置处停止，参加氧化。O22 +的质量/电荷比与O+相同，所以认为呈与O+相同的举动，因此并不需要选择除去。如此地，通过对铜膜照射所有产生的氧离子、即O +以及O2+、O2+，能够对铜膜的氧化进行变化，特别是能够将铜膜沿着深度方向深度氧化且能够进行有效的氧化。半导体晶片W的温度通过载台加热器5进行控制。虽然对于铜膜的氧化而言无需通过载台加热器5进行温度控制，但为了利用有机酸气体除去氧化铜，优选将半导体晶片W的温度通过载台加热器5例如维持在100°C 250°C之间，通过这样控制半导体晶片W的温度，能够促进被氧离子6所氧化的铜与有机酸气体22的反应。例如，含有羧酸的有机酸气体例如为甲酸气体(HCOOH)时，将促进下述反应。Cu2O + 2HC00H — 2Cu (HCOO) + H2O· Cu (HCOO)为挥发性另外，由于氧离子6带正电，在铜膜和形成在铜膜上的掩模材料的表面进行碰撞时产生二次电子。因此，铜膜和掩模材料的表面带正电。铜膜和掩模材料的带电产生静电力，排斥属于正电荷粒子的氧离子6。为了各向异性地氧化铜膜，与氧离子6的横向的运动相比，需要增加纵向的运动。因此，需要防止这种使纵向的动能减少的铜膜和掩模材料的带电。另外，如果铜膜和掩模材料带电，则在利用偏转板20使氧离子6的离子束进行扫描时，氧离子6的离子束有可能向异常的方向弯曲。为了防止铜膜和掩模材料带电，优选另外设置除电机构。作为除电机构的一个例子，只要将一端接地的小的除电用电极25例如与安装在载台加热器5上且形成有铜膜的半导体晶片的边缘等接触即可。(电源构成)接下来，说明蚀刻装置I的电源构成。离子源室2的侧壁优选由强度高的部件，例如不锈钢或杜拉铝构成，为了安全而进行电接地。RF电源10与设置在离子源室2上的平板型的电极相连，使石英管9内的氧气分子电离。RF电源10和平板型的 电极通过加速电压电源11维持在相对于接地电位为正的电压。加速室3的侧壁优选与离子源室2同样地由强度高的部件，例如不锈钢或杜拉铝构成，为了安全而进行电接地。在加速室3中设置有电子透镜16。在本例中具备4片电子透镜16。各电子透镜16朝向照射室4电位缓慢降低。为了实现其，在各电子透镜16的电极间使用高电阻型，例如水泥电阻r来流通微弱的电流。通过流过水泥电阻r的电流，分别在各电子透镜16的电极间生成使电压下降的量的电位差，各电子透镜16的电极的电位朝向照射室4其电位缓慢下降。另外，最接近离子源室2的电子透镜16介由水泥电阻r与引出电极12连接，引出电极12进一步介由水泥电阻r与RF电源10连接。由此，构成为电位按照RF电源10、引出电极12、最接近离子源室2的电子透镜16的顺序缓慢降低。在各电子透镜16的电极间，与电极平行地产生等电位面，但在中心的孔中等电位面渗漏。由此，发散的氧离子6通过弯曲的等电位面会聚，不断通过中心的孔。在加速室3中加速的离子通过窗19的小孔18照射到照射室4。照射室4的侧壁也优选由强度高的部件，例如不锈钢或杜拉铝构成，为了安全而进行电接地。为了维护而需要清洗照射室4的内壁时，从实用性角度出发，还可以用耐化学试剂性的某种贵金属涂覆内壁。另外，通过将照射室4的侧壁接地，从而能够降低因氧离子6与有机酸气体22的碰撞而产生的负离子被引入加速室3的可能性。
(蚀刻方法)接下来，说明使用蚀刻装置I的铜膜各向异性蚀刻方法的一个例子。首先，利用泵15、17对离子源室2、加速室3进行排气，将离子源室2、加速室3的内部维持为真空。其次，由于离子源从启动至稳定需要时间，所以预先进行启动。S卩，向石英管9供给氧气8，使用RF电源10对供给有氧气8的石英管9施加交流电场。接下来，打开照射室4的闸阀26，将在表面上形成有铜膜和掩模材料的半导体晶片W使用搬运装置(未图示)搬运至照射室4的内部，载置在载台加热器5上，使用机械卡盘机构(未图示)进行固定。为了防止氧离子照射时带电，使除电用电极25与半导体晶片的边缘接触。其后，关闭闸阀26，利用泵24对照射室4进行排气。照射室4内的真空度成为充分的值后，利用有机化合物气体供给源21生成有机化合物气体，在本例中为有机酸气体22，向照射室4内供给。至此为止，通过使用阀27堵塞设置在窗19上的小孔18而拦截氧离子6的离子束，或对偏转板20施加充分的电压，使氧离子6的离子束偏向半导体晶片W的外侧。如果在该偏向的位置预先设置离子束电流计28，则也能够测定离子束电流的量和稳定度。其后，开始铜膜的各向异性蚀刻。接着，参照半导体晶片的截面例，对铜膜的各向异性蚀刻进行说明。图2A 图2F是 为了说明上述铜膜各向异性蚀刻方法的工序而扩大地表示半导体晶片的一部分的截面图。在图2A中示出了扩大地表示搬运至照射室4内的半导体晶片W的一部分的截面。如图2A所示，在半导体晶片W上形成有防止铜扩散的阻挡金属膜100，在阻挡金属膜100上形成有铜膜101。在铜膜101上形成有掩模材料102。掩模材料102具有不使氧离子6到达铜膜101的方式遮挡氧离子6的作用。因此，要求掩模材料102原子量大且厚。如果可能，则优选原子量大于铜(Cu :原子量63. 546)且密度高的材料。掩模材料102的膜厚设定成氧离子6不能到达铜膜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。接下来，向照射室4内供给有机酸气体22，同时控制施加在偏转板20上的电压，将氧离子6的离子束扫描到半导体晶片W上。氧离子6的打入角度由偏转板20与照射位置所决定。因此，在偏转板20与半导体晶片W之间需要保持充分的距离。图2B 图2E中示出了在有机酸气体22的气氛中被氧离子6照射的铜膜101的变化情况。如图2B所示，被氧离子6照射的铜膜101的表面部分被氧化而变成氧化铜103。但是，由于周围的气氛为有机酸气体22，例如为甲酸气体，所以如图2C所示，形成在表面部分的氧化铜103瞬间转化成Cu (HCOO)和H2O而升华。由于氧化铜103升华，所以在铜膜101的表面部分将露出铜。但是，由于持续照射氧离子6，所以如图2D所示，表面部分再次变成氧化铜103。但是，周围的气氛持续为有机酸气体22，所以如图2E所示，形成在表面部分的氧化铜103再次瞬间转化成Cu (HCOO)和H2O而升华。这种现象在有机酸气体22的气氛中持续照射氧离子6期间连续发生。由于这种现象，如图2F所示，最终铜膜101被各向异性地蚀刻。应予说明，为了减少阻挡金属膜100的损伤，也可以在铜膜101的各向异性的蚀刻要结束前减弱加速电压。如此地，根据上述一个实施方式，能够将铜各向异性地蚀刻。上述实施方式对形成铜配线的技术有效，例如，能够用于以下用途。·半导体集成电路装置的Cu配线形成工艺·使晶片与晶片贴合的3D工艺的凸块和配线(其它应用)在上面根据一个实施方式说明了本发明，但本发明不限于一个实施方式，可以进行各种变形。例如，在上述一个实施方式中，示出了作为有机化合物气体使用有机酸气体，特别是甲酸气体的例子，但有机化合物气体不限于甲酸气体，可以使用如下所述的甲酸气体以外的有机化合物气体。·可适用于本发明的其它有机化合物气体作为其它有机化合物气体的例子，可举出具有羧基(-C00H)的羧酸。作为上述羧酸的例子，可举出由以下通式表示的羧酸。R6-COOH(R6为氧、或直链或支链状的C1 C2tl的烧基或稀基，优选为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基)作为由上述通式表示的羧酸的例子，可举出甲酸(HCOOH)乙酸(CH3COOH)丙酸(CH3CH2COOH)丁酸(CH3 (CH2)2COOH)戊酸(CH3(CH2) 3C00H)。
符号说明6…氧离子、22···有机酸气体、101···铜膜、102…掩模材料
权利要求
1.一种蚀刻方法，其特征在于，具备 将表面形成有掩模材料的铜膜的周围设为有机化合物气体气氛的工序，和在所述有机化合物气体气氛中，将所述掩模材料用作掩模，对所述铜膜照射氧离子而各向异性蚀刻所述铜膜的工序。
2.根据权利要求1所述的蚀刻方法，其中，所述氧离子包含O2以下的分子量的离子。
3.根据权利要求1所述的蚀刻方法，其中，所述有机化合物气体为具有羧基即-COOH的羧酸。
4.根据权利要求3所述的蚀刻方法，其中，所述羧酸是由下述(I)式表示的羧酸， R3-COOH…(I) R3为氢、或直链或支链状的C1 C2tl的烷基或烯基。
5.一种蚀刻装置，其特征在于，具备 产生氧离子的离子源室， 使所述产生的氧离子加速的加速室， 载置具备铜膜和形成在所述铜膜上的掩模材料的被处理体，对该被处理体照射所述加速的氧离子的照射室，以及 向所述照射室供给有机化合物气体的有机化合物气体供给源； 并且，其构成为一边将所述有机化合物气体供给至所述照射室，一边对所述被处理体照射所述加速的氧离子。
6.根据权利要求5所述的蚀刻装置，其中，所述加速室与所述照射室之间利用具有孔的窗分割。
7.根据权利要求5所述的蚀刻装置，其中，在向所述被处理体照射所述加速的氧离子期间，所述加速室的压力高于所述照射室的压力。
8.根据权利要求5所述的蚀刻装置，其中，具备载置所述被处理体的载置台， 在所述载置台进一步具备在向所述被处理体照射所述加速的氧离子期间对所述铜膜和形成在所述铜膜上的掩模材料进行除电的除电机构。
全文摘要
本发明具备将表面上形成有掩模材料(102)的铜膜(101)的周围设为有机化合物气体(22)气氛的工序和在有机化合物气体(22)气氛中，将掩模材料(102)作为掩模，对铜膜(101)照射氧离子(6)而各向异性蚀刻铜膜(101)的工序。
文档编号H01L21/302GK103069547SQ201180041358
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月29日 优先权日2010年8月31日
发明者原谦一, 早川崇 申请人:东京毅力科创株式会社