(57)【要約】【課題】スループット良く、銅を、異方的にエッチングすることが可能なエッチング方法を提供すること。【解決手段】  表面にマスク材１０２が形成された銅膜１０１に、マスク材１０２をマスクに用いて酸素イオン６を照射し、銅膜１０１内に、銅膜１０１の厚さ方向の全てに対して異方的に酸化された酸化銅１０３を形成する工程と、異方的に酸化された酸化銅１０３をエッチングする工程と、を具備する。【選択図】図１Ｄ
2012054305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にマスク材が形成された銅膜に、前記マスク材をマスクに用いて酸素イオンを照射し、前記銅膜内に、前記銅膜の厚さ方向の全てに対して異方的に酸化された酸化銅を形成する工程と、
前記異方的に酸化された酸化銅をエッチングする工程と、
を具備することを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
前記酸素イオンがＯ２以下の分子量のイオンを含むことを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記酸化銅のエッチングに、有機酸を含む水溶液、又は弗化水素酸を含む水溶液が用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記有機酸を含む水溶液が、
カルボキシル基を含むクエン酸
カルボキシル基を含むアスコルビン酸
カルボキシル基を含むマロン酸
カルボキシル基を含むリンゴ酸
のいずれかから選ばれることを特徴とする請求項３に記載のエッチング方法。
【請求項５】
前記酸化銅のエッチングに、有機化合物を含むガスが用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエッチング方法。
【請求項６】
前記有機化合物ガスが、
カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するカルボン酸
であることを特徴とする請求項５に記載のエッチング方法。
【請求項７】
前記有機化合物ガスがカルボン酸であるとき、このカルボン酸は（１）式で記述されるカルボン酸
Ｒ３−ＣＯＯＨ    …（１）
（Ｒ３は水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基）
から選ばれることを特徴とする請求項６に記載のエッチング方法。
【請求項８】
表面にマスク材が形成された銅膜に、前記マスク材をマスクに用いて酸素イオンを照射し、前記銅膜内に、前記銅膜の厚さ方向の全てに対して異方的に酸化された酸化銅を形成する酸素イオン照射装置と、
前記異方的に酸化された酸化銅をエッチングするエッチング装置と、
を具備することを特徴とするエッチングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エッチング方法及びエッチングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、半導体集積回路装置の動作の高速化が進展している。動作の高速化は、配線材料の低抵抗化などにより実現される。このため、配線材料は、従来のアルミニウムに代わり、より低抵抗な銅が用いられるようになってきている。
【０００３】
しかし、銅の加工には、既存のドライエッチング技術の転用が難しい。これは、エッチングの際に形成される銅の化合物は総じて蒸気圧が低く、蒸発し難いことに由来する。Ａｒスパッタ法、ＣｌガスＲＩＥ法などが試されたが、チャンバ内壁への銅の付着などの問題により実用化に至っていない。このため、銅を用いた配線は、もっぱらダマシン法を用いて形成される。ダマシン法は、あらかじめ配線パターンに応じた溝を層間絶縁膜に形成し、この溝を埋めるように銅薄膜を形成し、ＣＭＰ法を用いて銅薄膜を化学的機械研磨し、溝の内部のみに銅を残す技術である。
【０００４】
また、銅を、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチングする、という技術もあるが、これもまた、等方的なエッチングである。
【０００５】
特許文献１には、銅の異方性ドライエッチング方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、銅膜上にマスクを形成し、このマスクを介して銅膜に異方性酸化処理を施し、有機酸ガスにより酸化銅をエッチングすること、が記載されている。
【０００８】
しかし、特許文献１では、銅膜の異方性酸化と、有機酸ガスによる酸化銅のエッチングとを繰り返す。つまり、特許文献１では、銅膜の異方性エッチングが終わるまで、異方性酸化装置と有機酸ドライエッチング装置との間で、銅膜が形成された半導体ウエハを動かし続けなければならない。このため、銅膜の異方性エッチングに時間がかかる、という事情がある。
【０００９】
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、スループット良く、銅を異方的にエッチングすることが可能なエッチング方法及びエッチングシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の第１の態様に係るエッチング方法は、表面にマスク材が形成された銅膜に、前記マスク材をマスクに用いて酸素イオンを照射し、前記銅膜内に、前記銅膜の厚さ方向の全てに対して異方的に酸化された酸化銅を形成する工程と、前記異方的に酸化された酸化銅をエッチングする工程と、を具備する。
【００１１】
この発明の第２の態様に係るエッチングシステムは、表面にマスク材が形成された銅膜に、前記マスク材をマスクに用いて酸素イオンを照射し、前記銅膜内に、前記銅膜の厚さ方向の全てに対して異方的に酸化された酸化銅を形成する酸素イオン照射装置と、前記異方的に酸化された酸化銅をエッチングするエッチング装置とを具備する。
【００１２】
を備える。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、スループット良く、銅を異方的にエッチングすることが可能なエッチング方法及びエッチングシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】第１の実施形態に係るエッチング方法の一例を示す断面図
【図１Ｂ】第１の実施形態に係るエッチング方法の一例を示す断面図
【図１Ｃ】第１の実施形態に係るエッチング方法の一例を示す断面図
【図１Ｄ】第１の実施形態に係るエッチング方法の一例を示す断面図
【図１Ｅ】第１の実施形態に係るエッチング方法の一例を示す断面図
【図１Ｆ】第１の実施形態に係るエッチング方法の一例を示す断面図
【図２Ａ】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図２Ｂ】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図２Ｃ】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図２Ｄ】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図２Ｅ】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図２Ｆ】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図３】第１、第２の実施形態を実施することが可能なエッチングシステムの一例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００１６】
（第１の実施形態）
半導体ウエハの断面例を参照しながら、この発明の第１の実施形態に係るエッチング方法について説明する。
【００１７】
図１Ａ〜図１Ｆはこの発明の第１の実施形態に係るエッチング方法の一例を示す断面図である。
【００１８】
図１Ａに示すように、図示せぬ半導体ウエハ上には銅の拡散を防ぐバリアメタル膜１００が形成されており、バリアメタル膜１００上には銅膜１０１が形成されている。銅膜１０１上にはマスク材１０２が形成されている。
【００１９】
マスク材１０２は、酸素イオンが銅膜１０１に到達しないように、酸素イオンを遮断する役目を持つ。このため、マスク材１０２には、原子量が大きく、厚いことが求められる。可能であれば、銅（Ｃｕ：原子量６３．５４６）よりも原子量が大きく、かつ、密度の高い材料が好ましい。マスク材１０２の膜厚は、酸素イオンが銅膜１０１に到達しないような厚さに設定される。マスク材１０２の膜厚は、原子量が大きく、かつ、密度の高い材料ほど、薄くすることが可能である。
【００２０】
次に、図１Ｂに示すように、速度エネルギー（加速電圧）を第１の値に設定し、酸素イオンを銅膜１０１の表層部分に向けて照射する。酸素イオンが銅膜１０１の表層部分に注入されることで、銅膜１０１の表層部分が酸化され、酸化銅１０３に変わる。
【００２１】
次に、図１Ｃに示すように、速度エネルギーを上記第１の値よりも高い第２の値に設定し、酸素イオンを銅膜１０１の中層部分に向けて照射する。酸素イオンが銅膜１０１の中層部分に注入されることで、銅膜１０１の中層部分が酸化され、酸化銅１０３に変わる。
【００２２】
次に、図１Ｄに示すように、速度エネルギーを上記第２の値よりも高い第３の値に設定し、酸素イオンを銅膜１０１の下層部分に向けて照射する。酸素イオンが銅膜１０１の下層部分に注入されることで、銅膜１０１の下層部分が酸化され、酸化銅１０３に変わる。
【００２３】
このようにして、速度エネルギーを高めながら酸素イオンを銅膜１０１に注入する。これにより、図１Ｅに示すように、銅膜１０１が異方的に酸化され、銅膜１０１には、銅膜１０１のままの部分と、銅膜１０１の厚さ方向の全てで酸化銅１０３に変化した部分とが得られる。
【００２４】
酸化に必要な酸素の速度エネルギーは、モンテカルロ・シミュレータ、例えば、ＴＲＩＭを利用して求めることができる。酸化に必要な酸素の速度エネルギーは、例えば、３０ｋｅＶ以上のエネルギーとなる。
【００２５】
単体の酸素分子イオン（Ｏ２＋、Ｏ２２＋、Ｏ２−、Ｏ２２−）、もしくはクラッキングにより乖離した酸素イオン（Ｏ＋、Ｏ２＋、Ｏ−、Ｏ２−）を、速度エネルギー３０ｋｅＶ以上で加速し、銅膜１０１に照射することで、効率の良い酸化が可能となる。
【００２６】
また、分子量、原子量の低い酸化剤ほど、低い速度エネルギーで銅膜１０１の深い位置まで注入できるため、銅膜１０１の下層部分を酸化するためには、酸素分子イオンよりも、酸素イオンの方が有利である。
【００２７】
銅膜１０１全体を酸化する必要があることから、本例のように速度エネルギーを変化させたり、さらに、分子量、即ち、酸素分子イオンか酸素イオンかを変化させたりすることも良い。つまり、注入速度、注入深さを変化させ、表層部分、中層部分、下層のそれぞれを順次酸化させることが、１回のプロセスで銅膜１０１の異方性酸化を実行するうえで、有効である。
【００２８】
銅膜１０１の厚さ方向に対して全体が酸化されると、酸化銅１０３を除去することは容易であるため、繰り返しプロセスをする必要がなく、プロセス時間の短縮が可能であり、銅膜１０１の異方的なエッチングのスループットが向上する。
【００２９】
次に、図１Ｅに示す構造を有した半導体ウエハを、酸素イオン照射装置から搬出し、酸化銅１０３をエッチングするエッチング装置に搬入する。このエッチング装置で、酸化銅１０３がエッチングされることで、図１Ｆに示すように、銅膜１０１の異方的なエッチングが終了する。
【００３０】
酸化銅１０３をエッチングするエッチング装置としては、ウェットエッチング装置、ドライエッチング装置の双方を使用することができる。
【００３１】
ウェットエッチング装置としては、エッチャントとして、カルボキシル基を含むクエン酸、同じくアスコルビン酸、同じくマロン酸、同じくリンゴ酸などの有機酸を含む水溶液を用いるウェットエッチング装置を挙げることができる。これらのような水溶液では、銅膜１０１を溶かさず、酸化銅１０３のみを溶かすことができる。
【００３２】
また、エッチャントとしては、弗化水素酸を含む水溶液でも良い。弗化水素酸も銅膜１０１を溶かさず、酸化銅１０３のみを溶かすことができる。
【００３３】
また、弗化水素酸は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）のエッチングにも利用されており、高純度の薬液を入手できる、という利点もある。
【００３４】
また、ドライエッチング装置としては、エッチャントして、有機化合物ガスを用いるドライエッチング装置を挙げることができる。銅膜１０１は昇華させず、酸化銅１０３のみを昇華させる有機化合物ガスの例としては、有機酸ガス、例えば、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するカルボン酸を挙げることができる。カルボン酸の例としては、以下の式１で記述されるカルボン酸
Ｒ６−ＣＯＯＨ    …式１
（Ｒ６は水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基、好ましくはメチル、エテル、プロピル、ブチル、ペンチル又はヘキシル）
例えば、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）
酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）
プロピオン酸（ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ）
酪酸（ＣＨ３（ＣＨ２）２ＣＯＯＨ）
吉草酸（ＣＨ３（ＣＨ２）３ＣＯＯＨ）
などを挙げることができる。
【００３５】
なお、有機化合物のうち、一部の有機酸は半導体プロセスで用いられており、高純度の薬液を入手することが可能である。
【００３６】
このような第１の実施形態によれば、銅を、異方的にエッチングすることができる。
【００３７】
しかも、第１の実施形態によれば、銅膜１０１には、銅膜１０１のままの部分と、銅膜１０１の厚さ方向の全てで酸化銅１０３に変化した部分とが得られるように、１回のプロセスで銅膜１０３を異方的に酸化する。このため、半導体ウエハＷは、酸素イオン照射装置１とエッチング装置との間で繰り返し搬送し合う必要がなく、スループットが向上する。
【００３８】
（第２の実施形態）
図２Ａ〜図２Ｆはこの発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【００３９】
図２Ａに示すように、半導体ウエハＷ上にはＴＥＯＳ膜１０４が形成され、ＴＥＯＳ膜１０４上にはＳｉＣＮ膜１００が形成されている。ＳｉＣＮ膜１００上には銅膜１０１が形成され、銅膜１０１上にはＳｉＣＮ膜１０５が形成されている。さらに、本例ではＳｉＣＮ膜１０５上にＴＥＯＳ膜１０６が形成されている。
【００４０】
次に、図２Ｂに示すように、ＴＥＯＳ膜１０６上に、マスク材としてフォトレジスト膜１０７を形成する。
【００４１】
次に、図２Ｃに示すように、フォトレジスト膜１０７をマスクに用いて、ＴＥＯＳ膜１０６、およびＳｉＣＮ膜１０５をエッチングする。
【００４２】
次に、図２Ｄに示すように、フォトレジスト膜１０７を除去する。次いで、ＴＥＯＳ膜１０６、およびＳｉＣＮ膜１０５をマスクに用いて、上記第１の実施形態で説明したエッチング方法により、銅膜１０１を異方的にエッチングする。
【００４３】
次に、図２Ｅに示すように、ＴＥＯＳ膜１０６を除去する。ＳｉＣＮ膜１０５は、銅膜１０１の上面のバリア膜として使用される。また、ＳｉＣＮ膜１００は、銅膜１０１の下面のバリア膜として使用される。
【００４４】
次に、図２Ｆに示すように、銅膜１０１の側面上に、銅膜１０１に対して触媒作用があり、ＳｉＣＮ膜１００、１０５には触媒作用がない選択析出現象を利用した無電解めっき法を用いて、銅の拡散を抑制する物質を含むメッキ膜を形成する。本例ではメッキ膜として、コバルトに少なくともタングステンを含有させた合金、例えば、ＣｏＷ膜１０８を形成する。
【００４５】
このような第２の実施形態は、銅配線の形成技術に有効であり、例えば、半導体集積回路装置の銅配線形成プロセスに適用することができる。
【００４６】
（エッチングシステム）
図３は、この発明の実施形態に係るエッチングシステムの一例を示すブロック図である。
【００４７】
図３に示すように、エッチングシステム２００は、搬送室２０１、第１の処理室２０２、第２の処理室２０３、第１のロードロック室（ＬＬＭ１）２０４、第２のロードロック室（ＬＬＭ２）２０５、及び搬入出室２０６を備えている。
【００４８】
搬送室２０１は、第１の処理室２０２、第２の処理室２０３、第１のロードロック室２０４、及び第２のロードロック室２０５に、ゲートバルブＧ１〜Ｇ４を介して接続されている。搬送室２０１内には、搬送装置２０７が配置されている。搬送装置２０７は、搬送室２０１、第１の処理室２０２、第２の処理室２０３、第１のロードロック室２０４、及び第２のロードロック室２０５の相互間で半導体ウエハを搬送する。
【００４９】
第１の処理室２０２は、酸素イオン照射装置である。第１の処理室２０２は、例えば、酸素イオン照射装置を用いて構成される。第１の処理室２０２では、表面にマスク材１０２が形成された銅膜１０１に、マスク材をマスクに用いて酸素イオンを照射し、銅膜１０１内に、銅膜１０１の厚さ方向の全てに対して異方的に酸化された酸化銅１０３が形成される。
【００５０】
第２の処理室２０３は、エッチング装置である。第２の処理室２０３は、有機酸を含む水溶液、又は弗化水素酸を含む水溶液を用いたウェットエッチング装置、又は有機化合物を含むガス、例えば、有機酸ガスを用いたドライエッチング装置を用いて構成される。第２の処理室２０３では、上記異方的に酸化された酸化銅１０３がエッチングされる。
【００５１】
第１のロードロック室２０４及び第２のロードロック室２０５は、圧力変換装置である。第１のロードロック室２０４及び第２のロードロック室２０５では、大気圧もしくはほぼ大気圧と搬送室２０１内の圧力との間で、圧力変換が行われる。第１のロードロック室２０４は搬入出室２０６にゲートバルブＧ５を介して接続される。同じく第２のロードロック室２０５は搬入出室２０６にゲートバルブＧ６を介して接続される。
【００５２】
搬入出室２０６は、複数枚の半導体ウエハが収容されたキャリア、又は空のキャリアが載置されるポート（Ｐ）２０８を有する。キャリアがポート２０８に載置されると、図示せぬシャッタが外れ、キャリアの内部と搬入出室２０６の内部とが連通される。搬入出室２０６には搬送装置２０９が配置されている。搬送装置２０９は、搬入出室２０６、ポート２０８に載置されたキャリア、第１のロードロック室２０４、及び第２のロードロック室２０５の相互間で半導体ウエハを搬送する。
【００５３】
このようなエッチングシステムを用い、銅膜１０１と銅膜１０１上に形成されたマスク材とを備えた半導体ウエハ（被処理体）に対して、第１の処理室２０２、第２の処理室２０３の順で処理を進めることにより、上記第１の実施形態に係るエッチング方法、並びに上記第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実施することができる。
【００５４】
以上、この発明を実施形態に従って説明したが、この発明は上記実施形態に限られるものではなく様々な変形が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０１…銅膜、１０２…マスク材、１０３…酸化銅
【図１Ａ】
2012054305.tif 000003
【図１Ｂ】
2012054305.tif 000004
【図１Ｃ】
2012054305.tif 000005
【図１Ｄ】
2012054305.tif 000006
【図１Ｅ】
2012054305.tif 000007
【図１Ｆ】
2012054305.tif 000008
【図２Ａ】
2012054305.tif 000009
【図２Ｂ】
2012054305.tif 000010
【図２Ｃ】
2012054305.tif 000011
【図２Ｄ】
2012054305.tif 000012
【図２Ｅ】
2012054305.tif 000013
【図２Ｆ】
2012054305.tif 000014
【図３】
2012054305.tif 000015