JP6936935B2 - 有機化合物ガス環境中でのＣｕ含有層の中性ビームエッチング - Google Patents

Description

本発明は、半導体プロセシングの分野に、より特には集積回路で使用される純ＣｕおよびＣｕ含有層の異方性エッチングおよびパターニングのための方法および装置に関する。

銅（Ｃｕ）は、幅広い半導体用途における金属の選択として新興のものである。改善されたエレクトロマイグレーション（electromigration）性能および増加されたストレスマイグレーション（stress migration）抵抗性を伴うより低い電気抵抗性は、配線およびコンタクト中のアルミニウム（Ａｌ）に対してＣｕの使用を好ましくする（favor）重要な材料特性である。ＲＣ時間遅延を低減することによりシグナルがより速く移動することを可能にするので、より低い電気抵抗性は決定的である。Ａｌ配線における信頼性の共通問題である、エレクトロマイグレーションへの有利な抵抗性は、Ｃｕがより高い出力密度を扱うことができることを意味する。Ａｌに対してＣｕを使用することの同等に重要な利益は、製造ステップの数を低減し、最も困難ないくつかのステップへの必要性を軽減する新規のプロセシング方法により、Ｃｕメタライゼーションスキームのための製造コストがより低いものとなり得ることである。

異方的に基板をプロセスするための能力により、マスクされた上層の表面に本質的に垂直な側壁により正確に画定された位置での集積回路フィーチャの製造が可能となる。マルチレベルメタライゼーションアーキテクチャ中へのＣｕの導入は、Ｃｕパターニングのための新規なプロセシング方法を要求する。Ｃｕをドライエッチングすることは困難であるので、新規なプロセススキームがＣｕパターニングのために開発されてきた。

ダマシンアプローチは、誘電材料中のフィーチャをエッチングし、それらをＣｕ金属で充填し、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により最上部表面を平坦化することに基づくものである。デュアルダマシンスキームは、コンタクトおよび配線の両方を単一のプロセシングスキームに一体化させる。しかしながら、Ｃｕ ＣＭＰ技術はチャレンジングであり、極めて微細なフィーチャを画定することは困難である。さらに、ＣＭＰは、スクラッチ、剥離、ディッシングおよび腐食という歩留まり減少問題に見舞われる。

ダマシンアプローチに対する代替は、Ｃｕ層のパターン化されたエッチングである。パターン化されたエッチングプロセスは、基板上でのＣｕ層の堆積、Ｃｕ含有層上でのパターン化されたハードマスクまたはフォトレジストの使用、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを使用するＣｕ層のパターン化されたエッチング；およびパターン化されたＣｕ含有層上での誘電材料の堆積、を伴う。微細なＣｕパターンをエッチングして次いでＣｕパターン上に誘電層を堆積することは、バリア層材料およびＣｕ金属が誘電膜中の小さなフィーチャ開口部を十分に充填することより容易なので、Ｃｕのパターン化されたエッチングは、ダマシンプロセスに対する利点を有し得る。

ＲＩＥプロセスを使用するパターン化されたエッチングは、比較的低い圧力および高いイオン衝撃エネルギーにより特徴付けられる。イオン衝撃が所望の程度のエッチング異方性を達成することが必要である一方で、これは下層のマイクロ構造への二次損傷の原因でもある。半導体デバイスがますますより集積化して例えば銅およびｌｏｗ−ｋ誘電材料などの新規な先端材料が導入されて回路特性を改善してきたので、製作プロセスにより生じる損傷は、ますます重篤な問題をもたらす。損傷形成の主な理由は、本質的に、プラズマ環境から基板表面への例えばイオンおよびＵＶフォトンなどのエネルギーを有する粒子の発生である。

Ｃｕ層を除去するための主要なエッチング試薬は、伝統的にはアルゴン（Ａｒ）を含むガス混合物中のコリン含有（chorine−containing）ガスである。塩素プラズマを使用する、純Ｃｕ層および高Ｃｕ含有量を有するＣｕ含有層の除去は、本質的にプラズマ中でエネルギーを有するイオンによる低揮発性ＣｕＣｌ_ｘ表面の物理的スパッタリングを伴う。この方法を使用する場合のＣｕ除去速度は極めて低く、別の欠点は、スパッタリングされたＣｕＣ_ｘがチャンバ壁を覆い、これはエッチングチャンバの周期的なクリーニングを要求することである。高アスペクト比のフィーチャを塩素プラズマ中でエッチングして、スパッタリングされたＣｕＣｌ_ｘ生成物がフィーチャ側壁上で再堆積され、ここで物理的スパッタリングの効果が低減される場合には、同等に重篤な問題に直面する。

上記の塩素系エッチングプロセスを上昇させた温度（＞２００℃）で行い、反応したＣｕ含有層の揮発性を増加させる場合には、表面上で蓄積したＣｕＣｌ_ｘエッチング残留物により腐食が生じ得る。これらの残留物がエッチングクリーニング後のステップにより除去されない場合には、それらは、エッチングされたフィーチャ上で保護層を塗布した後であってもＣｕの連続的な腐食を生じ得る。

他のエネルギーソースが、エッチング速度を増加させることが示唆されてきた。これらのアプローチには、ＵＶまたはＩＲ光源にエッチング表面を曝露して、エッチング表面からのＣｕＣｌ_ｘの脱着を加速させることが含まれる。しかしながら、乏しいエッチング均一性、高コストおよび追加の設備の複雑性、および信頼性の問題により、大きな基板の半導体バッチプロセシングには、これらのアプローチは実際的ではない。

したがって、エネルギーを有するイオンおよびフォトン粒子を本質的に含まないプラズマを使用する、半導体製造における異方性エッチングのための方法を開発することが所望される。かかる粒子は、従来技術における原子酸素プラズマでの異方性エッチングを達成するのに通常必要とされるが、下層基板への二次損傷を生じる。さらに、反応生成物は、高い揮発性を有し、エッチングされた基板から容易に除去されなければならない。さらに、従来の塩素化学物質を使用するＣｕ含有層をエッチングする場合に直面する前述の制限は、塩素系反応物を伴わない化学的アプローチを使用する半導体製造における新規の低温ドライエッチング方法への必要性が存在することを示す。

集積回路で使用される純Ｃｕ層およびＣｕ含有層の異方性ドライエッチングのための方法および装置を提供することが本発明の目的である。

上記および他の目的は、本発明によれば、異方的にＣｕ層を酸化するための高運動エネルギーの（超高温の）中性Ｏ原子の指向性ビーム、および酸化されたＣｕ層と容易に反応して揮発性Ｃｕ含有エッチング生成物を形成する、例えばＣＨ_３ＣＯＯＨなどの有機化合物ガスを含むエッチングガスを使用する方法および装置を提供することにより達成される。Ｏ原子ビームの高い指向性は、パターン化されたハードマスクまたはフォトレジストに従って、Ｃｕ層の異方性エッチングを可能にする。

本発明およびそれらに付随する多くの利点のより完全な十分な理解は、それらが添付の図面に関連して考慮される際に以下の詳細な説明への参照によりより良好に理解されることにより、容易に得られるものである。

本発明に従うＣｕ含有層をエッチングするためのフローチャートである。 本発明に従うＣｕ含有層の異方性エッチングの概略的断面図を示す。 本発明に従うＣｕ含有層の異方性エッチングの概略的断面図を示す。 本発明に従うＣｕ含有層の異方性エッチングの概略的断面図を示す。 本発明に従うＣｕ含有層の異方性エッチングの概略的断面図を示す。 本発明に従うＣｕ含有層の異方性エッチングの概略的断面図を示す。 本発明の好ましい態様によるプロセシングシステムを示す。 図４のエッチング装置における有機化合物ガス供給ユニットの例を示す。

ここで、類似の参照符号がいくつかの視点を通して同一のまたは対応する部分を指し示す図面を参照する。
一般に、本発明は、集積回路の製造における純ＣｕおよびＣｕ含有層をエッチングするための方法および装置に関する。前記方法は、Ｃｕ層を酸化させるための高運動エネルギーのＯ原子の指向性ビーム、および酸化されたＣｕ層と反応した際に揮発性Ｃｕ含有エッチング生成物を生成するエッチング試薬を使用する。

重要なのは、エッチング試薬は、フィーチャ側壁上の未酸化のＣｕとは極めてゆっくりと反応するが、低温で、酸化されたＣｕ表面と容易に反応する。したがって、異方性エッチングを達成してエッチングフィーチャのアンダーカットを回避するために、エッチングフィーチャの垂直側壁上のＣｕの酸化速度は、実質的に水平表面上のＣｕの酸化より遅いものでなければならない。これは、指向性Ｏ原子ビームを使用して達成される。

指向性ビームは、好ましくは、高運動エネルギーを有する中性Ｏ原子の超高温ビームであり、基板法線（substrate normal）から低発散により生成されることができ、それにより、プラズマプロセスにおいてしばしば直面するイオン損傷および電荷蓄積（charge build−up）問題が低減された、マスクされた構造の製造を可能にする。

一般に、超高温原子ビームは、例えば、プラズマアッシャーおよびスパッタリングエッチング装置などの従来のグロー放電デバイスにより生成される熱化原子（thermalized atom）（Ｅ_ｋ≒０．０５ｅＶ）と比較して、高運動エネルギー（Ｅ_ｋ≧１ｅＶ）を有する中性原子を含む。超高温原子ビームの運動エネルギーは、数百ｅＶの高さであり得る。

膜を酸化してエッチングするための超高温Ｏ原子ビームの使用は、低減されたイオン衝撃損傷および電荷誘起損傷をもたらすことが示されてきており、これは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのプラズマエッチングプロセスの間に広く観察される。例えば、超高温Ｏ原子は、下層基板への二次損傷がほとんどないかまたは全くなく、半導体製造における、特にフォトレジスト剥離および多層リソグラフィー用途の領域における異方性エッチングに使用されてきた。

発明の名称が「半導体デバイスの製造における異方性エッチングのための方法」である米国特許第５，２７１，８００号明細書においてＫｏｏｎｔｚおよびＣｒｏｓｓは、超高温原子酸素のビームを使用して炭化水素ポリマーコーティングを異方性エッチングして、半導体ウエハ上で所望のパターンを生成するための方法を開示する。超高温ビームは、約０．２ｅＶ〜２０ｅＶの範囲の運動エネルギーを有し、連続的光学放電（continuous optical discharge）レーザを使用して生成される。

本発明において、Ｃｕ層およびＣｕ含有層を酸化し、酸化された層のエッチング試薬との後続反応によりＣｕ含有エッチング生成物を形成するための中性Ｏ原子の超高温ビームの使用により、低い基板温度での異方性エッチングが可能となる。一態様において、Ｏ原子の超高温ビームはプロセシング（エッチング）チャンバとは別のチャンバ中で生成され、ビームは、プロセシングチャンバに進入する際に中性Ｏ原子のみを含む。代替的に、Ｏ原子ビームは、プロセシングチャンバの内部で生成される。エッチング試薬は、むき出しの（effusive）ソースを使用してプロセシングチャンバ中へ導入され、したがって、酸化されたＣｕ層と反応する前にエッチング試薬の有害な分解をもたらし得るプラズマソースには曝露されない。

図１は、本発明に従うＣｕ含有層をエッチングするためのフローチャートである。ステップ１００は、プロセスチャンバ中でエッチングされるＣｕ含有層を有する表面を提供する。ステップ１０２において、超高温酸素原子のビームが生成され、これは、Ｃｕ含有層を異方的に酸化させることができる。中性Ｏ原子のビームは、ステップ１０４においてＣｕ含有層に曝露され、酸化されたＣｕ含有層がステップ１０６において形成される。酸化されたＣｕ含有層と反応することができるエッチング試薬は、ステップ１０８においてプロセスチャンバ中へ導入される。揮発性Ｃｕ含有エッチング生成物は、ステップ１１０において酸化されたＣｕ含有層のエッチング試薬との反応から形成され、ステップ１１２においてＣｕ含有層から除去される。エッチング生成物のエッチング表面からの脱着は、エネルギーを有するＯ原子の表面衝撃により補助される。Ｃｕ含有層は、Ｏ原子のビームおよびエッチングガスにＣｕ含有層の所望のエッチングを可能にする時間、曝露される。

図２Ａ〜２Ｄは、本発明に従うＣｕ含有層の異方性エッチングの概略的断面図を示す。図２Ａは、部分的に完成された集積回路を示す。セグメント２００は、基板２１０、Ｃｕ含有層２２０、およびハードマスクまたはフォトレジスト材料２３０を含み、構造が完成される。Ｃｕ含有層の異方性エッチングを達成するために、超高温Ｏ原子のビームに耐性を有するＣｕ含有層の上のレジスト材料が要求される。かかるレジスト材料の例は、マスクオーバーレイ（overlay）の存在下で電子ビーム曝露を使用してプロセスされるポリシロキサン含有レジストである。図２Ａにおけるセグメント２００は、当該技術分野において既知である、従来のパターニング方法を使用してプロセスされて、図２Ｂにおけるパターンを生成する。本発明の図２Ｂにおける構造のさらなる異方性エッチングによりＣｕ含有層２２０をエッチングする一方で、フォトレジストパターン２３０により画定される構造の垂直ジオメトリを保存して、図２Ｃに示された構造を形成する。当該技術分野での従来のもののとおりである続くプロセシングにより、残留するフォトレジストパターン２３０’を除去して、図２Ｄに示されるパターン化されたＣｕ構造２２０’がもたらされる。

図３は、本発明に従うＣｕ含有層の異方性エッチングの概略的断面図を示す。図３は、Ｃｕ含有層の異方性エッチングを可能にするエッチングプロセスの特性を図示する。セグメント３００は、基板３２０の上のＣｕ含有層３１０およびＣｕ含有層３１０の上のフォトレジストパターン３３０を含む、部分的に完成された集積回路を示す。図３における構造の異方性エッチングにより、Ｃｕ含有層３１０が除去される一方で、フォトレジストパターン３３０により画定される構造の垂直ジオメトリは保存される。

超高温ビーム中の中性Ｏ原子が、図３中の矢印３４０により図で表される。基板法線からの低発散を有する超高温Ｏ原子のビームが、ほぼ垂直の（near vertical）矢印を使用して描かれる。Ｏ原子の指向性および高運動エネルギーにより、垂直表面（側壁）３５０からの弾性前方散乱（elastic forward scattering）がもたらされ、したがって、側壁の酸化の低い可能性がもたらされる。言い換えると、側壁上でのＯ原子の滞留時間が短すぎて、側壁への法線方向の運動エネルギーが側壁３５０の酸化をもたらすのに不十分である。対照的に、水平表面上で衝突するＯ原子は、十分な運動エネルギーを有し、酸化されたＣｕ層３６０を形成するのに十分に長い滞留時間を有する。エッチング試薬３７０を含むエッチングガスを、むき出しのノズルを使用するＯ原子ソースとは別のエッチングチャンバ中に導入し、したがって、エッチング試薬３７０のセグメント３００との相互作用は等方性である。エッチング試薬３７０は、側壁３５０上で未酸化のＣｕとは反応しないように選択される。

対照的に、エッチング試薬３７０が酸化されたＣｕ層３６０上へ吸着して吸着されたエッチング試薬３８０を形成する場合には、低温であっても、酸化されたＣｕ層と自発的に反応する。エッチング試薬３７０への曝露に加えて、水平表面３６０は、一定のエネルギーを有するＯ原子３４０の衝撃下にあり、これは、表面を酸化することに加えて、表面からのエッチング生成物３９０の脱着をさらに補助し、低温でのＣｕ含有層のエッチングを可能にする。

Ｏ原子の運動エネルギーは、水平表面の酸化に作用する。高運動エネルギーを有するＯ原子が水平表面と相互作用する場合には、Ｏ原子は表面層を貫通し、表面層中で埋め込まれる際にそれらの運動エネルギーを失い（熱化されて（thermalized））、それにより、表面層を酸化する。運動エネルギーが、ある閾値エネルギーより下である場合には、Ｏ原子は熱化されることなく、「はね返る（bounce back）」可能性がより高く、これにより、所望されない側壁酸化および側壁エッチングがもたらされ得る。

本発明においてＣｕ含有層の所望のエッチングを可能にするプロセス条件を、直接の実験および／または実験の設計（ＤＯＥ）により決定してもよい。例えば、調節可能なプロセスパラメータは、超高温ビーム中のＯ原子の運動エネルギー、基板温度、プロセス圧力、プロセスガスの選択およびプロセスガスの相対的ガスフローを含み得る。

エッチング試薬ガスは、好ましくは有機化合物ガスである。有機化合物については、供給されたまま、または真空状態に維持されたプラズマプロセシングシステムを加熱することによりガス状態であり得るものを使用することが好ましい。典型的には、有機酸を使用する。有機酸については、酢酸により代表されるカルボン酸（一般式：Ｒ−ＣＯＯＨ、Ｒは、水素またはＣ１〜Ｃ２０の直鎖状もしくは分岐状アルキルもしくはアルケニルであって、好ましくは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルまたはヘキシルである）を使用することが好ましい。酢酸以外のカルボン酸には、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、プロピオン酸（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＯＯＨ）、酪酸（ＣＨ_３（ＣＨ_２）_２ＣＯＯＨ）、吉草酸（ＣＨ_３（ＣＨ_２）_３ＣＯＯＨ）などが含まれてもよい。カルボン酸の中では、ギ酸、酢酸、およびプロピオン酸がより好ましく使用される。

有機化合物が酢酸である場合には、酸化銅および酢酸間の反応が加速されて、揮発性Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）およびＨ_２Ｏが生成する。結果として、酸化銅分子がＣｕ膜から分離される。同様の反応が、例えば酢酸以外のギ酸またはプロピオン酸などの別の有機化合物（有機酸）を使用する場合に生じる。結果として、Ｃｕ膜がエッチングされる。

一態様において、エッチング試薬３７０は、例えばＣＨ_３ＣＯＯＨなどの化合物を含み得る。揮発性Ｃｕ生成物を生成するＣｕ_ｘＯおよびＣＨ_３ＣＯＯＨ間の自然反応は、論文において公開されてきた。ｈｆａｃＨ雰囲気（より一般的には、酸雰囲気）中で（ハードマスクによる）異方性Ｃｕエッチングを生じさせる指向性エネルギーを有するＯビーム（中性ビーム）を使用する方法は既知である。しかしながら、本発明者らは、Ｃｕ_ｘＯのＣＨ_３ＣＯＯＨとの反応性がｈｆａｃＨによるものよりずっと高いことを見出した。例えば１Ｅ（−５）ｔｏｒｒのオーダーのＣＨ_３ＣＯＯＨの周囲圧力および室温の基板において、極めて高く製造価値のあるＣｕ_ｘＯの除去速度が得られ得る。例えば３Ｅ（−５）ｔｏｒｒのＣＨ_３ＣＯＯＨの周囲圧力および例えば１００ｅＶなどの異方性超高温Ｏにより、異方性超高温Ｏの「サブプランテーション（sub−plantation）」によりＣｕ_ｘＯが形成される。

ＣＨ_３ＣＯＯＨおよび酸化されたＣｕ間の正味の表面反応は：
ＣｕＯ＋２ＣＨ_３ＣＯＯＨ → Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２＋Ｈ_２Ｏ （１）
ＣＵ_２Ｏ＋４ＣＨ_３ＣＯＯＨ → ２Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２＋Ｈ_２Ｏ＋Ｈ_２ （２）
と記載することができる。
式（１）および（２）によれば、ＣＨ_３ＣＯＯＨは酸化されたＣｕと反応して、Ｃｕおよび揮発性Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２＋Ｈ_２Ｏエッチング生成物を生成する。したがって、ＣＨ_３ＣＯＯＨが図３におけるエッチング試薬３７０として選択される場合には、揮発性エッチング生成物３９０は、Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２およびＨ_２Ｏである。式（２）におけるＣｕエッチング生成物を酸化させ、式（１）または（２）によるＣＨ_３ＣＯＯＨとの後続反応をさせることができる。Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２は低温で揮発性であり（Ｐ_ｖａｐ＝０．１Ｔｏｒｒ＠５０℃）、Ｃｕエッチングフィーチャの側壁上またはプロセスチャンバ壁上で顕著に再堆積しない。

不活性ガスを前述のプロセスガス化学物質のいずれか１つに添加してもよい。不活性ガスには、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、キセノン、および窒素の少なくとも１種が含まれてもよい。例えば、不活性ガスのプロセス化学物質への添加を使用して、プロセスガスを希釈するか、またはプロセスガスの分圧を調節する。

ガス状ＣＨ_３ＣＯＯＨエッチングガスのプロセシングチャンバへの移送を、バブラーシステムおよびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を含み得る送達システムを使用して達成してもよい。バブラーシステムを、例えばアルゴン（Ａｒ）などのキャリアガスと共にまたはなしで使用することができる。キャリアガスが使用される場合には、ＣＨ_３ＣＯＯＨ液体を通してバブリングしてＣＨ_３ＣＯＯＨ蒸気で飽和させる。プロセスチャンバ中のＣＨ_３ＣＯＯＨ蒸気の分圧を、バブラー中のＣＨ_３ＣＯＯＨ液体の温度により制御する。ＣＨ_３ＣＯＯＨおよびキャリアガスの例示的なガス流速は、１０００ｓｃｃｍ未満であり、好ましくは５００ｓｃｃｍ未満である。代替的に、液体注入システムを使用して、ＣＨ_３ＣＯＯＨをプロセシングチャンバへ送達することができる。本発明における例えばＣＨ_３ＣＯＯＨ試薬などのエッチング試薬の取り扱いおよび使用は、当該技術分野において周知である。

発明の名称が「金属有機化学蒸着チャンバをクリーニングするin−situ方法」である米国特許第６，２８４，０５２号明細書においてＮｇｕｙｅｎおよびＣｈａｍｅｓｋｉは、金属堆積チャンバの内部表面、特にチャックをクリーニングする方法を記載する。前記方法は、酸素プラズマでクリーニングされる表面をまず酸化し、次いでＣＨ_３ＣＯＯＨの使用により蒸気として酸化生成物を除去する。

発明の名称が「薄膜堆積チャンバ内で蓄積された金属膜をクリーニングする方法」である米国特許第５，９９３，６７９号明細書においてＫｏｉｄｅらは、金属膜を酸化する酸化ステップ、酸化物膜を錯体化する錯化ステップ、および錯体を昇華させる昇華ステップを含む方法を記載する。これらのクリーニングステップの条件は、酸化ステップが速度決定ステップであるように設定される。

本発明の焦点は、多層構造をパターニングするためのＣｕ層およびＣｕ含有層の異方性エッチングを可能にすることである。上記の方法の主要な目的は、ＣＨ_３ＣＯＯＨと酸化された金属膜との反応からの揮発性エッチング生成物の生成により、金属膜をプロセシングチャンバからクリーニングして除去することである。

図４は、本発明の好ましい態様によるプロセシングシステムを示す。プロセシングシステム６００は、プロセスチャンバ６０５およびＯ原子ビームソース６１０を含む。プロセスチャンバ６０５は、上にプロセスされる基板６２０が取り付けられる基板ホルダ６１５、プロセスガス６３０をプロセスチャンバ６０５へ導入するためのガス注入システム６２５、および真空ポンプシステム６３５を含む。例えば、ゲートバルブ（図示せず）は、真空ポンプシステム６３５の速度を落とす（throttle）ために使用される。プロセスガス５３０は、ガス注入システム６２５を介して導入され、プロセス圧力が調節される。ガス注入システム６２５により、ｅｘ−ｓｉｔｕガスソースからのプロセスチャンバへのプロセスガス６３０の送達に対する独立した制御が可能となる。プロセスガス６３０は、エッチング試薬および不活性ガスを含み得る。Ｏ原子ビームソース６１０は、プロセスチャンバ６１０へ導入される高運動エネルギー中性Ｏ原子の指向性ビーム６４０を生成する。Ｏ原子のビーム６４０は、図１〜３に記載されるとおり、エッチング試薬の存在下で基板６２０上でＣｕ含有層をエッチングする。

基板６２０を、プロセスチャンバ６０５中へおよびプロセスチャンバ６０５の外へ、基板ホルダ６１５内に収容された基板リフトピン（図示せず）により受容されてその中に収容されたデバイスにより機械的に移動される、ロボット基板移送システムを介してスロットバルブ（図示せず）およびチャンバフィードスルー（feed−through）（図示せず）により移送する。いったん基板６２０が基板移送システムから受容されると、基板ホルダ６１５の上面へ下ろされる。

代替的態様において、基板６２０は、静電クランプ（図示せず）を介して基板ホルダ６１５へ取り付けられる。さらに基板ホルダ６１５は、基板ホルダ６１５からの熱を受容して熱交換システム（図示せず）へ熱を輸送するか、または加熱する場合には熱交換システムから熱を輸送する、再循環する冷却剤フローを含む冷却システムをさらに含む。さらに、基板の背面にガスを送達して基板６２０および基板ホルダ６１５間のガスギャップ熱コンダクタンスを改善してもよい。基板の温度制御が上昇した温度または低下した温度で必要とされる場合に、かかるシステムを利用する。真空ポンプシステム６３５には、好ましくは、毎秒５０００リットルまでの（またはそれより大きな）ポンプ速度を可能にするターボ分子真空ポンプ（ＴＭＰ）、およびチャンバ圧力を落とすためのゲートバルブが含まれる。

コントローラ６４５には、マイクロプロセッサ、メモリ、およびプロセシングシステム６００と通信してインプットを作動させ、プロセシングシステム６００からアウトプットをモニタするのに十分な制御電圧を発生させることができるデジタルＩ／Ｏポートを含む。さらに、コントローラ６４５が連結されて、プロセスチャンバ６０５、Ｏ原子ビーム装置６１０、プロセスモニタシステム６５０、ガス注入システム６２５および真空ポンプシステム６３５と情報を交換する。メモリに保存されたプログラムを利用して、保存されたプロセスレシピによりプロセシングシステム６００の前述の構成要素を制御する。コントローラ６４５の１つの例は、テキサスインスツルメンツ、ダラス、Ｔｅｘから入手可能な、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、モデル番号 ＴＭＳ３２０である。

プロセスモニタシステム６５０は、プロセシング環境中で例えばエッチング試薬およびエッチング副生成物などのガス種を測定するための、例えば質量分析計システムなどを含み得る。一般に、プロセスモニタシステム５５０は、例えばプロセス分析および終点検出などの複数のタスクを行うことができる用途の広い診断ツールである。図４に示されるプロセスモニタシステム６５０は、プロセシングチャンバ６０５に取り付けられる。代替的態様において、プロセスモニタシステムは、真空ポンプシステム６３５の下流に位置される。プロセスモニタシステム６５０をコントローラ６４５と共に使用して、エッチングプロセスの状態を決定してフィードバックを提供し、プロセスコンプライアンスを保証することができる。

超高温Ｏ原子ソースの例を、ここで説明する。種々の方法および装置が中性超高温Ｏ原子のビームを生成するために開発されてきた。原子酸素を生成するための分子酸素（Ｏ_２）供給ガスの解離イオン化を、通常ウエハプロセシングチャンバに連結された別のチャンバにある、光学レーザ誘起放電、ＤＣまたはＡＣアーク、誘導結合、マイクロ波、あるいは電子衝撃放電を使用して行うことができる。プラズマ中でのＯ_２の解離から生成したＯイオンは選択された高運動エネルギーまで加速されて、次いで電荷が中和されて、中性超高温Ｏ原子のビームを生成する。Ｏイオンの電荷の中和を、種々の異なる方法を使用して行うことができる。例は、斜入射での金属表面とのＯイオンの相互作用からの電子移動である。

発明の名称が「ＲＦに基づいたサブデバイニュートラライザグリッド」である米国特許第６，３３１，７０１号明細書においてＣｈｅｎおよびＹｖｏｎｎｅは、大きな基板をプロセシングするための２０ｅＶ〜４００ｅＶの範囲の運動エネルギーおよび１インチ〜１０インチより大きなビーム直径を有する、中性Ｏ原子の超高温ビームを生成するための装置を記載する。超高温ビームが、酸素イオンが前方表面散乱により電荷和される、ニュートラライザグリッドを通ってＲＦプラズマから加速された酸素イオンを通過させることにより生成する。超高温ビームは、中性Ｏ原子の高いフラックス（flux）および小さな発散角（≒６〜３°）を有する。

光学レーザ誘起放電は、膨張ノズル中の供給ガス（例えば、Ｏ_２など）の解離のためのエネルギーソースとしてパルスレーザ放射を用い得る。膨張により、膨張チャンバおよびプロセシングチャンバ間のオリフィスを使用して視準され得る中性反応性種（例えば、Ｏ原子など）の超高温ビームが創出される。

有機化合物ガスは、有機化合物ガス供給ユニットからターゲットチャンバ中へ供給される。ここで、有機酸としての酢酸を有機化合物の例として使用する。図５は、本発明の態様に従って使用されてもよい、例の有機化合物供給ユニットを例示する。例えば、有機化合物供給ユニットを、図４におけるガス注入ユニット６２５として使用してもよい。見てわかるとおり、有機化合物ガス供給ユニット３０には、有機化合物を貯蔵するための中間容器３６およびタンク３７が含まれ、バルブ３７ａは、中間容器３６およびタンク３７を連結するためのライン３６ａ上に位置される。有機化合物は、中間容器３６からターゲットチャンバへライン３２を通って供給され、ライン３２には、可変リークバルブ３８が設けられる。中間容器３６は、その中の有機化合物の量を検出するための例えば液面センサ３９などのセンサを有し、これにより、中間容器３６中の有機化合物の量が測定される。液面の低下が液面センサ３９により検出される場合には、中間容器３６を可変リークバルブ３８により真空と分断し、バルブ３７ａを開放することによりタンク３７から中間容器へ有機化合物を供給する。

リザーバ３７中の有機化合物（酢酸）が蒸発して、蒸発した有機化合物をターゲットチャンバへ供給する。この時に、有機化合物（酢酸）の蒸発量を流速制御バルブ３８の開放度を制御することにより制御する。有機化合物ガスの供給量は、十分な有機化合物分子が基板Ｓ上に形成されたＣｕ膜の表面に吸着されることを可能にするレベルに設定される。ターゲットチャンバ３内の圧力（酢酸の分圧）は、好ましくは、約１０^−４Ｔｏｒｒ〜１０^−６Ｔｏｒｒである。圧力ゲージ３４は、例えば、イオンゲージまたはキャパシタンスモノメータ（monometer）などであってもよい。

上記で検討した態様と同様に、還元ガス（reducing gas）は、例えばＣＨ_３ＣＯＯＨなどの酸を含み、反応ガスはＯ２を含む。例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅなどの不活性ガスをまた使用してもよい。さらに反応ガスおよび還元ガスを、一段階プロセスにおいて、プラズマプロセシングチャンバ中へ同時に導入してもよく、または多段階プロセスにおいて、プラズマプロセシングチャンバ中へ連続的に導入してもよい。

本発明の種々の改変および変形を、本発明の実施において用いてもよいことが理解されなければならない。したがって、添付の特許請求の範囲内において、本明細書に具体的に記載した以外にも本発明を実施し得ることが理解されなければならない。

Claims (11)

1. 基板上の銅含有層をエッチングするための方法であって、
   中性ビームソースおよび基板ホルダを有するプロセシングチャンバ中へ基板を搬入するステップであって、前記基板は銅含有層およびその上に形成されたエッチングマスクを有する、ステップと、
   真空ポンプシステムによって、前記プロセシングチャンバ内のチャンバ圧力を１０ ^−４ Ｔｏｒｒから１０ ^−６ Ｔｏｒｒの圧力範囲に維持するステップと、
   前記圧力範囲の前記チャンバ圧力で、前記銅含有層を、反応ガスを含む指向性の中性ビームに曝露するステップであって、前記反応ガスは、該中性ビームの指向性に基づいて、前記銅含有層中に形成されたフィーチャの曝露された表面の部分に第１の銅含有化合物を異方的に形成する、ステップと、
   前記圧力範囲の前記チャンバ圧力で、カルボン酸を含む還元ガスをプロセシングチャンバ中へ導入するステップであって、前記基板ホルダ付近で前記還元ガスは前記第１の銅含有化合物と自発的に反応して揮発性の第２の銅含有化合物を形成する、ステップと、
   揮発性の前記第２の銅含有化合物を前記プロセシングチャンバからポンプで送り出して、異方的にエッチングして、前記銅含有層中にパターンを形成するステップと、を含む方法。
2. 前記カルボン酸が、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、酪酸および吉草酸の少なくとも１種を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記還元ガスがＣＨ _３ ＣＯＯＨを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記反応ガスがＯ _２ を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の銅含有化合物が、好ましくは、前記銅含有層中で形成されたフィーチャの底面で形成される、請求項１に記載の方法。
6. 前記プロセシングチャンバ中に不活性ガスを導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. Ｃｕ含有層を異方性エッチングするための方法であって、当該方法は、
   基板の上にＣｕ含有層を有する前記基板を真空チャンバに搬入するステップと、
   真空ポンプシステムによって、前記真空チャンバ内のチャンバ圧力を１０ ^−４ Ｔｏｒｒから１０ ^−６ Ｔｏｒｒの圧力範囲に維持するステップと、
   前記圧力範囲の前記チャンバ圧力で、１００ｅＶ〜１ｅＶの運動エネルギーを有する中性酸素原子の指向性ビームを導入するステップと、
   前記ビームの指向性に基づいて、前記Ｃｕ含有層を酸素原子の前記ビームへの曝露により異方的に酸化するステップと、
   前記圧力範囲の前記チャンバ圧力で、前記酸化されたＣｕ含有層と反応する際に、揮発性エッチング生成物を自発的に形成するカルボン酸ガスを導入するステップと、
   前記酸化されたＣｕ含有層から前記エッチング生成物を除去して、前記Ｃｕ含有層を異方的にエッチングするステップと、を含む、方法。
8. 前記不活性ガスが、アルゴン、ヘリウム、キセノン、および窒素の少なくとも１種を含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記カルボン酸ガスが、ＣＨ _３ ＣＯＯＨを含む、請求項７に記載の方法。
10. 基板上の銅含有層をエッチングするための方法であって、当該方法は、
    中性ビームソースおよび基板ホルダを有するプロセシングチャンバ中へ基板を搬入するステップであって、前記基板は銅含有層およびその上に形成されたエッチングマスクを有する、ステップと、
    真空ポンプシステムによって、前記プロセシングチャンバ内のチャンバ圧力を１０ ^−４ Ｔｏｒｒから１０ ^−６ Ｔｏｒｒの圧力範囲に維持するステップと、
    前記圧力範囲の前記チャンバ圧力で、前記銅含有層を、反応ガスを含む指向性の中性ビームに曝露するステップであって、前記反応ガスは、該中性ビームの指向性に基づいて、前記銅含有層中に形成されたフィーチャの曝露された表面の部分に第１の銅含有化合物を異方的に形成する、ステップと、
    前記圧力範囲の前記チャンバ圧力で、酢酸ガスをプロセシングチャンバ中へ導入するステップであって、前記基板ホルダ付近で前記酢酸ガスは前記第１の銅含有化合物と自発的に反応して揮発性銅含有化合物を形成する、ステップと、
    前記揮発性銅含有化合物を前記プロセシングチャンバからポンプで送り出して、異方的にエッチングして、前記銅含有層中にパターンを形成するステップと、を含む、方法。
11. 前記第１の銅含有化合物が、好ましくは、前記銅含有層中で形成されたフィーチャの底面で形成される、請求項１０に記載の方法。

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