專利名稱：使用鹵化物的銅蝕刻方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及銅鍍層的蝕刻方法和設備，尤其涉及在銅鍍層上鍍敷有第二種涂層材料的銅鍍層的蝕刻方法和設備。這樣的銅鍍層有如印刷電路制作中使用光形成和光激活的鹵素基團蝕刻所得的銅鍍層，用于印刷電路制作的和集成電路金屬鍍敷層的底版銅鍍層。
相當厚的銅鍍層或較薄的底層銅鍍層上的圖案，一直是印刷電路制作技術(shù)中所須要的。近來，在集成電路的制作技術(shù)中希望能在薄的銅層上形成圖案。鋁已被成功地普遍用于集成電路技術(shù)，從而在集成電路的活性元件之間，或跨越其上而形成導通線路。其部分原因是，人們認識到可以用一些技術(shù)容易地在鋁上形成圖案。但是，正如胡等人在“用于銅的擴散屏障的研究”(1986)IEEE.V-MICConference 1986年6月號9-10，181-187頁中所論述的，在集成電路中，銅具有許多優(yōu)于鋁金屬鍍敷層的長處，如較高的導電性，更好的電遷移阻力，以及較小的能耗。然而，又如該文進一步論述的，銅也比鋁能更易擴散入硅中。不過，此問題已由在硅和集成電路的其它鍍敷層以及銅金屬鍍敷層之間使用一擴散屏障而得以滿意地解決。
現(xiàn)有的銅膜的圖形蝕刻如下完成在印刷電路的制作中，以濕法加工;其中，先把一種起保護作用的、具圖形的基本膜，如光敏抗蝕膜施于銅鍍層之上;然后，用一種強液體蝕刻劑-通常是一種酸，腐蝕暴露的銅直至基片材料。這種方法在用于集成電路的制作中尚存在以下的問題。由于蝕刻中的雜質(zhì)可能被帶入集成電路片中，因而此濕式加工一開始即是“臟”的;所需的濕蝕刻劑常因與人體的接觸或吸入由此所產(chǎn)生的氣體，而易對操作者產(chǎn)生危害;銅的蝕刻需蝕刻劑和高溫，而此二者都可能破壞集成電路中的其它涂敷層;銅的濕式蝕刻是呈各向同的性質(zhì)，這樣使得對VLSI電路的銅金屬鍍敷非常困難，而濕式蝕刻的廢品棄置又使其費用昂貴。
因此，由于在集成電路中使用銅金屬層鍍敷的要求日益增加，和現(xiàn)有的濕式蝕刻技術(shù)中存在的固有的問題，開發(fā)一種用于銅鍍層，尤其是用于集成電路制作的銅鍍層的蝕刻的更有效的蝕刻方法和設備，已顯得越加重要。
陰極真空噴鍍技術(shù)現(xiàn)用于從涂銅的鋁膜上除去銅，因而，它可能應用于除去銅膜。不過，即然，銅沒有被轉(zhuǎn)化為一種揮發(fā)性形態(tài)，則陰極真空噴鍍，由高能級離子碰撞所引起的銅原子及銅原子團的物理學移動，將不會顯示出各種薄膜的選擇性的清除，而導致在反應室中產(chǎn)生高度的沉淀物的累積。另外，陰極真空噴鍍清洗技術(shù)相對來說，速度較慢，難于控制，并對掩蔽層的選擇性不夠。
干式蝕刻方法包括一個可形成活性劑的等離子體，如鹵素、胺、或一種有機基團。它和銅反應并形成銅的揮發(fā)性生成物。干式蝕刻方法接近于一種有效的銅蝕刻方法，它解決了在其它方法中所碰到的，特別是在反應室中的沉淀物的再次淀積的一些問題。但是，基于可能形成的銅化合物具有已知的高熔點和沸點，再聯(lián)系到與這些等離子體工藝有關的基體的溫度的正常范圍，一般認為，銅不會發(fā)生揮發(fā)。這樣，這些加工方法將不會是成功的。更進一步，等離子體的發(fā)射產(chǎn)生一個很寬范圍的離解的反應性產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可以以勻相的或非勻相地結(jié)合以形成聚合物殘留物。例如碳氫化合物和炭氯化合物會生成含很多粒子的聚合物殘渣。同樣，如果這些方法所產(chǎn)生的反應生成物不是揮發(fā)性的，一般認為，其表面的反應將阻止其表面之下的銅塊材料的進一步反應發(fā)生。如W.Sesselmann等人在“氯和銅的相互作用”Surface Seiences，(1986)176卷32-90頁中所論述的。他們已對銅和氯的反應作了一些研究，一些較早的對銅膜的離子蝕刻法所作的一些研究，見述于Schwartz等人的“銅膜的反應性離子蝕刻法”，Journal of the Electochemical Society，V01.130，No.8(1983)，1777-1779頁。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)用由光產(chǎn)生、激活或賦于能量，并暴露于銅膜的鹵素離子的干式或干/濕式方法，可以在即使集成電路制作的場合下，有效地蝕刻銅金屬鍍敷層。
本發(fā)明者又發(fā)現(xiàn)特別在較高的基片的溫度或反應室溫度下，銅鹵化物的反應產(chǎn)物從未屏蔽區(qū)域作各向異性揮發(fā)是可能的。而且，即使當該銅的鹵化物產(chǎn)物不是揮發(fā)性的，整體銅膜與鹵素離子的完全反應可以以定向性地、或各向異性地發(fā)生，以產(chǎn)生一個易由溶劑洗滌或用水洗來非均質(zhì)地去除的銅的鹵化物反應物。在以上二種情況下，反應生成物可被非均質(zhì)地清除。
因此，本發(fā)明的目的之一在于，提供一種銅膜的蝕刻方法，該銅膜可用于集成電路的制作。
本發(fā)明的又一目的在于，提供一個在銅蝕刻的方法中的圖案成形的臨界尺寸界限和控制。
本發(fā)明的目的之一在于，提供一種無需強的濕式蝕刻劑的銅膜蝕刻方法。
本發(fā)明的又一目的在于，提供一種各向異性的，可用于集成電路制作的銅蝕刻方法。
本發(fā)明的目的也在于，提供了一個用于經(jīng)光誘導生成的基團使定向地透過銅層擴散。
本發(fā)明的目的還在于，提供一種銅膜蝕刻方法，該方法避免了由陰極真空噴鍍技術(shù)產(chǎn)生的工藝室的污染。
本發(fā)明的目的還在于，提供一種實質(zhì)上是干式的銅的蝕刻方法。參照附圖及下述實施例的詳細描述，這些及其它本發(fā)明的優(yōu)點對一普通技術(shù)人員來說將是顯而易見的。


圖1根據(jù)本發(fā)明，為用于本發(fā)明的方法中的反應室實施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖2a和2b根據(jù)本發(fā)明，為在本蝕刻工藝的二階段中，半導體片的電子顯微鏡下的二個側(cè)視圖。
參照圖1，圖中顯示了一個封閉小室6，它具有基片座8，基片座8通常具有可調(diào)節(jié)溫度的加熱元件(圖中未示)以加熱置于其上的基片?；?上所示為一個典型的帶有基片9的集成電路片。例如一個單晶硅基片，一個銅金屬鍍層10以及一個形成圖案的屏框掩蔽模板11，(并不按尺寸比例繪制)。屏框掩蔽模板11在集成電路的制作工藝中，為一已知類型的光敏屏蔽材料。它可根據(jù)公知的照相平版印刷技術(shù)形成圖案并被蝕刻。但是，除了照相平版、屏蔽模板11也可由其它技術(shù)制作?；?可以包括調(diào)節(jié)的加熱元件(圖中未示)。以加熱基片9至所需的工藝溫度。此工藝溫度可依各種因素決定。如需得到此結(jié)合的銅生成物的高度的或完全的揮發(fā)，則需高的工藝溫度。所需高溫具體數(shù)值可依據(jù)所用的游離基反應劑而定。不過，影響使用如此高的工藝溫度的因素在于，所加工的集成電路片可能由于揮發(fā)反應所用的有效溫度而遭遇損壞或破壞。當然，印刷電路基片可能并不會因此高的工藝溫度而被損壞。
參照圖1，一個高強光源4，如經(jīng)過濾的紫外光源，一個1000瓦的汞/氙燈置于工藝室6之上。聚焦元件2和4被對準地置于穿過透明窗7的高強光下。7可以是一種石英窗，將光照在帶有屏蔽模板的銅鍍層10和11之表面上。透明窗7為封閉的，譬如用“O”型環(huán)14封閉。要指出的是，盡管圖1顯示了此高強光直接垂直照射于該電路片，但已發(fā)現(xiàn)，如果該工藝室的放置使該光線與電路片成其它角度或平行，則該高強光的照射同樣有效。
具有帶閥門13的進口部分12，可使反應劑R進入室6并和薄片9、10和11接觸。反應劑R為氯、氟、溴或碘游離基的鹵素。此鹵素游離基可從鹵素化合物獲得。例如，CF4正如本領域已熟知的那樣，用光化學解離，微波余輝解離法或等離子體放電解離等得到。另外，也可在該工藝室內(nèi)，以光化學解離方法，用如從源4引入Cl2至高強紫外光5下而獲得該鹵素游離基團。該鹵素游離基團R可由高強光線5被作光激活，同時與該銅鍍層10和屏蔽模板層11接觸。
使用了可被光激活的鹵素游離基團R，在室6內(nèi)發(fā)生的蝕刻過程，將依最初發(fā)生反應時的溫度和所用的蝕刻劑而按兩套不同的方法發(fā)生。當銅層10與光激活反應物R＊接觸，該銅和鹵素的原子在表面發(fā)生反應，形成一個銅的鹵化合物。這些反應可表示如下Ⅰ.游離基團的形成這里，P為母體分子，R為胺或有機游離基團，R＊為光激活的游離基團。
Ⅱ.與銅結(jié)合的游離基團的形成這里，(g)為氣體，(s)為固體。
Ⅲ.CuR的除去
，這里，S為溶劑，(Soln)為溶液，(ads)為被吸收。
如果在反應條件下，CuR是揮發(fā)性的，則生成物CuR被作為蒸汽放出，并可作為汽體泵出室6。
如果CuR不是揮發(fā)性的，此生成物滯留在銅層表面上。然而，本發(fā)明者驚奇地發(fā)現(xiàn)此時反應仍在銅層整個表面連續(xù)進行而形成CuR。在已述的工藝條件下，該表面反應并不阻止在表面之下的反應發(fā)生。當這樣的反應在整個銅層10表面發(fā)生之后，產(chǎn)生的銅鹵化產(chǎn)物CuR可用適當?shù)娜芤?，如水或丙酮被清洗去。而且，可以相信，R的再次擴散入CuR中和銅發(fā)生反應為一種光敏的定向性擴散。
圖2a和2b是在電子顯微鏡下所觀察到的，在本發(fā)明的方法中的二階段中使用了銅鍍層的集成電路片的示意圖。圖2a的薄片表示蝕刻之前，顯示了一個硅基片9，一個二氧化硅層9a，一個鎢鈦阻擋層10a和一個銅層10。
此處用到一個屏蔽模板11，并由如已知的照相平板印刷方法，或其它已知手段在其上施以圖案。這時，用圖象反轉(zhuǎn)顯影方法產(chǎn)生一個懸臂狀抗蝕刻的懸突體。
圖2b描述了在下述條件下，在圖1中的室內(nèi)完成蝕刻過程之后的同樣的薄片。這些薄片(9、10和11)可用稀釋硝酸去光。一支1000瓦的帶水濾器的汞一氙燈被定向照在片9、10和11之上。該水濾清器用作當通過深度紫外光時，除去高于1.3μ的大多數(shù)紅外光，使降至大約200nm。該光線垂直射于薄片上。這些薄片被加熱至200℃。氯分子Cl2，在10乇壓力下，以100sccm之比率引入該室。氯分子Cl2被該光源的光能作光離解，產(chǎn)生Cl離子游離基。該片暴露于氯游離基10分鐘。在這之后，圖2b又顯示了未被掩蔽的整個銅層發(fā)生反應，其厚度擴展為原來厚度的3倍。產(chǎn)生的層膜12即為CuCl2。另由于初始防蝕面，可以看到一個空隙14。一般的洗滌可清洗此產(chǎn)生的薄膜。以丙酮或水洗通常可洗去反應生成物。注意，當抗蝕劑接觸銅膜表面時，該銅層側(cè)面并未被蝕刻。
要指出的是，本發(fā)明雖揭示了有關實施例，但它們并未被限定。這些實施例中所得出的數(shù)據(jù)可在一定的范圍內(nèi)變化，以獲所需的結(jié)果。因而，本發(fā)明的范圍只在所附的權(quán)利要求書和相應的修改中才被限定。
權(quán)利要求
1.一種在密閉的小室內(nèi)對基片上的銅層作各向?qū)晕g刻，以形成具圖案的導體的蝕刻方法，它包括以下步驟對所說的銅層的不企圖被蝕刻的區(qū)域作屏框掩蔽；在密閉小室中引進鹵素游離基團至所說的銅層上，以在所說的鹵素游離基團被高強光照射后，形成一銅鹵化物的反應產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，它進一步包括如下步驟加熱所說的基片至一溫度，在此溫度下，所說的銅的鹵化物反應產(chǎn)物能大體上揮發(fā)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，它進一步包括如下步驟清洗所說的基片，以去除所說的銅的鹵化物反應產(chǎn)物。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所說的基片被加熱至2000℃以上。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鹵素游離基團為氯游離基團。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所說的高強光為紫外光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可用于集成電路制作的銅層蝕刻的蝕刻方法，該方法使用了鹵化物與銅反應，最好使用高強的紫外光的光激能和光定向輔助，以生成或具揮發(fā)性的、或易用溶液清洗的產(chǎn)物。本方法為各向異性的。
文檔編號H05K3/06GK1052706SQ9011006
公開日1991年7月3日 申請日期1990年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月20日
發(fā)明者蒙特·A·道格拉斯 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司