KR20140016884A - 금속막의 가공 방법 및 가공 장치 - Google Patents

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이사오 군지
히데노리 미요시
겐이치 하라
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

피처리체(W)의 표면에 형성된 금속막(72)을 가스 클러스터 빔에 의해 가공하는 금속막의 가공 방법에 있어서, 금속막의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 산화 가스와, 산화물과 반응하여 유기 금속 착체를 형성하는 착화 가스와, 희가스의 혼합 가스를 단열 팽창시켜 가스 클러스터 빔을 형성하고, 가스 클러스터 빔을 피처리체의 금속막에 충돌시킴으로써 금속막을 에칭 가공한다.

Description

금속막의 가공 방법 및 가공 장치 {METHOD FOR TREATING METAL FILM AND TREATMENT DEVICE}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체의 표면에 형성되어 있는 금속막을 가스 클러스터 빔에 의해 가공하는 금속막의 가공 방법 및 가공 장치에 관한 것이다.
초LSI의 배선은, 현재는 구리 다마신(damascene)법에 의해 형성되고 있다. 구리 다마신법이라 함은, 포토리소그래피 기술과 드라이 에칭 기술을 사용하여 절연막에 패턴화된 홈을 형성하고, 그 표면을 구리 배리어막에 의해 피복하고 나서 구리 도금을 홈에 매립하여, 불필요한 상층부를 CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의해 연마하여 제거하여 금속 패턴을 형성하는 방법이다(비특허문헌 1 참조).
구리 다마신법은, 미세한 홈에 양호하게 구리 배리어막을 피복하는 프로세스, 구리 배리어막 상에 양호하게 구리 도금 시드막을 피복하는 프로세스, 구리 도금을 미세 구조에 양호하게 매립하는 프로세스를 필요로 하여, 보다 미세한 패턴에의 적용이 어려웠다. 또한, 패턴 형성에 CMP 프로세스가 필수로 되므로, TSV(Through Silicon Via)에 접속시키는 범프와 같은, 큰 패턴 형성 프로세스에는 비용이 상승해 버린다.
다마신법 이외의 금속막 패턴 형성 프로세스 중 하나로, 웨트 에칭법이 있다. 이것은 금속막 상에 마스크를 패터닝하여, 마스크가 없는 금속막 부분을 희염산 등으로 웨트 에칭 제거하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 금속을 등방적으로 에칭하므로, 미세한 구조이면 사이드 에칭량을 제어할 수 없어 양호한 패턴 형성을 유지하는 것이 어렵다.
또 하나의 방법으로서, RIE(Reactive Ion Etching)법이 있다. 이 방법은, 반응성 플라즈마에 의해 마스크되어 있지 않은 금속부를 에칭하는 방법으로, 할로겐화물의 증기압이 높은 금속 원소인 Al, Ti, Ta, W 등을 RIE법으로 에칭한 경우에는, 양호한 패턴 형성이 얻어지는 것이 확인되어 있다(비특허문헌 2 참조).
그러나, 할로겐화물의 증기압이 낮은 금속인 Co, Ni, Cu, Pt, Ru 등을 RIE법으로 에칭함으로써 패턴 형성하는 경우, 할로겐화 금속을 가스화하여 제거하여, 반응 용기의 벽에의 재부착을 방지하기 위해 기판과 반응 용기의 벽의 온도를 고온으로 유지할 필요가 있다.
또한, 이러한 고온 RIE 프로세스에서는, 플라즈마의 활성종인 할로겐 이온과 라디칼이 에칭에 의해 형성된 개구(홈이나 홀)의 측벽을 부식시켜, 양호한 패턴 형상을 유지하는 것이 어렵다(비특허문헌 3). 나아가서는, 이들 RIE법에서는, 플라즈마에 의해 분해된 에천트가 폴리머나 화합물의 형태로 잔사로서 남아, 에칭 후의 웨트 클리닝에서도 완전히 제거되지 않는 문제가 빈발한다.
한편, 클리닝이나 에칭 가스를 단열 팽창시킴으로써 발생하는 가스 클러스터 빔을 사용한 클리닝 처리나 가공 처리가 제안되어 있다(특허문헌 1, 2). 이 경우, 상기 가스 클러스터 빔을 이온화하여 가속시키는 것도 행해지고 있다. 그리고, 상기 가스 클러스터 빔이 재료의 표면에 충돌하면, 그때에 발생하는 열이나 화학 반응에 의해 표면을 청정화하거나, 혹은 재료를 에칭하도록 되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2009-043975호 공보 국제 공개 제2010/021265
D. Edelstein et al, IEDM Technical Digest, IEEE(1997). Y. Yasuda, Thin Solid Films, Volume 90, Issue 3, 23 April 1982, Pages 259-270. B.J. Howard and C. Steinbruchel, Applied Physics Letters, 59(8), 19p914, (1991).
상술한 바와 같이 가스 클러스터 빔을 사용한 경우에 있어서는, 실리콘막에 대해 에칭 가공을 충분히 행할 수 있는 것이 알려져 있다. 그러나, 전술한 바와 같은 Cu, Co, Pt, Ru 등의 금속에 의해 형성되는 금속 할로겐화물의 증기압은 상당히 낮다. 이로 인해, Cu, Co, Pt, Ru 등의 금속에 의해 형성되는 금속 할로겐화물에 상술한 바와 같은 가스 클러스터 빔을 충돌시킨 경우, 여전히 양호한 패턴 형성을 유지하는 것이 어려운 것과 같은 문제가 있었다.
이상과 같은 문제점에 착안하여, 본 발명의 목적으로 하는 것은, 이것을 유효하게 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명은, 종래의 클러스터 빔법으로는 에칭할 수 없었던 금속막을 산화 가스와 착화 가스와 희가스를 사용한 클러스터 빔에 의해 에칭하는 것이 가능한 금속막의 가공 방법 및 가공 장치이다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 상기 금속막의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 산화 가스와, 상기 산화물과 반응하여 유기 금속 착체를 형성하는 착화 가스와, 희가스의 혼합 가스를 진공 배기가 가능한 처리 용기 내에서 단열 팽창시켜 가스 클러스터 빔을 형성하는 형성 스텝과, 상기 가스 클러스터 빔을 상기 피처리체의 표면에 형성된 금속막에 충돌시킴으로써 상기 금속막을 에칭하는 가공 스텝을 포함하는 금속막의 가공 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 피처리체의 표면에 형성된 금속막을 가스 클러스터 빔에 의해 가공하는 금속막의 가공 장치에 있어서, 진공 배기가 가능하게 이루어진 처리 용기와, 상기 피처리체를 보유 지지하는 보유 지지 수단과, 상기 보유 지지 수단에 대향시켜 설치되는 동시에, 상기 금속막의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 산화 가스와 상기 산화물과 반응하여 유기 금속 착체를 형성하는 착화 가스와 희가스의 혼합 가스를 상기 처리 용기 내에서 단열 팽창시켜 가스 클러스터 빔을 형성하는 가스 클러스터 빔 형성 수단을 구비하고, 상기 가스 클러스터 빔을 상기 피처리체의 표면에 형성된 금속막에 충돌시킴으로써 상기 금속막을 에칭하는 가공 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 금속막을 산화 가스와 착화 가스와 희가스를 사용한 클러스터 빔에 의해 에칭 가공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 금속막의 가공 장치의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 금속막의 가공 방법의 일례를 나타내는 공정도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 금속막의 가공 방법의 일례를 나타내는 공정도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 금속막의 가공 방법의 일례를 나타내는 공정도이다.
도 3은 구리를 에칭할 때에 발생하는 반응 부생성물인 Cu(hfac)2의 증기압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가공 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
이하에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 금속막의 가공 방법 및 가공 장치의 일례를 첨부 도면에 기초하여 상세하게 서술한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 금속막의 가공 장치의 일례를 나타내는 구성도이다. 본 실시 형태에서는 금속막으로서 구리의 박막에 대해 패터닝 에칭 가공을 실시하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 이 가공 장치(2)는, 소정의 길이의 상자 형상으로 이루어진 처리 용기(4)를 갖고 있다. 이 처리 용기(4)는, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 스테인리스 스틸 등의 내압성이 우수한 재료에 의해 형성되어 있다. 이 처리 용기(2) 내는, 피처리체인 예를 들어 반도체 웨이퍼(W)가 설치되는 처리 공간(6)과, 가공을 위한 후술하는 가스 클러스터 빔을 발생시키는 빔 형성 공간(8)으로, 용기 내의 중앙에 설치한 스킴판(10)에 의해 좌우로 2개로 구분되어 있다. 이 스킴판(10)의 중앙부에는, 직진성이 높은 가스 클러스터 빔만을 통과시키는 가스 스킴 구멍(12)이 형성되어 있다.
이 가스 스킴 구멍(12)의 개구 면적은 매우 작지만, 이 가스 스킴 구멍(12)을 통해 상기 처리 공간(6)과 빔 형성 공간(8)은 연통 상태로 이루어져 있다. 그리고, 상기 처리 공간(6) 내에는, 상기 반도체 웨이퍼(W)를 보유 지지하는 보유 지지 수단(14)이 설치되어 있다. 구체적으로는, 이 보유 지지 수단(14)은, 웨이퍼(W)를 보유 지지하기 위해 예를 들어 원판 형상으로 이루어진 보유 지지대(16)를 갖고 있다. 이 보유 지지대(16)를 상하 방향으로 기립시켜 설치하고, 이 일측면에 웨이퍼(W)의 이면을 접촉시켜, 웨이퍼(W)의 주변부를 클램퍼(18)에 의해 고정하도록 되어 있다. 이 보유 지지대(16)는, 처리 용기(4)의 천장부에 설치한 주사(走査) 액추에이터(20)에 의해 지지되어 있다.
구체적으로는, 이 주사 액추에이터(20)는, 하방으로 연장되는 아암(22)을 갖고 있고, 이 아암(22)에 상기 보유 지지대(16)를 장착하여 고정하고 있다. 이 아암(22)은, 도면 중에 있어서 상하 방향[Y방향], 좌우 방향[Z방향] 및 지면(紙面)의 수직 방향[X방향](도시하지 않음)으로 각각 이동 가능하게 이루어져 있다. X방향 및 Y방향으로는, 웨이퍼(W)의 적어도 반경의 길이만큼 주사 이동할 수 있도록 되어 있고, 이 주사 이동에 의해 도면 중 좌측으로부터 직진해 오게 되는 가스 클러스터 빔을 웨이퍼(W)의 전체면에 조사할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 처리 공간(6) 및 빔 형성 공간(8)을 구획하는 처리 용기(4)의 각 저부에는, 각각 배기구(24, 26)가 설치되어 있고, 각 배기구(24, 26)에는, 진공화를 행하는 배기계(28)가 접속되어 있다. 구체적으로는, 이 배기계(28)는, 상기 2개의 배기구(24, 26)에 공통적으로 접속된 배기 통로(30)를 갖고 있다. 그리고, 이 배기 통로(30)에 그 상류측으로부터 하류측을 향해 압력 조정을 행하기 위한 압력 조정 밸브(32)와 제1 진공 펌프(34)와 제2 진공 펌프(36)가 순차 개재 설치되어 있고, 상기 처리 용기(4) 내의 전체를 압력 조정하여 고진공 상태로 유지할 수 있도록 되어 있다. 상기 제1 진공 펌프(34)로서 예를 들어 터보 분자 펌프가 사용되고, 상기 제2 진공 펌프(36)로서는 예를 들어 드라이 펌프가 사용된다.
그리고, 이 처리 용기(4) 내에는, 상기 보유 지지대(16)에 대향시키도록 하여 가스 클러스터 빔 형성 수단(38)이 설치되어 있다. 구체적으로는, 이 가스 클러스터 빔 형성 수단(38)은, 가스 클러스터를 고속으로 분사하는 분사 기구(40)를 갖고 있다. 이 분사 기구(40)는, 어느 정도의 크기의 용량으로 이루어진 가로로 긴 체류 챔버(42)와, 이 가로로 긴 체류 챔버(42)의 선단측에 설치되어 분사 방향을 향해 점차 직경 확장된 나팔 형상의 노즐부(44)로 이루어져, 전체적으로 예를 들어 라발 노즐(laval nozzle) 을 구성하고 있다.
그리고, 이 체류 챔버(42)에는, 가스 클러스터 빔의 형성에 필요한 각종 가스를 도입하기 위한 가스 도입 통로(46)가 접속되어 있다. 이 가스 도입 통로(46)에는, 산화 가스를 흘리는 산화 가스 통로(48)와 착화 가스를 흘리는 착화 가스 통로(50)가 공통적으로 접속된다. 그리고, 상기 산화 가스 통로(48)에는, 그 상류측으로부터 하류측을 향해 매스 플로우 컨트롤러와 같은 기체용 유량 제어기(52) 및 개폐 밸브(54)가 순차 개재 설치되어 있어, 높은 압력의 산화 가스를 유량 제어하면서 공급할 수 있도록 되어 있다. 여기서 산화 가스로서 예를 들어 O2(산소)가 사용된다.
본 실시 형태에서는, 실온에서 액체의 착화제가 사용된다. 이로 인해, 상기 착화 가스 통로(50)에는, 그 상류측으로부터 하류측을 향해 액체용 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(56), 개폐 밸브(58) 및 기화기(60)가 순차 개재 설치되어 있다. 그리고, 상기 기화기(60)에는, 캐리어 가스로서 기능하는 희가스를 흘리기 위한 희가스 통로(62)가 접속된다. 그리고, 이 희가스 통로(62)는, 그 상류측으로부터 하류측을 향해 매스 플로우 컨트롤러와 같은 기체용 유량 제어기(64) 및 개폐 밸브(66)가 순차 개재 설치되어 있어, 높은 압력의 희가스를 캐리어 가스로서 유량 제어하면서 공급할 수 있도록 되어 있다.
여기서는 상기 착화제로서 실온에서 액체인 헥사플루오로아세틸아세톤(1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentanedione:H(hfac))이 사용되고, 또한 캐리어 가스로 되는 희가스로서는 Ar이 사용된다. 상기 액체의 착화제는 높은 압력으로 압송되어 흘려져, 기화기(60)에서 기화되어 착화 가스로 되고, 높은 압력의 캐리어 가스(Ar)와의 혼합 상태로 되어 하류를 향해 흐르도록 되어 있다.
그리고, 산화 가스, 착화 가스 및 희가스(캐리어 가스)는 혼합 상태로 되어 가스 도입 통로(46)로부터 고압 상태 그대로 체류 챔버(42)로 도입되고, 이 선단의 노즐부(44)로부터 진공 상태의 빔 형성 공간(8)을 향해 단열 팽창시킴으로써, 가스 클러스터 빔(70)을 형성할 수 있도록 되어 있다. 이 경우, 상기 분사 기구(40)는, 노즐부(44)와 가스 스킴 구멍(12)의 개구부의 중앙이 동일한 높이에 위치하고, 분사되는 가스 클러스터 빔(70)의 중심이 가스 스킴 구멍(12)을 통과하도록 설치된다. 여기서 상기 산화 가스는 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 형성되어 있는 금속막의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 작용을 갖는다. 또한, 상기 착화 가스는 상기 산화물과 반응하여 유기 금속 착체를 형성하는 작용을 갖는다. 또한, 상기 희가스는 가스 클러스터를 형성할 때의 핵으로 되는 작용을 갖고 있다.
또한, 여기서는 산화 가스와 착화 가스(캐리어 가스를 포함함)를 통로의 도중에서 혼합시켰지만, 이것에 한정되지 않고, 이들 양 가스를 따로따로 체류 챔버(42)에 도입하여 체류 챔버(42) 내에서 혼합 가스를 형성하도록 해도 된다. 또한, 착화 가스에 대해 희가스의 캐리어 가스가 불필요한 경우에는, 희가스를 통로 도중에서 산화 가스나 착화 가스와 혼합시켜 혼합 가스를 형성하거나, 혹은 희가스를 직접적으로 체류 챔버(42) 내에 도입하여 혼합 가스를 형성하도록 해도 된다.
이상과 같이 구성된 가공 장치(2)의 전체의 동작은, 예를 들어 컴퓨터 등으로 이루어지는 장치 제어부(72)에 의해 제어되도록 되어 있고, 이 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은 기억 매체(74)에 기억되어 있다. 이 기억 매체(74)는, 예를 들어 플렉시블 디스크, CD(CompactDisc), 하드 디스크, 플래시 메모리 혹은 DVD 등으로 이루어진다. 구체적으로는, 이 장치 제어부(72)로부터의 지령에 의해, 각종 가스의 공급의 개시, 정지나 유량 제어, 프로세스 압력의 제어 등이 행해진다.
또한, 상기 장치 제어부(72)는, 장치 제어부(72)와 오퍼레이터에 의해 조작되는 장치를 접속하는 유저 인터페이스(도시하지 않음)를 갖고 있고, 유저 인터페이스는 오퍼레이터가 장치를 관리하기 위해 커맨드의 입출력 조작 등을 행하는 키보드나, 장치의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등이어도 된다. 또한, 장치 제어부(72)는 통신 회선(도시하지 않음)에 접속되고, 통신 회선을 통해 상기 각 제어를 위한 정보의 통신을 상기 장치 제어부(72)에 대해 행하도록 해도 된다.
<가공 방법>
다음에, 이상과 같이 구성된 가공 장치(2)를 사용하여 행해지는 본 실시 형태의 금속막의 가공 방법에 대해, 도 1∼도 3을 참조하여 설명한다. 도 2a∼도 2c는 본 실시 형태의 금속막의 가공 방법의 일례를 나타내는 공정도, 도 3은 구리를 에칭할 때에 발생하는 반응 부생성물인 Cu(hfac)2의 증기압 곡선을 나타내는 그래프이다.
우선, 피처리체인 반도체 웨이퍼(W)를 클램퍼(18)에 의해 고정함으로써, 반도체 웨이퍼(W)를 처리 용기(4) 내에 설치한 보유 지지 수단(14)의 보유 지지대(16) 상에 보유 지지한다. 이때, 웨이퍼(W)는 피가공면이 도면 중 좌측을 향하고 있고, 가스 클러스터 빔 형성 수단(38)을 향해 대향하는 상태로 배치한다. 웨이퍼(W)의 표면을 확대하여 도시한 도 2a∼도 2c를 참조하면, 우선, 도 2a에 도시하는 바와 같이, 이 웨이퍼(W)의 표면인 피가공면에는 에칭의 가공 대상으로 되는 금속막(72)이 미리 형성되어 있고, 이 금속막(72)의 표면에 패턴화된 마스크(74)가 형성되어 있다. 여기서는 전술한 바와 같이, 상기 금속막으로서 구리(Cu)가 사용되고, 또한 상기 마스크(74)로서는 가스 클러스터 빔에 대해 내성이 있는 재료, 예를 들어 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의한 실리콘 산화막(SiO2)이나 실리콘 질화막(Si3N4)이 사용된다.
상술한 바와 같이 웨이퍼(W)를 보유 지지대(16)에 보유 지지시키면, 이 처리 용기(4) 내를 밀폐하는 동시에, 배기계(28)를 구동하여 처리 용기(4) 내를 진공화하여, 처리 공간(6) 내 및 빔 형성 공간(8) 내를 고진공 상태로 한다.
그리고, 가스 클러스터 빔 형성 수단(38)을 구동시켜 가스 클러스터 빔(70)을 발생시킨다. 즉, 산화 가스와 착화 가스와 희가스가 각각 높은 압력으로 흘러 와, 각각 유량 제어되면서 공급된다. 착화 가스의 원료인 착화제, 즉, H(hfac)는 실온에서 액체이므로, 높은 압력으로 유량 제어되면서 압송되고, 기화기(60)에서 기화되어 착화 가스로 된다. 이 착화 가스는 기화기(60)에 공급되는 캐리어 가스로서의 Ar 가스(희가스)와 혼합되어 흘려진다. 그리고, 상기 산화 가스와 착화 가스와 희가스는 혼합 가스로 되어 가스 도입 통로(46)를 통과하여, 분사 기구(40)의 체류 챔버(42) 내에 공급된다. 이 혼합 가스는 고압 상태로 되어 있고, 이 혼합 가스는 노즐부(44)로부터 고진공 상태로 되어 있는 빔 형성 공간(8) 내를 향해 단열 팽창에 의해 방사 내지 분사된다. 이때, 처리 용기(4) 내는 고진공 상태로 되어 있으므로, 혼합 가스는 단열 팽창되어 방사되고, 가스 클러스터 빔(70)이 형성되어 웨이퍼(W)를 향해 조사되게 된다.
이 가스 클러스터 빔(70)은, 확산된 가스 클러스터는 도중에 스킴판(10)에 의해 차단되고, 스킴판(10)에 형성한 가스 스킴 구멍(12)을 직진성이 높은 가스 클러스터 빔(70)만이 통과하여, 도 2b에 도시하는 바와 같이 웨이퍼(W)에 조사된다. 상기 체류 챔버(42) 내의 압력은, 예를 들어 20기압 정도이며, 빔 형성 공간(8) 내 및 처리 공간(6) 내의 압력은 10-3Pa 이상이고 105Pa 이하의 압력이다.
상기 가스 클러스터 빔(70)을 구성하는 가스 클러스터(70A)는, 상술한 노즐부(44)에 있어서의 혼합 가스의 단열 팽창에 의한 냉각에 의해, 희가스인 Ar을 핵으로 하여 산화 가스의 원자 혹은 분자와 착화 가스의 원자 혹은 분자에 의해 느슨하게 속박된 상태로 되어 있다. 즉, 1개의 가스 클러스터(70A)는, 예를 들어 수 개∼수천 개의 원자, 또는 분자로 이루어지고, 산화 가스와 착화 가스와 희가스가 원자 레벨 혹은 분자 레벨로 혼재한 상태로 되어 있다.
상기 가스 클러스터 빔(70)이 도 2b에 도시하는 바와 같이 Cu로 이루어지는 금속막(72)에 조사되면, 이때의 충돌 에너지에 의해 부분적으로 열이 발생한다. 이때, 우선 구리와 산화 가스가 반응하여 산화물이 형성되고, 이 산화물과 착화 가스가 반응하여 비교적 증기압이 높은 유기 금속 착체가 형성된다. 이 유기 금속 착체가 가스화되어 배기되어 감으로써, Cu로 이루어지는 금속막(72)이 도 2b 및 도 2c에 도시하는 바와 같이 에칭되게 된다. 이와 같이 하여 패턴화된 마스크(74)의 패턴 홈(74) 내에 노출되어 있는 금속막(72)을 가스 클러스터 빔에 의한 에칭에 의해 제거할 수 있다.
또한, 주사 액추에이터(20)에 의해 보유 지지대(16)를 X방향 및 Y방향으로 주사함으로써, 가스 클러스터 빔(70)을 웨이퍼(W)의 전체면에 조사시켜 에칭할 수 있다. 또한, Z방향으로 보유 지지대(16)를 이동시킴으로써 웨이퍼(W)를 분사 기구(40)에 대해 접근, 혹은 이격시켜 에칭할 수 있다. 이 에칭시의 구리와 산화 가스인 O2와 착화 가스인 H(hfac)의 반응은 다음과 같이 나타내어진다.
4Cu＋O2→2Cu2O(Cu:1가)
2Cu＋O2→2CuO(Cu:2가)
Cu2O＋2H(hfac)→Cu＋Cu(hfac)2↑＋H2O↑
CuO＋2H(hfac)→Cu(hfac)2↑＋H2O↑
여기서 화살표 ↑는 가스로 되어 비산되어 가는 것을 나타낸다. 반응 부생성물로서 형성되는 유기 금속 착체인 착체 Cu(hfac)2는 비교적 증기압이 높으므로 용이하게 승화시켜 제거할 수 있다. 여기서 산화되어 있지 않은 구리는, 적어도 265℃ 이상이 아니면 H(hfac)와 반응하지 않지만, 상술한 바와 같이 1가 또는 2가로 산화되어 있는 구리는 150℃ 정도에서 용이하게 H(hfac)와 반응하므로, 가스 클러스터 빔(70)의 충돌 에너지에 의해 국소적으로 용이하게 150℃ 이상으로 되고, 이것으로부터 증기압이 비교적 높은, 즉, 승화되기 쉬운 Cu(hfac)2인 착체(유기 금속 착체)를 형성할 수 있다.
이 착체는, 상술한 바와 같이 증기압이 비교적 높으므로, 웨이퍼(W) 자체를 고온으로 가열하지 않아도 용이하게 승화되어 제거되게 된다. 도 3은 착체 Cu(hfac)2의 증기압 곡선을 나타내고 있고, 예를 들어 온도 150℃ 정도에서 증기압은 100Torr 정도이다. 따라서, 가스 클러스터 빔(70)의 충돌 에너지는 열에너지로 변환되어 미시적으로 용이하게 150℃ 정도의 온도로 되고, 또한 처리 공간(6) 내의 프로세스 압력은, 예를 들어 100Torr보다도 낮으므로, Cu(hfac)2를 용이하게 승화시켜 제거할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 가스 클러스터 빔(70)이 Cu의 금속막(72)에 최초로 충돌하였을 때에 그 충돌면에서 Cu와의 산화 반응에 의해 산화 가스인 O2가 거의 소비되어 버리므로, 충돌면으로부터 주위로 산란된 분자 중에는 거의 산소가 포함되어 있지 않다. 가령 미반응 O2가 존재해도 2차적인 산란에 의해 운동 에너지가 상실되어 있으므로, 측벽에 충돌해도 산화 반응을 일으키기 어렵다. 이로 인해, 산란된 분자에 의해 2차적인 에칭이 행해지는 확립이 매우 작아져 사이드 에칭이 억제되어, 결과적으로 금속 에칭 홈의 측벽의 형상을 평활하게 유지할 수 있다.
이 경우, 특히, 구리의 산화에 기여하는 산화 가스의 양을 착화 가스의 양보다도 적게 설정해 둠으로써 과잉의 산화 가스가 없어져, 상술한 바와 같은 사이드 에칭이 발생하는 것을 한층 억제할 수 있다. 이 사이드 에칭의 억제 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, 착화 가스의 양을 산화 가스의 양의 5배 이상의 크기로 설정해 두는 것이 바람직하다. 특히, 상기 산화 가스의 양과 착화 가스의 양의 비를 적절하게 컨트롤함으로써, 상기한 사이드 에칭의 발생량도 조정하고, 또한 억제할 수 있다. 또한 희가스의 양은 비교적 적어도 되며, 예를 들어 산화 가스의 1/10 정도의 양이면 충분하지만, 이 유량은 특별히 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 실시 형태에서는 예를 들어 구리로 이루어지는 금속막(72)의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 산화 가스, 예를 들어 O2와 상기 산화물을 착화하여 유기 금속 착체를 형성하는 착화 가스, 예를 들어 H(hfac)와 희가스의 혼합 가스를 단열 팽창시켜 가스 클러스터 빔(70)을 형성하고, 상기 가스 클러스터 빔을 상기 피처리체, 예를 들어 반도체 웨이퍼(W)의 금속막에 충돌시킴으로써 상기 금속막을 에칭하도록 하였으므로, 종래의 클러스터 빔법으로는 에칭할 수 없었던 금속막을 산화 가스와 착화 가스와 희가스를 사용한 클러스터 빔에 의해 에칭 가공할 수 있다.
<변형예>
다음에 본 발명의 변형예에 관한 가공 장치에 대해 설명한다. 상술한 실시 형태에서는 가스 클러스터 빔 형성 수단(38)에 의해 형성한 가스 클러스터 빔(70)을 직접적으로 반도체 웨이퍼(W)에 충돌시켰지만, 이것에 한정되지 않고, 이 가스 클러스터 빔(70)을 도중에 이온화시키는 동시에 속도를 더욱 가속하여 웨이퍼에 충돌시키도록 해도 된다. 이러한 가공 장치의 변형예는 도 4에 도시된다.
도 4는 본 발명의 변형예에 관한 가공 장치의 일례를 도시하는 도면이다. 또한, 도 4 중에 있어서, 도 1 중에 도시하는 구성 부분과 동일 구성 부분에 대해서는 동일 참조 번호를 부여하여 그 설명을 생략한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 이 가속 장치에서는, 처리 용기(4)의 처리 공간(6)측에, 스킴판(10)과 평행하게 구획벽(80)을 설치하여, 이 구획벽(80)과 상기 스킴판(10) 사이에 이온화 공간(82)을 형성하고 있다.
그리고, 이 구획벽(80)의 중앙부에는, 상기 스킴판(10)의 가스 스킴 구멍(12) 및 분사 기구(40)의 노즐부(44)와 직선 상에 위치하도록 작은 구멍 직경의 조사 구멍(84)이 형성되어 있고, 여기에 가스 클러스터 빔(70)을 통과시키도록 되어 있다. 그리고, 이 이온화 공간(82)을 구획하는 처리 용기(4)의 저부에도 배기구(86)가 형성되어 있고, 이 배기구(86)는 배기계(28)의 배기 통로(30)에 접속되어, 이온화 공간(82) 내를 진공화할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 이온화 공간(82) 내에는, 가스 클러스터 빔(70)이 통과하는 경로에 대응시켜 이오나이저(88)가 설치되어 있어, 이 이오나이저(88) 내를 통과하는 가스 클러스터 빔(70)을 이온화하도록 되어 있다. 이 이오나이저(88)로서는, 예를 들어 이온화를 위한 열전자를 방출하는 백열 필라멘트(도시하지 않음)를 갖는 전자 충돌 이오나이저를 사용할 수 있다.
이 이오나이저(88)의 하류측의 경로에는, 상기 이온화된 가스 클러스터 빔(70)을 가속시키는 가속 전극부(90)가 설치되어 있다. 이 가속 전극부(90)는, 가스 클러스터 빔(70)의 진행 방향을 따라 병렬시켜 설치한 복수 세트의 링 형상의 전극(92)을 갖고 있다. 그리고, 이 복수 세트의 전극(92) 사이에 가속 전원(도시하지 않음)을 접속하여 빔 가속용의 고전압을 인가하도록 되어 있다.
이 변형에 따르면, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있을뿐만 아니라, 이오나이저(88)에 의해 이온화된 가스 클러스터 빔(70)을 가속 전극부(90)에서 가속하여 웨이퍼(W)에 충돌시킬 수 있으므로, 그만큼, 효율적으로 금속막의 에칭 가공을 행할 수 있다.
이상, 상기 실시 형태 및 변형예에 관한 금속막의 가공 방법 및 가공 장치에 따르면, 다음과 같이 우수한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
비플라즈마 프로세스이므로, 할로겐 라디칼이나 이온에 의한 측벽 표면의 부식이 없다. 따라서, RIE법과 비교하여 양호한 에칭 형상을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 플라즈마에 의해 활성화된 에칭 가스가 폴리머화되어 마스크 표면이나 에칭 측벽에 퇴적하는 일이 없다. 이로 인해, 에칭 후의 가공 기판의 세정 공정이 대폭 간이화된다.
도입된 가스로부터 증기압이 높은 유기 금속 착체가 형성되고, 배기되므로, 처리 용기 측벽에의 부생성물 부착량을 극적으로 저감할 수 있다. 그로 인해, 장치 처리 용기의 내벽 클리닝 횟수를 저감할 수 있어, 장치의 사용 효율을 높게 유지할 수 있다.
피처리체의 표면에 형성된 금속막을 가공할 때, 금속막의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 산화 가스와 상기 산화물과 반응하여 유기 금속 착체를 형성하는 착화 가스와 희가스의 혼합 가스를 단열 팽창시켜 가스 클러스터 빔을 형성하고, 상기 가스 클러스터 빔을 상기 피처리체의 금속막에 충돌시킴으로써 상기 금속막을 에칭할 수 있도록 하였으므로, 종래의 클러스터 빔법으로는 에칭할 수 없었던 금속막을 산화 가스와 착화 가스와 희가스를 사용한 클러스터 빔에 의해 에칭 가공할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자이면, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.
예를 들어 이상의 실시 형태에서는, 산화 가스로서 O2 가스를 사용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 산화 가스로서는, O2와 H2O와 H2O2로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료를 사용할 수 있다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 착화 가스(착화제)로서 유기산 중 하나인 H(hfac)를 사용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 착화 가스로서는, 아세틸아세톤, 헥사플루오로아세틸아세톤(1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentanedione:H(hfac)), 트리플루오로아세트산(trifluoroaceticacid:TFA), 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산 및 길초산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료를 사용할 수 있다.
또한 이상의 실시 형태에서는, 희가스로서 Ar을 사용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, He, Ne, Kr, Xe 등의 다른 희가스를 사용해도 된다. 또한 이상의 실시 형태에서는, 에칭되는 금속막(72)의 재료로서 구리를 에칭하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 금속막(72)으로서 Cu와 Co와 Ni와 Pt와 Ru로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 재료를 에칭하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명의 반도체 웨이퍼에는 실리콘 기판이나 GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체 기판도 포함되고, 또한, 본 발명은 이들 기판에 한정되지 않고, 액정 표시 장치에 사용하는 글래스 기판이나 세라믹 기판 등에도 적용할 수 있다.
본 국제 출원은, 2011년 1월 25일에 출원된 일본 특허 출원 제2011-013313호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체 내용을 본 국제 출원에 원용한다.
2 : 가공 장치
4 : 처리 용기
14 : 보유 지지 수단
16 : 보유 지지대
28 : 배기계
38 : 가스 클러스터 빔 형성 수단
40 : 분사 기구
42 : 저류 챔버
44 : 노즐부
48 : 산화 가스 통로
50 : 착화 가스 통로
60 : 기화기
62 : 희가스 통로
70 : 가스 클러스터 빔
70A : 가스 클러스터
72 : 금속막
74 : 마스크
W : 반도체 웨이퍼(피처리체)

Claims (16)

  1. 상기 금속막의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 산화 가스와, 상기 산화물과 반응하여 유기 금속 착체를 형성하는 착화 가스와, 희가스의 혼합 가스를 진공 배기가 가능한 처리 용기 내에서 단열 팽창시켜 가스 클러스터 빔을 형성하는 형성 스텝과,
    상기 가스 클러스터 빔을 상기 피처리체의 표면에 형성된 금속막에 충돌시킴으로써 상기 금속막을 에칭하는 가공 스텝을 포함하는, 금속막의 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화 가스는, O2와 H2O와 H2O2의 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 금속막의 가공 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 착화 가스는, 아세틸아세톤, 헥사플루오로아세틸아세톤(1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentanedione:H(hfac)), 트리플루오로아세트산(trifluoroaceticacid:TFA), 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산 및 길초산의 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 금속막의 가공 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가공 스텝은, 가스 클러스터 빔을 이온화하고, 가속하여 금속막에 충돌시키는, 금속막의 가공 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 형성 스텝은, 상기 산화 가스의 양을 상기 착화 가스의 양보다도 적게 설정한 혼합 가스로부터 가스 클러스터 빔을 형성하는, 금속막의 가공 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가공 스텝은, 상기 금속막의 표면에 형성된, 패턴화된 마스크를 사용하여 상기 금속막을 가공하는, 금속막의 가공 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속막은, Cu와 Co와 Ni와 Pt와 Ru의 군으로부터 선택되는 하나의 재료로 이루어지는, 금속막의 가공 방법.
  8. 진공 배기가 가능한 처리 용기와,
    상기 피처리체를 보유 지지하는 보유 지지 수단과,
    상기 보유 지지 수단에 대향시켜 설치되는 동시에, 상기 금속막의 원소를 산화시켜 산화물을 형성하는 산화 가스와, 상기 산화물과 반응하여 유기 금속 착체를 형성하는 착화 가스와, 희가스의 혼합 가스를 상기 처리 용기 내에서 단열 팽창시켜 가스 클러스터 빔을 형성하는 가스 클러스터 빔 형성 수단을 구비하고,
    상기 가스 클러스터 빔을 상기 피처리체의 표면에 형성된 금속막에 충돌시킴으로써 상기 금속막을 에칭하는, 가공 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가스 클러스터 빔 형성 수단으로부터 상기 가스 클러스터 빔을 방사하는 노즐부와, 상기 노즐부에 대향 배치되고, 상기 보유 지지 수단에 의해 보유 지지된 피처리체와의 사이에, 상기 가스 클러스터 빔으로부터 원하는 방향을 향하는 빔만을 선택하여 통과시키는 가스 스킴 구멍을 갖는 스킴판을 더 구비한, 가공 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 가스 클러스터 빔을 이온화하는 이오나이저와,
    이온화된 상기 가스 클러스터 빔을 가속시키는 가속 전극부를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 가공 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 스킴판과 피처리체 사이에 상기 스킴판에 평행하게 설치된 구획벽을 더 구비하고,
    상기 이오나이저와 상기 가속 전극부는, 상기 구획벽과 상기 스킴판에 의해 구획된 이온화 공간에 배치되고, 상기 이온화 공간에서 이온화되고, 가속된 상기 가스 클러스터 빔을 상기 구획벽에 설치된 조사 구멍으로부터 피처리체에 조사시키는, 가공 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 산화 가스는, O2와 H2O와 H2O2의 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가공 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 착화 가스는, 아세틸아세톤, 헥사플루오로아세틸아세톤(1,1,1,5,5,5-Hexafluoro-2,4-pentanedione:H(hfac)), 트리플루오로아세트산(trifluoroaceticacid:TFA), 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산 및 길초산의 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가공 장치.
  14. 제8항에 있어서, 상기 가스 클러스터 빔 형성 수단은, 상기 산화 가스의 양을 상기 착화 가스의 양보다도 적게 설정한 혼합 가스로부터 가스 클러스터 빔을 형성하는, 가공 장치.
  15. 제8항에 있어서, 상기 가공 장치는, 상기 금속막의 표면에 형성된, 패턴화된 마스크를 사용하여 상기 금속막을 가공하는, 가공 장치.
  16. 제8항에 있어서, 상기 금속막은, Cu와 Co와 Ni와 Pt와 Ru의 군으로부터 선택되는 하나의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가공 장치.
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