DE19637194C2 - Gas mixture and method for dry etching metals, especially copper, at low temperatures - Google Patents
Gas mixture and method for dry etching metals, especially copper, at low temperaturesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch und ein Verfah ren zum Trockenätzen von Metallen, insbesondere von Kupfer, bei niedrigen Temperaturen.The invention relates to a gas mixture and a method for dry etching of metals, especially of Copper, at low temperatures.
Der große Bedarf an immer leistungsfähigeren mikro elektronischen Schaltungen erfordert eine ständige Verbesserung der Verfahren und Materialien zur Her stellung immer kleinerer Strukturelemente in zuneh mend höheren Packungsdichten.The great need for ever more powerful micro electronic circuits requires constant Improvement of processes and materials for manufacturing increasingly smaller structural elements with higher packing densities.
Aufgrund seines geringen spezifischen Widerstandes und seiner guten Beständigkeit gegen Elektromigration ist Kupfer ein geeignetes Material für Leiterbahnen zukünftiger integrierter Schaltungen.Because of its low specific resistance and its good resistance to electromigration copper is a suitable material for conductor tracks future integrated circuits.
Voraussetzungen für die Verwendung eines neuen Lei terbahnmaterials in der Mikroelektronik sind unter anderem geeignete Verfahren zur Schichterzeugung und zur Strukturierung dieser Schicht. Als Verfahren zur Erzeugung von Kupferschichten kommt neben physikali schen Techniken besonders die chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) in Frage.Requirements for using a new Lei Railway material in microelectronics are under other suitable methods for layer production and to structure this layer. As a procedure for Generation of copper layers comes alongside physics techniques, especially chemical deposition from the gas phase (CVD) in question.
Zur Erzeugung einer Leiterbahnstruktur aus einer flä chendeckenden Schicht ist ein anisotropes Ätzverfah ren notwendig, das nach Aufbringen einer geeigneten Maske das überschüssige Kupfer entfernt. Zur Erzeu gung von Kupfernägeln zur elektrischen Verbindung von verschiedenen Leiterbahnebenen dagegen wird auf das strukturierte Dielektrikum eine ganzflächige Kupfer schicht aufgebracht und anschließend isotrop zurück geätzt.To create a conductor track structure from a flat covering layer is an anisotropic etching process ren necessary after the application of a suitable Mask the excess copper away. For generation copper nails for the electrical connection of different interconnect levels, however, is based on the structured dielectric an all-over copper layer applied and then isotropic back etched.
Bisherige Lösungsvorschläge zum trockenen Ätzen von Metallen und insbesondere von Kupfer lassen sich in Plasmaätzprozesse, Laserätzprozesse und rein chemi sche Ansätze unterteilen.Previous solutions for dry etching of Metals and especially copper can be found in Plasma etching processes, laser etching processes and purely chemi divide approaches.
Grundlage der Plasma- und Laserätzprozesse ist eine Chlorierung der Kupferoberfläche durch unter schiedliche Chlorquellen (z. B. Cl2, CCl4), die zur Bildung einer dünnen Schicht der Zusammensetzung CuClx (mit x = 0-2) führt. Die Abtragung der Kupfer schicht erfolgt durch Desorption der Spezies Cu3Cl3 und CuCl (siehe z. B. H. F. Winters, J. Vac. Sci. Technol. 1985, A3, 786). Deren sehr niedriger Dampf druck verursacht jedoch entweder sehr niedrige Ätzra ten, oder aber es werden hohe Temperaturen notwendig, welche die Verwendung von herkömmlichen Fotolackmas ken nicht mehr gestatten oder sogar bereits auf das Substrat aufgebrachte Strukturen schädigen. The basis of the plasma and laser etching processes is a chlorination of the copper surface by different chlorine sources (e.g. Cl 2 , CCl 4 ), which leads to the formation of a thin layer of the composition CuCl x (with x = 0-2). The copper layer is removed by desorption of the species Cu 3 Cl 3 and CuCl (see, for example, BHF Winters, J. Vac. Sci. Technol. 1985, A3, 786). However, their very low vapor pressure either causes very low etching rates, or else high temperatures are necessary which no longer allow the use of conventional photoresist masks or even damage structures already applied to the substrate.
Das RIE-Verfahren (RIE = Reactive Ion Etching) zur Ätzung von Kupfer erlaubt Temperaturen ab 200°C (sie he z. B. G. C. Schwartz, P. M. Schaible, J. Electro chem. Soc. 1983, 130, 1777; US Patent 4,352,716). Durch Anlegen einer geeigneten Wechselspannung wird hier das Substrat mit kationischen Chlorspezies bom bardiert, was die Desorption der CuClx-Spezies er leichtert.The RIE process (RIE = Reactive Ion Etching) for etching copper allows temperatures from 200 ° C (see e.g. BGC Schwartz, PM Schaible, J. Electro chem. Soc. 1983, 130, 1777; US Patent 4,352,716). By applying a suitable AC voltage, the substrate is bombarded with cationic chlorine species, which facilitates the desorption of the CuCl x species.
Aus der US 4,490,210 und US 4,490,211 sind Laserätz prozesse bekannt, welche die Energie des Laserlichtes zur Desorption der CuClx-Spezies nach vorheriger Chlorierung der Kupferoberfläche nutzen (Zweistufen prozeß).Laser etching processes are known from US Pat. No. 4,490,210 and US Pat. No. 4,490,211 which use the energy of the laser light to desorb the CuCl x species after prior chlorination of the copper surface (two-stage process).
Ein weiterer Nachteil der Prozesse unter Einsatz von halogenhaltigen Ätzgasen ist die durch den niedrigen Dampfdruck der Ätzprodukte verursachten Ablagerung derselben pumpstromabwärts in Ventilen und Vakuumpum pen, was zu erhöhtem Verschleiß dieser Teile führt.Another disadvantage of using processes halogen-containing etching gases is due to the low Vapor pressure of the etched products caused deposits same pump downstream in valves and vacuum pump pen, which leads to increased wear of these parts.
Bisher vorgestellte chemische Ätzverfahren bedienen
sich entweder der Umkehrung der CVD-Reaktion von
Precursoren des Typs (β-diketonat)CuL (L = Neutralli
gand, z. B. Trimethylvinylsilan, Bis(trimethylsilyl)
acetylen) gemäß
Chemical etching processes presented so far either use the reverse of the CVD reaction of precursors of the type (β-diketonate) CuL (L = neutral ligand, e.g. trimethylvinylsilane, bis (trimethylsilyl) acetylene)
Cu0 + CuII(β-diketonat)2 + 2L → 2(β-diketonat)CuIL
Cu 0 + Cu II (β-diketonate) 2 + 2L → 2 (β-diketonate) Cu I L
(siehe z. B. J. A. T. Norman, B. A. Muratore, P. N.
Dyer, D. A. Roberts, A. K. Hochberg, J. Phys. (Paris)
1991, IV (1) C2-271) oder der Generierung flüchtiger
Cu(I)- und Cu(II)-Verbindungen auf vorher oxidierten
oder chlorierten Cu-Oberflächen (siehe z. B. F. Rousseau,
A. Jain, T. T. Kodas, M. J. Hampden-Smith, J.
D. Farr, R. Muenchhausen, J. Mater Chem. 1992, 2,
893; J. Farkas, K. M. Chi, T. T. Kodas, M. J. Hamp
den-Smith, Advanced Metallization for ULSI, AT Bell
Laboratories, Murray Hill, N. J 445, 1992):
(see e.g. BJAT Norman, BA Muratore, PN Dyer, DA Roberts, AK Hochberg, J. Phys. (Paris) 1991, IV (1) C2-271) or the generation of volatile Cu (I) - and Cu (II) Compounds on previously oxidized or chlorinated Cu surfaces (see, for example, Rousseau, A. Jain, TT Kodas, MJ Hampden-Smith, JD Farr, R. Muenchhausen, J. Mater Chem. 1992, 2, 893; J. Farkas , KM Chi, TT Kodas, MJ Hamp den-Smith, Advanced Metallization for ULSI, AT Bell Laboratories, Murray Hill, N. J 445, 1992):
CuO + 2Hhfac → Cu(hfac)2 + H2O
CuO + 2Hhfac → Cu (hfac) 2 + H 2 O
CuCl + 2PEt3 → C1Cu(PEt3)2
CuCl + 2PEt 3 → C1Cu (PEt 3 ) 2
Hhfac = 1,1,1,5,5,5-Hexafluorpentan-2,4-dion,
hfac = anionischer 1,1,1,5,5,5-Hexafluorpentan
2,4-dionato-ChelatligandHhfac = 1,1,1,5,5,5-hexafluoropentane-2,4-dione,
hfac = anionic 1,1,1,5,5,5-hexafluoropentane 2,4-dionato chelating ligand
Die Nachteile der beiden letztgenannten Verfahren liegen zum einen darin, daß es sich um zweistufige Prozesse handelt, bei denen dem eigentlichen Ätz schritt eine Vorbehandlung der Oberfläche bei hohen Temperaturen oder im Plasma vorausgeht. Daraus resul tiert ein gegenüber einstufigen Prozessen verringer ter Durchsatz. Zum anderen stellt im Falle der Ätzung über C1Cu(PEt3)2 der Einsatz von Triethylphosphin ei ne Kontaminationsgefahr für das Halbleiterbauelement durch das Dotierelement Phosphor dar.The disadvantages of the latter two methods are on the one hand that it is two-stage Processes that involve the actual etching pretreated the surface at high Temperatures or in plasma. From this resul compared to single-stage processes throughput. On the other hand, in the case of etching the use of triethylphosphine via C1Cu (PEt3) 2 ne risk of contamination for the semiconductor component represented by the doping element phosphorus.
Die Umkehrung der CVD-Reaktion von (β-diketonat)CuL erfordert die Verdampfung des Feststoffes Cu(β-dike tonat)2, was einen erhöhten apparativen Aufwand er fordert.The reversal of the CVD reaction of (β-diketonate) CuL requires the evaporation of the solid Cu (β-dike tonate) 2 , which requires more equipment.
Weiterhin ist aus der US 5 221 366 ein Gasgemisch und ein Verfahren zum Trockenätzen von Metallen bekannt. Ergänzend ist in der EP 0 493 754 B1 ein Verfahren zum selektiven Ätzen einer Kupferschicht von einer Substratoberfläche bekannt. Auch hierbei wird ein Ätzgas eingesetzt.Furthermore, from US 5 221 366 a gas mixture and a method for dry etching of metals is known. In addition, EP 0 493 754 B1 describes a method for the selective etching of a copper layer from one Known substrate surface. Here too, a Etching gas used.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasgemisch und ein Verfahren zu schaffen, welche das Trockenätzen von Metallen und insbesondere von Kupfer bei niedrigen Temperaturen mit ausreichend hohen Ätzraten in einem einzigen Prozeßschritt ermöglichen.The object of the invention is a gas mixture and a To create processes which the dry etching of Metals and especially copper at low Temperatures with sufficiently high etching rates in one enable single process step.
Gelöst wird diese Aufgabe was das Gasgemisch anbe langt durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 12. Vorteilhaf te Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.This task is solved as far as the gas mixture is concerned achieves by the characteristic features of claim 1 and in procedural terms by the Characteristic features of claim 12. Advantageous te refinements and developments of the invention result from the respective subclaims.
Gemäß Anspruch 1 enthält das erfindungsgemäße Gasge misch zum Trockenätzen von Metallen, insbesondere von Kupfer, mindestens Sauerstoff und zwei weitere Reak tanden L und HA. Mit diesem Gasgemisch gelingt in ei nem einzigen Prozeßschritt die Oxidation der Metalle und die Bildung einer unter Prozeßbedingungen stabi len, flüchtigen Metallverbindung.According to claim 1 contains the gasge according to the invention mix for dry etching of metals, especially of Copper, at least oxygen and two more reak were L and HA. With this gas mixture succeeds in egg The only process step is the oxidation of the metals and the formation of a stable under process conditions len, volatile metal compound.
Beim Ätzen von beispielsweise Kupfer bildet sich eine
flüchtigen Kupfer(I-Verbindung. Die stattfindende Re
aktion wird durch die folgende allgemeine Gleichung
dargestellt:
When copper is etched, for example, a volatile copper (I compound is formed. The reaction taking place is represented by the following general equation:
2Cu + 1/2O2 + 2HA + 2nL → 2A-Cu-Ln + H2O (n = 1, 2)2Cu + 1 / 2O 2 + 2HA + 2nL → 2A-Cu-L n + H 2 O (n = 1, 2)
Die Bildung der Verbindung A-Cu-Ln läuft vorteilhaf terweise unter wesentlich milderen Bedingungen ab als bei herkömmlichen Ätzverfahren. Besonders gegenüber den bekannten Verfahren zum Trockenätzen, die auf der Bildung von CuClX beruhen, erlaubt die sehr gute Flüchtigkeit des Reaktionsproduktes A-Cl-Ln vorteil haft niedrige Substrattemperaturen. The formation of the compound A-Cu-L n advantageously takes place under much milder conditions than in conventional etching processes. The very good volatility of the reaction product A-Cl-L n allows advantageously low substrate temperatures, particularly in comparison with the known methods for dry etching, which are based on the formation of CuCl X.
Das erfindungsgemäße Gasgemisch enthält neben Sauer
stoff und mindestens einem Neutralliganden L minde
stens eine weitere Substanz HA der allgemeinen Formel
(I)
In addition to oxygen and at least one neutral ligand L, the gas mixture according to the invention contains at least one further substance HA of the general formula (I)
X1C(R1)CH2C(R2)X2, (I)
X 1 C (R 1 ) CH 2 C (R 2 ) X 2 , (I)
bei der X1 und X2 gleich oder verschieden und ein li neares oder verzweigtes Alkyl mit bevorzugt 1 bis 7 C-Atomen, ein durch Halogen substituiertes lineares oder verzweigtes Alkyl mit bevorzugt 1 bis 7 C- Atomen, ein Organylsilyl oder ein Aryl, beispielswei se ein substituiertes oder unsubstituiertes Phenyl, sind und R1 und R2 gleich oder verschieden sind und R1 Sauerstoff oder NX3 ist und R2 Sauerstoff oder NX4 ist, wobei X3 und X4 gleich oder verschieden und Was serstoff, ein Halogen, ein lineares oder verzweigtes Alkyl mit bevorzugt 1 bis 7 C-Atomen, ein durch Halo gen substituiertes lineares oder verzweigtes Alkyl mit bevorzugt 1 bis 7 C-Atomen, ein Organylsilyl oder ein Aryl, beispielsweise ein substituiertes oder un substituiertes Phenyl, sind.in which X 1 and X 2 are the same or different and a linear or branched alkyl having preferably 1 to 7 C atoms, a halogen-substituted linear or branched alkyl having preferably 1 to 7 C atoms, an organylsilyl or an aryl, for example se is a substituted or unsubstituted phenyl, and R 1 and R 2 are the same or different and R 1 is oxygen or NX 3 and R 2 is oxygen or NX 4 , where X 3 and X 4 are the same or different and hydrogen, a halogen , are a linear or branched alkyl having preferably 1 to 7 carbon atoms, a halogen-substituted linear or branched alkyl having preferably 1 to 7 carbon atoms, an organylsilyl or an aryl, for example a substituted or unsubstituted phenyl.
Die Substanz HA nach der allgemeinen Formel (I) ist
bevorzugt ein β-Diketon der allgemeinen Formel (II)
The substance HA according to the general formula (I) is preferably a β-diketone of the general formula (II)
X1C(O)CH2C(O)X2, (II)
X 1 C (O) CH 2 C (O) X 2 , (II)
ein unsubstituiertes oder substituiertes β-Keto
ketimin der allgemeinen Formel (III)
an unsubstituted or substituted β-keto ketimine of the general formula (III)
X1C(O)CH2C(NX4)X2 (III)
X 1 C (O) CH 2 C (NX 4 ) X 2 (III)
oder ein unsubstituiertes oder substituiertes β-
Diketimin der allgemeinen Formel (IV)
or an unsubstituted or substituted β-diketimine of the general formula (IV)
X1C(NX3)CH2C(NX4)X2, (IV)
X 1 C (NX 3 ) CH 2 C (NX 4 ) X 2 , (IV)
wobei X1, X2, X3 und X4 die oben angeführte Bedeutung besitzen.where X 1 , X 2 , X 3 and X 4 have the meaning given above.
Beispiele für geeignete Substanzen HA sind 1,1,1, 5,5,5-Hexafluorpentan-2,4-dion, 1,1,1-Trifluorpentan- 2,4-dion oder 1,1,1,5,5,5-Hexafluor-4-(N-Isopropyl ketimino)-pentan-2-onExamples of suitable substances HA are 1,1,1, 5,5,5-hexafluoropentane-2,4-dione, 1,1,1-trifluoropentane 2,4-dione or 1,1,1,5,5,5-hexafluoro-4- (N-isopropyl ketimino) pentane-2-on
Der Neutralligand L steht für lineares oder verzweig tes Alkylisonitril mit bevorzugt 1 bis 10 C-Atomen, durch Halogen substituiertes lineares oder verzweig tes Alkylisonitril mit bevorzugt 1 bis 10 C-Atomen, Arylisonitril, substituiertes und unsubstituiertes 1,5-Cyclooctadien, Cyclooctatetraen (COT), Bistrime thylsilylacetylen, Alkine (R1CCR2, mit R1 und R2 glei ches oder ungleiches lineares oder verzweigtes Alkyl mit bevorzugt 1 bis 5 C-Atomen oder unsubstituiertes oder substituiertes Phenyl), Triorganylphosphin (PR3R4R5, mit R3, R4 und R5 gleiches oder ungleiches lineares oder verzweigtes Alkyl mit 1 bis 5 C-Atomen oder substituiertes oder unsubstituiertes Phenyl), Triorganylphosphit (P(OR6)3, mit R6 lineares oder ver zweigtes Alkyl mit bevorzugt 1 bis 5 C-Atomen oder substituiertes oder unsubstituiertes Phenyl) oder Trimethylvinylsilan (TMVS).The neutral ligand L stands for linear or branched alkylisonitrile with preferably 1 to 10 carbon atoms, halogen-substituted linear or branched alkylisonitrile with preferably 1 to 10 carbon atoms, arylisonitrile, substituted and unsubstituted 1,5-cyclooctadiene, cyclooctatetraene (COT ), Bistrime thylsilylacetylene, alkynes (R 1 CCR 2 , linear or branched alkyl which is the same or different with R 1 and R 2 and preferably has 1 to 5 carbon atoms or unsubstituted or substituted phenyl), triorganylphosphine (PR 3 R 4 R 5 , with R 3 , R 4 and R 5 the same or different linear or branched alkyl having 1 to 5 carbon atoms or substituted or unsubstituted phenyl), triorganyl phosphite (P (OR 6 ) 3 , with R 6 linear or branched alkyl with preferably 1 up to 5 carbon atoms or substituted or unsubstituted phenyl) or trimethylvinylsilane (TMVS).
Als Neutralligand L kommen beispielsweise tert- Butylisonitril, Trimethylphosphin oder Bis(Trimethyl silyl)acetylen oder auch Mischungen davon in Frage.As neutral ligand L, for example, Butylisonitrile, trimethylphosphine or bis (trimethyl silyl) acetylene or mixtures thereof in question.
Beim Trockenätzen von beispielsweise Kupfer kommt dem im Gasgemisch enthaltenen Neutralliganden L die Aufgabe zu, das Cu(I)-Zentrum koordinativ abzusättigen und damit das monomere Ätzprodukt zu stabilisieren. Die bereits bei niedrigen Temperaturen ablaufende Oxidation des Cu0 zu Cu1+ (CuO2) reicht aus, um ein flüchtiges Reaktionsprodukt zu bilden. In herkömmli chen Verfahren unter Verwendung von flüchtigen Cu(II)-Verbindungen sind für die Oxidation von Cu0 zu Cu2+ wesentlich härtere Bedingungen (hohe Temperatur, Plasma) notwendig.When dry etching copper, for example, the neutral ligand L contained in the gas mixture has the task of coordinatively saturating the Cu (I) center and thus stabilizing the monomeric etching product. The oxidation of Cu 0 to Cu 1+ (CuO 2 ), which takes place at low temperatures, is sufficient to form a volatile reaction product. In conventional processes using volatile Cu (II) compounds, much tougher conditions (high temperature, plasma) are necessary for the oxidation of Cu 0 to Cu 2+ .
Bevorzugt steht HA für 1,1,1,5,5,5,-Hexafluorpentan-
2,4-dion und L für tert-Butylisonitril (CNtBu). Die
Reaktion des Ätzvorganges wird dann durch folgende
Gleichung beschrieben:
HA is preferably 1,1,1,5,5,5, -hexafluoropentane-2,4-dione and L is tert-butylisonitrile (CNtBu). The reaction of the etching process is then described by the following equation:
2Cu + ½O2 + 2Hhfac + 2nCNtBu → 2(hfac)Cu(CNtBu)n + H2O (n = 1, 2)2Cu + ½O 2 + 2Hhfac + 2nCNtBu → 2 (hfac) Cu (CNtBu) n + H 2 O (n = 1, 2)
Als Reaktionsprodukte entstehen hier die Verbindungen tert-Butylisonitril(1,1,1,5,5,5-hexafluorpentan-2,4- dionato)kupfer(I) und Bis(tert-butylisonitril)(1,1,1, 5,5,5,-hexafluorpentan-2,4-dionato)kupfer(I).The compounds are formed here as reaction products tert-butyl isonitrile (1,1,1,5,5,5-hexafluoropentane-2,4- dionato) copper (I) and bis (tert-butylisonitrile) (1,1,1, 5,5,5, -hexafluorpentan-2,4-dionato) copper (I).
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gasgemisches ist die Tatsache, daß die Reaktionsprodukte im Vergleich zu beispielsweise Kupferchloriden eine hohe Flüchtig keit aufweisen. Ablagerungen im Reaktorsystem lassen sich deshalb weitestgehend vermeiden. Außerdem werden keine korrosiven Ätzchemikalien benötigt, wodurch sich die Lebensdauer der Anlage erhöht.One advantage of the gas mixture according to the invention is the fact that the reaction products compared to copper chlorides, for example, a high volatility show speed. Leave deposits in the reactor system avoid yourself as far as possible. Also be no corrosive etching chemicals needed, so the life of the system increases.
Eine gute Dosierbarkeit von flüssigen bzw. gasförmi gen Ätzchemikalien und damit eine gute Steuerbarkeit des Ätzvorganges ergibt sich durch die zusätzliche Verwendung eines Trägergases für die reaktiven Kompo nenten des Gasgemisches. Die reaktiven Komponenten können mit Hilfe dieses Trägergases in definierten Mengen in die Reaktionskammer eingebracht werden. Als inertes Trägergas eignen sich beispielsweise N2 oder ein Edelgas. Auch Sauerstoff kann als Trägergas ver wendet werden.Good meterability of liquid or gaseous etching chemicals and thus good controllability of the etching process results from the additional use of a carrier gas for the reactive components of the gas mixture. The reactive components can be introduced into the reaction chamber in defined amounts using this carrier gas. Suitable inert carrier gases are, for example, N 2 or an inert gas. Oxygen can also be used as a carrier gas.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Trockenätzen von Metallen führt das erfindungsgemäße Gasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bei einem der ge wünschten Ätzisotropie angepaßten Reaktordruck und vorteilhaft niedrigen Substrattemperaturen von bis zu 600°C in einem einzigen Prozeßschritt zu einer Oxida tion des Metalles und der Bildung einer unter Prozeß bedingungen stabilen, flüchtigen Metallverbindung. Das Verfahren eignet sich insbesondere für das Troc kenätzen von Kupfer. Das Ätzen von anderen Metallen, beispielsweise Silber, ist jedoch ebenfalls denkbar.In the method for dry etching according to the invention the gas mixture according to the invention leads from metals according to one of claims 1 to 11 in one of the ge desired etching isotropy adapted reactor pressure and advantageously low substrate temperatures of up to 600 ° C in a single process step to an oxide tion of metal and the formation of an under process conditions stable, volatile metal compound. The method is particularly suitable for the Troc copper etching. Etching other metals, for example silver, is also conceivable.
Das erfindungsgemäß einstufige Ätzverfahren erlaubt einen hohen Durchsatz. Weiterhin erhält man auch bei sehr geringen Substrattemperaturen von 60°C noch produktionstaugliche Ätzraten. Mit zunehmender Sub strattemperatur läßt sich die Ätzrate steigern.The one-step etching process according to the invention allows high throughput. You also get at very low substrate temperatures of 60 ° C yet etch rates suitable for production. With increasing sub the etching rate can be increased.
Die ausgesprochen niedrigen Prozeßtemperaturen erlau ben den Einsatz herkömmlicher Lackmasken zur Struktu rierung der Kupferoberfläche. Weiterhin besitzt das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Selektivität ge genüber herkömmlichen Antireflexschichten aus Titan oder Titannitrid, so daß sich auch diese für den Ein satz als Ätzmasken eignen. The extremely low process temperatures are possible ben the use of conventional paint masks for structure copper surface. Furthermore, the Process according to the invention has a high selectivity compared to conventional titanium anti-reflective coatings or titanium nitride, so that these are suitable for the one suitable as etching masks.
Zur Erzielung eines isotropen Ätzangriffs für z. B. einen ganzflächigen Kupferabtrag sollte der Reaktor druck zwischen 102 und 105 Pa, idealerweise ungefähr 5.104 Pa, betragen.To achieve an isotropic etch attack for z. B. a full copper removal, the reactor pressure should be between 10 2 and 10 5 Pa, ideally about 5.10 4 Pa.
Ein anisotropes Ätzverhalten wird durch die Anwendung von z. B. in einem ECR-Plasma erzeugten und auf das Substrat gerichtet extrahierten Sauerstoff- und/oder Edelgas-Ionen, bevorzugt Argon-Ionen, erreicht. Der Anisotropieeffekt kommt dabei durch eine erhöhte Oxi dationsrate parallel zur Substratoberfläche bzw. ei nen unterstützenden Sputterabtrag zustande. Der Reak tordruck sollte zur Erzielung eines anisotropen Ätz angriffes zwischen 10-4 und 102 Pa, bevorzugt ungefähr 10-1 Pa betragen.An anisotropic etching behavior is achieved by using e.g. B. generated in an ECR plasma and directed towards the substrate extracted oxygen and / or noble gas ions, preferably argon ions. The anisotropy effect is due to an increased oxidation rate parallel to the substrate surface or a supporting sputter removal. The reactor pressure should be between 10 -4 and 10 2 Pa, preferably about 10 -1 Pa, to achieve an anisotropic etching attack.
Eine gute Steuerbarkeit des Ätzvorganges wird durch die zusätzliche Verwendung eines Trägergases für die reaktiven Komponenten des Gasgemisches erzielt.Good controllability of the etching process is ensured by the additional use of a carrier gas for the achieved reactive components of the gas mixture.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trockenätzen von Metallen, insbesonde re von Kupfer.The figure shows a schematic representation of a Device for performing the invention Process for dry etching of metals, in particular re of copper.
Der in der Figur dargestellte Reaktor weist einen Mi krowellengenerator 1, Magnetspulen 2, eine ECR-Plas maquelle 3 und einen RF-Generator 7 auf. Der Reaktor besitzt einen Gaseinlaß 4 für Sauerstoff, einen wei teren Gaseinlaß 5 für die anderen Reaktivgase sowie einen Gasauslaß 8 zur Vakuumpumpe. Der Scheibenhalter 6 ist temperierbar. Mikrowellengenerator 1 und Hoch frequenzgenerator 7 werden nur zur anisotropen Ätzung betrieben. The reactor shown in the figure has a microwave generator 1 , magnetic coils 2 , an ECR plasma source 3 and an RF generator 7 . The reactor has a gas inlet 4 for oxygen, a white gas inlet 5 for the other reactive gases and a gas outlet 8 to the vacuum pump. The pane holder 6 can be tempered. Microwave generator 1 and high frequency generator 7 are operated only for anisotropic etching.
Nachfolgend werden beispielhaft Verfahrensparameter und Gaszusammensetzungen für das isotropen und ani sotrope Trockenätzen von Kupfer angeführt:Process parameters are shown below as examples and gas compositions for the isotropic and ani sotropic dry etching of copper:
1,1,1,5,5,5-Hexafluorpentan-2,4-dion (Hhfac) in Trägergas: 4,5.10+17 1,1,1,5,5,5-hexafluoropentane-2,4-dione (Hhfac) in carrier gas: 4.5.10 +17
-4,5.1019 -4.5.10 19
Atome/s
Tertiärbutylisonitril (CNtBu)
in Trägergas: 4,5.10+17 Atoms / s
Tertiary butylisonitrile (CNtBu) in carrier gas: 4.5.10 +17
-4,5.1019 -4.5.10 19
Atome/s
Trägergas (Stickstoff, Helium, Argon):
4,5.1018 Atoms / s
Carrier gas (nitrogen, helium, argon): 4.5.10 18
-1,35.1020 -1.35.10 20
Atome/s
Sauerstoff: 2,25.1018 Atoms / s
Oxygen: 2.25.10 18
-1,35.1020 -1.35.10 20
Atome/s
Prozeßtemperatur: 60-450°C
Reaktordruck: 103 Atoms / s
Process temperature: 60-450 ° C
Reactor pressure: 10 3
-5.104 -5.10 4
Pa
Substrat: Ganzflächig abgeschiedene Cu-Schicht
Ätzrate: 100-500 nm/minPa
Substrate: Cu layer deposited over the entire surface
Etching rate: 100-500 nm / min
1,1,1,5,5,5-Hexafluorpentan-2,4-dion (Hhfac) in Trägergas: 4,5.1017 1,1,1,5,5,5-hexafluoropentane-2,4-dione (Hhfac) in carrier gas: 4.5.10 17
-2,25.1019 -2.25.10 19
Atome/s
Tertiärbutylisonitril (CNtBu)
in Trägergas: 4,5.1017 Atoms / s
Tertiary butylisonitrile (CNtBu) in carrier gas: 4.5.10 17
-2,25.1019 -2.25.10 19
Atome/s
Trägergas (Stickstoff, Helium, Argon):
2,25.1018 Atoms / s
Carrier gas (nitrogen, helium, argon): 2.25.10 18
-4,5.1019 -4.5.10 19
Atome/s
Sauerstoff (ECR-Plasma):
2,25.1018 Atoms / s
Oxygen (ECR plasma): 2.25.10 18
-4,5.1019 -4.5.10 19
Atome/s
Argon (ECR-Plasma): 0-4,5.1019 Atoms / s
Argon (ECR plasma): 0-4.5.10 19
Atome/s
ECR-Plasmaleistung: < 300 W
RF-Leistung: 0-100 W
Prozeßtemperatur: 60-250°C
Reaktordruck: 10-2 Atoms / s
ECR plasma power: <300 W
RF power: 0-100 W.
Process temperature: 60-250 ° C
Reactor pressure: 10 -2
-10 Pa
Substrat: Ganzflächig abgeschiedene Cu-Schicht mit
Photolack/Ti-Maske
Ätzrate: 50-200 nm/min-10 Pa
Substrate: All-over deposited copper layer with photoresist / Ti mask
Etching rate: 50-200 nm / min
Unter den gleichen Prozeßbedingungen wie bei den bei
den vorhergehenden Beispielen eignen sich auch fol
gende Ätzgase in Kombination mit Sauerstoff zur
Durchführung des erfindungsgemäßen isotropen bzw.
anisotropen Ätzverfahrens:
Under the same process conditions as in the previous examples, the following etching gases in combination with oxygen are also suitable for carrying out the isotropic or anisotropic etching process according to the invention:
- a) 1,1,1-Trifluorpentan-2,4-dion + Trimethylphos phina) 1,1,1-trifluoropentane-2,4-dione + trimethylphos phin
- b) 1,1,1,5,5,5-Hexafluor-4-(N-Isopropylketimino)- pentan-2-on + Trimethylphosphinb) 1,1,1,5,5,5-hexafluoro-4- (N-Isopropylketimino) - pentan-2-one + trimethylphosphine
- c) Hhfac + Bis(Trimethylsilyl)acetylenc) Hhfac + bis (trimethylsilyl) acetylene
Claims (15)
enthaltend
- a) Sauerstoff,
- b) mindestens einen Neutralliganden L
- c) mindestens eine weitere Substanz HA der all
gemeinen Formel (I)
X1C(R1)CH2C(R2)X2, (I)
bei der X1 und X2 gleich oder verschieden und ein lineares oder verzweigtes Alkyl, ein durch Halogen substituiertes lineares oder verzweigtes Alkyl, ein Aryl oder Organosilyl sind und R1 und R2 gleich oder verschieden sind und R1 Sauer stoff oder NX3 ist und R2 Sauerstoff oder NX4 ist,
wobei X3 und X4 gleich oder verschieden und Was serstoff, ein Halogen, ein lineares oder ver zweigtes Alkyl, ein durch Halogen substituiertes lineares oder verzweigtes Alkyl, ein Aryl oder Organylsilyl sind und - d) einem zusätzlichen Trägergas.
containing
- a) oxygen,
- b) at least one neutral ligand L
- c) at least one further substance HA of the general formula (I)
X 1 C (R 1 ) CH 2 C (R 2 ) X 2 , (I)
where X 1 and X 2 are the same or different and are a linear or branched alkyl, a halogen-substituted linear or branched alkyl, an aryl or organosilyl and R 1 and R 2 are the same or different and R 1 is oxygen or NX 3 and R 2 is oxygen or NX 4 ,
wherein X 3 and X 4 are the same or different and what is hydrogen, a halogen, a linear or branched alkyl, a halogen-substituted linear or branched alkyl, an aryl or organylsilyl and - d) an additional carrier gas.
X1C(O)CH2C(O)X2 (II)
ist, wobei X1 und X2 die in Anspruch 1 oder 2 angeführte Bedeutung besitzen.3. Gas mixture for dry etching of metals, in particular copper, according to claim 1 or 2, characterized in that the substance HA of the general formula (I) is a β-diketone of the general formula (II)
X 1 C (O) CH 2 C (O) X 2 (II)
is, where X 1 and X 2 have the meaning given in claim 1 or 2.
X1C(O)CH2C(NX4)X2 (III)
ist, wobei X1, X2 und X4 die in Anspruch 1 oder 2 angeführte Bedeutung besitzen.4. Gas mixture for dry etching of metals, in particular copper, according to claim 1 or 2, characterized in that the substance HA of the general formula (I) is an unsubstituted or substituted β-ketoketimine of the general formula (III)
X 1 C (O) CH 2 C (NX 4 ) X 2 (III)
is, wherein X 1 , X 2 and X 4 have the meaning given in claim 1 or 2.
X1C(NX3)CH2C(NX4)X2 (IV)
ist, wobei X1, X2, X3 und X4 die in Anspruch 1 oder 2 angeführte Bedeutung besitzen. 5. Gas mixture for dry etching of metals, in particular copper, according to claim 1 or 2, characterized in that the substance HA of the general formula (I) is an unsubstituted or substituted β-diketimine of the general formula (IV)
X 1 C (NX 3 ) CH 2 C (NX 4 ) X 2 (IV)
is, wherein X 1 , X 2 , X 3 and X 4 have the meaning given in claim 1 or 2.
R1, R2, R3, R4, R5 und R6 gleiche oder unglei che, lineare oder verzweigte Alkyle oder substi tuierte oder unsubstituiertes Phenyle sind.7. gas mixture for dry etching of metals, in particular copper, according to one of claims to 6, characterized in that the neutral ligand L is a linear or branched alkyliso nitrile, a halogen-substituted linear or branched alkylisonitrile, an aryl sonitrile, a Substituted or unsubstituted 1,5-cyclooctadiene, a cyclooctatetraene (COT), a bistrimethylsilylacetylene, an alkyne of the general formula R 1 CCR 2 , a triorga nylphosphine of the general formula PR 3 R 4 R 5 , a triorganyl phosphite of the general formula P (OR 6 ) or a trimethylvinylsilane (TMVS), wherein
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are the same or different, linear or branched alkyls or substituted or unsubstituted phenyls.
bei dem mit Hilfe eines Gasgemisches nach min destens einem der Ansprüche 1 bis 11 unter einem mit der Ätzisotropie korrelierten Reaktordruck und
bei Prozeßtemperaturen über 60°C
das Metall oxidiert und eine unter Prozeßbedin gungen stabile, flüchtige Metallverbindung ge bildet wird.12. Process for dry etching of metals, in particular copper,
in which with the aid of a gas mixture according to at least one of claims 1 to 11 under a reactor pressure correlated with the etching isotropy and
at process temperatures above 60 ° C
the metal is oxidized and a stable, volatile metal compound is formed under process conditions.
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