《Vacuum》：Redeposition-free dry etching of copper thin films using organic gas mixtures
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本研究采用乙酰丙酮/氩气和丙酮/氩气混合气体对铜薄膜进行干法蚀刻，通过优化气体浓度发现丙酮/氩气混合物在保持高蚀刻速率的同时实现无 redeposition 蚀刻剖面，并利用光谱和质谱分析证实蚀刻过程中生成铜氧化物及羟基化合物。
Yoon Jae Cho | Ha Rin Song | Hong Ju Yang | Dae Han Won | Chee Won Chung
化学工程系，仁荷大学，Inha-ro 100号，Michuhol-gu，仁川，22212，韩国
摘要
本研究使用乙酰丙酮/Ar和丙酮/Ar气体混合物对铜薄膜进行了干法刻蚀实验。评估了气体浓度对刻蚀速率和刻蚀轮廓的影响，结果表明丙酮/Ar气体混合物能够在保持高刻蚀速率的同时实现无再沉积的刻蚀效果。光学发射光谱分析显示，丙酮/Ar气体中的活性物种浓度高于乙酰丙酮/Ar气体。X射线光电子能谱分析证实了刻蚀过程中形成了铜化合物（CuOx和Cu(OH)2）。通过优化刻蚀参数，获得了无再沉积的优质刻蚀轮廓。这些结果表明，丙酮/Ar气体混合物是实现高刻蚀速率且无再沉积铜刻蚀的理想选择。
引言
铜因其较低的电阻率和较高的稳定性而被广泛用作半导体和显示设备中的互连材料[[1], [2], [3]]。目前，由于缺乏实用的铜薄膜干法刻蚀方法，铜互连通常采用镶嵌工艺制造[2]。然而，随着半导体设备复杂性的增加，镶嵌工艺面临诸多限制[3,4]。特别是，在该工艺中使用的铜互连层和扩散阻挡层都至关重要，且随着器件关键尺寸的缩小，这两层的厚度都必须降低。尽管如此，由于扩散阻挡层的存在，铜互连的总电阻率仍会增加，而扩散阻挡层为确保可靠性必须保持一定的最小厚度。因此，开发铜薄膜的干法刻蚀方法变得十分迫切，这为下一代半导体和显示设备提供了替代方案。
在铜干法刻蚀的早期研究中，使用了Cl2和HBr等卤素气体[5,6]，但由于铜与这些气体的高反应性，会导致铜化合物的形成和再沉积。此外，也有研究使用H2/Ar和CH4/Ar气体来刻蚀铜薄膜[[7], [8], [9]]，但这些方法产生的挥发性物质（如CuCH3和CuH）由于高挥发性和热力学不稳定性而难以检测。最近，人们开始使用CH3COOH、乙二胺以及多种醇类（C2H5OH、C3H7OH、C4H9OH）等气体进行铜干法刻蚀[[10], [11], [12]]，但这些方法通常会产生带有或不带有再沉积的倾斜刻蚀轮廓，并且铜薄膜的刻蚀速率相对较低。
在本研究中，选择乙酰丙酮和丙酮作为铜干法刻蚀的气体，以期实现高刻蚀速率和无再沉积的优质刻蚀轮廓。这些有机气体含有比以往使用的更多含氧的CH3基团，有望提升刻蚀性能。通过比较这两种气体的刻蚀特性，确定了更有效的刻蚀方案，并优化了关键刻蚀参数以确保高刻蚀速率和优质刻蚀轮廓。刻蚀机制通过光学发射光谱（OES）和X射线光电子能谱（XPS）进行了阐释。
实验细节
实验方法
在仁荷大学3D Convergence Center，采用RF/DC溅射技术在Ti涂层的Si基底上沉积了600纳米厚的铜薄膜。随后，使用RF磁控溅射技术在铜薄膜上制备了450纳米厚的SiO2硬掩膜。接着，通过光刻工艺和感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICPRIE）对硬掩膜进行图案化和刻蚀。光刻工艺使用了4英寸掩膜和正性光刻胶。
结果与讨论
本研究选择了乙酰丙酮和丙酮两种有机气体作为铜干法刻蚀的气体。由于CH4和H2气体具有较高的刻蚀速率，并且在刻蚀过程中会生成含[O]和[OH]的铜化合物[[8], [9], [10], [11], [12]]，因此选择了含有[CH3]和[CO]的酮类化合物。丙酮的挥发性高于乙酰丙酮，而乙酰丙酮则含有更多的[CHx、[C-C]和[CO]（见表1）。
首先，...
结论
使用乙酰丙酮和丙酮两种酮类气体对铜薄膜进行了ICPRIE刻蚀实验，研究了气体浓度对刻蚀特性的影响。结果表明，丙酮/Ar气体混合物比乙酰丙酮/Ar气体混合物具有更高的刻蚀速率和更好的刻蚀轮廓。这归因于丙酮/Ar气体混合物中铜薄膜的有效表面反应以及侧壁保护层的适当形成。此外，该工艺几乎可以实现无再沉积的刻蚀过程。
作者贡献声明
Yoon Jae Cho：撰写初稿、实验研究、数据整理。
Ha Rin Song：实验研究、数据整理。
Hong Ju Yang：方法设计、实验研究。
Dae Han Won：结果验证、概念构思。
Chee Won Chung：撰写修订稿、项目管理、资金申请。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
