本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種對晶圓進行刻蝕的方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)今，針對晶圓上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的刻蝕，大致有濕法刻蝕工藝和氣相刻蝕工藝兩種方式可選。然而，隨著集成電路中的組件的尺寸越做越小，氣相刻蝕工藝的優(yōu)勢也日益凸顯，愈發(fā)的受到關(guān)注和應(yīng)用。

傳統(tǒng)的氣相刻蝕工藝，通常僅需要一個刻蝕工藝腔。晶圓被放入刻蝕工藝腔后，由進氣裝置向腔內(nèi)通入刻蝕氣體，通過控制刻蝕工藝腔內(nèi)的工藝條件，能夠使刻蝕氣體與晶圓表面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，刻蝕去除其中的阻擋層或掩膜層。

但是，晶圓上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)涉及多種膜層，例如可以包括阻擋層和掩膜層等，而且根據(jù)材料的不同，阻擋層甚至還可以細分，因而非常復(fù)雜。對不同的膜層進行刻蝕，所對應(yīng)的工藝條件也將有所差別，如果按照傳統(tǒng)氣相刻蝕工藝的方法進行刻蝕，將面臨兩難的選擇。

以圖1-圖2中所示的傳統(tǒng)刻蝕工藝為例，其中涉及到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括金屬層101、阻擋層102、掩膜層103以及基底104。阻擋層102和掩膜層103需要刻蝕去除，但二者發(fā)生刻蝕反應(yīng)的最佳溫度各不相同。在傳統(tǒng)氣相刻蝕工藝中，刻蝕過程均僅在一個刻蝕工藝腔中進行，因此要想達到比較好的刻蝕效果，分別在阻擋層102和掩膜層103的最佳刻蝕溫度下進行刻蝕，將不得不在同一個刻蝕工藝腔內(nèi)頻繁地改變對應(yīng)的工藝條件。然而，頻繁地改變工藝條件不利于工藝的穩(wěn)定性，同時也并不一定能夠獲得更快的刻蝕速率和更好的刻蝕效果。其原因在于，如溫度一類的工藝條 件，其改變的過程并非瞬時就能夠達到，而是需要一定時間的；而且，如果要控制刻蝕工藝腔內(nèi)的溫度由A攝氏度上升或下降至B攝氏度，刻蝕工藝還將遍歷A攝氏度和B攝氏度之間的其他溫度，從而在一些非最佳的工藝條件對晶圓進行刻蝕，影響刻蝕效果。可是如果溫度不作改變，整個刻蝕過程均采用同一溫度進行，由于阻擋層102和掩膜層103對溫度的選擇比不同，又會出現(xiàn)如圖2所示的“側(cè)壁侵蝕”現(xiàn)象，導(dǎo)致刻蝕工藝結(jié)束后，位于側(cè)壁位置處的阻擋層102的高度低于金屬層101的高度，造成對阻擋層102的過度刻蝕。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明揭示了一種刻蝕方法，該方法將刻蝕工藝按照進度進行了分割，分別在不同工藝腔中加以實施，從而取得了良好的刻蝕效果，且避免了阻擋層的過度刻蝕。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一種刻蝕方法，使用刻蝕氣體對晶圓的阻擋層和/或掩膜層進行刻蝕，包括：提供第一工藝腔和第二工藝腔，第一工藝腔與第二工藝腔具有不同的工藝條件；在第一工藝腔內(nèi)對阻擋層進行第一道刻蝕工藝并產(chǎn)生第一標(biāo)記產(chǎn)物，監(jiān)測第一標(biāo)記產(chǎn)物在第一工藝腔內(nèi)的濃度；第一標(biāo)記產(chǎn)物在第一工藝腔內(nèi)的濃度達到第一終點值時，第一道刻蝕工藝結(jié)束，并將晶圓轉(zhuǎn)移至第二工藝腔；在第二工藝腔內(nèi)對阻擋層或掩膜層進行第二道刻蝕工藝并產(chǎn)生第二標(biāo)記產(chǎn)物，監(jiān)測第二標(biāo)記產(chǎn)物在第二工藝腔內(nèi)的濃度；第二標(biāo)記產(chǎn)物在第二工藝腔內(nèi)的濃度達到第二終點值時，第二道刻蝕工藝結(jié)束。

進一步地，第一工藝腔內(nèi)的工藝條件設(shè)置為與第一道刻蝕工藝相匹配；第二工藝腔內(nèi)的工藝條件設(shè)置為與第二道刻蝕工藝相匹配。

進一步地，構(gòu)成阻擋層的材料包括Ta,TaN,Ti,TiN,Ru,Co,W,WN或Hf；構(gòu)成掩膜層的材料包括TiN。

可選地，刻蝕氣體為XeF2,XeF4,XeF6或KrF2。

進一步地，第一標(biāo)記產(chǎn)物為構(gòu)成阻擋層的材料中的金屬元素，第二標(biāo)記產(chǎn)物為構(gòu)成阻擋層或掩膜層的材料中的金屬元素，且第一標(biāo)記產(chǎn)物和第二標(biāo)記產(chǎn)物為不同的金屬元素。

進一步地，第一工藝腔和第二工藝腔被持續(xù)抽真空。

可選地，第一工藝腔內(nèi)的工藝條件包括溫度、壓強和氣體流量，第二工藝腔內(nèi)的工藝條件包括溫度、壓強和氣體流量。

可選地，第一終點值和第二終點值由質(zhì)譜儀或光譜儀測定。

采用本發(fā)明所揭示的刻蝕方法，能夠保證優(yōu)良的刻蝕效果，不僅刻蝕效率有所提高，而且還避免了“側(cè)壁侵蝕”現(xiàn)象。

附圖說明

圖1揭示了采用傳統(tǒng)氣相刻蝕工藝所刻蝕的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2揭示了采用傳統(tǒng)氣相刻蝕工藝刻蝕所得的結(jié)果示意圖；

圖3揭示了根據(jù)本發(fā)明的實施例中所使用的刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4揭示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中刻蝕方法的流程圖；

圖5揭示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中所刻蝕的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖6揭示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中刻蝕所得的結(jié)果示意圖；

圖7揭示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中阻擋層和掩膜層在不同溫度下的刻蝕速率示意圖；

圖8揭示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中刻蝕方法的流程圖；

圖9揭示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中所刻蝕的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖10揭示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中刻蝕所得結(jié)果的示意圖。

具體實施方式

下面將介紹本發(fā)明的具體實施方式：

圖3-圖7揭示了本發(fā)明的第一實施例。圖3揭示了第一實施例中所使用的刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。該刻蝕設(shè)備包括兩個工藝腔：第一工藝腔301和第二工藝腔302。第一工藝腔301內(nèi)包括光譜儀3011以及第一加熱盤3012。相應(yīng)的，第二工藝腔302內(nèi)也包括質(zhì)譜儀3021以及第二加熱盤3022。其中，光譜儀3011和質(zhì)譜儀3021分別用于監(jiān)測第一工藝腔301和第二工藝腔302內(nèi)的元素濃度；而第一加熱盤3012和第二加熱盤3022則均用于在刻蝕過程中支撐和加熱晶圓。第一工藝腔301和第二工藝腔302雖然在結(jié)構(gòu)上并無太大差別，但重要的是，第一工藝腔301和第二工藝腔302內(nèi)的工藝條件則并不相同。其中，第一工藝腔301內(nèi)的工藝條件對應(yīng)于第一道刻蝕工藝的最佳工藝條件，與第一道刻蝕工藝匹配。第二工藝腔302內(nèi)的工藝條件對應(yīng)于第二道刻蝕工藝的最佳工藝條件，與第二道刻蝕工藝匹配。這樣一來，可以充分利用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中不同膜層對溫度的選擇比，分別在最佳條件下對相應(yīng)的膜層進行刻蝕，而無需在同一個腔室內(nèi)頻繁的改換工藝條件。其中，各工藝腔內(nèi)工藝條件包括但不限于溫度、壓強以及氣體流量。

圖4揭示了本發(fā)明第一實施例中刻蝕方法的流程圖。該刻蝕方法使用刻蝕氣體對晶圓的阻擋層和掩膜層進行刻蝕，包括：

步驟401：提供第一工藝腔301和第二工藝腔302，第一工藝腔301和第二工藝腔302具有不同的工藝條件；

步驟402：在第一工藝腔301內(nèi)對阻擋層502進行第一道刻蝕工藝并產(chǎn)生第一標(biāo)記產(chǎn)物，監(jiān)測第一標(biāo)記產(chǎn)物在第一工藝腔301內(nèi)的濃度；

步驟403，第一標(biāo)記產(chǎn)物在第一工藝腔內(nèi)的濃度達到第一終點值時，第一道刻蝕工藝結(jié)束，并將晶圓轉(zhuǎn)移至第二工藝腔302內(nèi)；

步驟404，在第二工藝腔302內(nèi)對掩膜層503進行第二道刻蝕工藝并產(chǎn)生第二標(biāo)記產(chǎn)物，監(jiān)測第二標(biāo)記產(chǎn)物在第二工藝腔302內(nèi)的濃度；

步驟405，第二標(biāo)記產(chǎn)物在第二工藝腔302內(nèi)的濃度達到第二終點值時，第二道刻蝕工藝結(jié)束。

該第一實施例中的刻蝕方法中，使用XeF2作為刻蝕氣體，并分別采用了光譜儀3011和質(zhì)譜儀3021對第一標(biāo)記產(chǎn)物和第二標(biāo)記產(chǎn)物的濃度進行了監(jiān)測，從而能夠在恰當(dāng)?shù)臅r間將晶圓由第一工藝腔301轉(zhuǎn)移至第二工藝腔302，使晶圓上的阻擋層502和掩膜層503分別在各自的最佳工藝條件下得到刻蝕。

如圖5所示的，是本發(fā)明第一實施例中所刻蝕的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括金屬層501、阻擋層502、掩膜層503和基底504。其中，阻擋層只有一層，構(gòu)成阻擋層502的材料為Ta。構(gòu)成掩膜層503的材料則為TiN。Ta和TiN均能夠與刻蝕氣體XeF2發(fā)生反應(yīng)，刻蝕過程中將產(chǎn)生相應(yīng)的可供監(jiān)測的標(biāo)記產(chǎn)物，用以判斷刻蝕工藝的進度。通常，宜選取相應(yīng)的金屬元素作為標(biāo)記產(chǎn)物進行監(jiān)測，因為金屬元素的濃度來源只可能是發(fā)生刻蝕反應(yīng)所得，其在工藝腔內(nèi)的濃度與刻蝕反應(yīng)的進度直接相關(guān)；而非金屬元素的濃度來源則有可能牽涉到通入的刻蝕氣體的流量和濃度，若以非金屬元素的濃度作為依據(jù)判斷刻蝕工藝的進度，將不夠準(zhǔn)確。根據(jù)上述原則，第一實施例中所選取的第一標(biāo)記產(chǎn)物為構(gòu)成阻擋層502的材料(Ta)中的金屬元素，即Ta元素，所選取的第二標(biāo)記產(chǎn)物為構(gòu)成掩膜層503的材料(TiN)中的金屬元素，即Ti元素。

在具體實施圖4中的刻蝕方法時，首先將帶有圖5中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶圓放入第一工藝腔301中進行第一道刻蝕工藝，將位于正上方的阻擋層502和位于側(cè)壁的阻擋層502去除。其中，位于側(cè)壁的阻擋層502以金屬層501的上表面為界，可以分為上半部分和下半部分，上半部分阻擋層502與正上方的阻擋層502一樣，裸露在外，能夠與刻蝕氣體XeF2直接接觸并反應(yīng)；而下半部分阻擋層502并未裸露，在上半部分阻擋層502被去除以前，下半部分阻擋層502是沒有機會與XeF2相接觸并反應(yīng)的。在第一工藝腔301中，溫度設(shè)置為110℃，此溫度下XeF2對Ta的刻蝕速率較快，為，所得到的刻蝕結(jié)果也比較理想。使用光譜儀3011監(jiān)測第一工藝腔301中的Ta元素的濃度，當(dāng)Ta元素達的濃度達到第一終 點值時，意味著位于側(cè)壁的上半部分阻擋層502已經(jīng)被去除，此時可利用真空機械手迅速地將晶圓轉(zhuǎn)移至第二工藝腔302內(nèi)，進行第二道刻蝕工藝。其中，第一終點值通常是通過實際的刻蝕工藝得到的實驗值。

晶圓被轉(zhuǎn)入第二工藝腔302后，將進行第二道刻蝕工藝。第二工藝腔302內(nèi)的溫度設(shè)定為180℃，由于轉(zhuǎn)移晶圓的過程耗時不會太長，且兩個工藝腔通常會被持續(xù)抽真空以減少熱傳遞的介質(zhì)，所以可以認為第二道刻蝕工藝的溫度是被瞬間提升至180℃的，而沒有遍歷110℃～180℃之間的其他溫度。在180℃的溫度下，TiN的刻蝕速率較快，為，而Ta的刻蝕速率較慢，僅為?？梢钥闯?，此溫度下阻擋層502的刻蝕速率遠小于掩膜層503的刻蝕速率，這有利于在第二道刻蝕工藝中將掩膜層503快速去除，而避免位于側(cè)壁的阻擋層502被過度刻蝕。第二道刻蝕工藝中，通過質(zhì)譜儀3021對第二工藝腔302內(nèi)的Ti元素的濃度進行監(jiān)測，當(dāng)Ti元素的濃度達到第二終點值時，意味著掩膜層503被完全去除，第二道刻蝕工藝結(jié)束。其中，第二終點值通常是通過實際的刻蝕工藝得到的實驗值。最終的刻蝕結(jié)果如圖6所示，其中位于側(cè)壁的阻擋層502與金屬層501的高度齊平，側(cè)壁的阻擋層502沒有被過度刻蝕，從而消除了現(xiàn)有技術(shù)中存在的“側(cè)壁侵蝕”現(xiàn)象。

結(jié)合圖7和表1給出的刻蝕速率隨溫度變化的關(guān)系，可以得到Ta和TiN相應(yīng)的最佳刻蝕溫度，將第一工藝腔301和第二工藝腔302內(nèi)的溫度分別設(shè)置在Ta和TiN的最佳刻蝕溫度下，即可在保證良好刻蝕結(jié)果的前提下高效地進行刻蝕，同時也避免了對工藝穩(wěn)定性的破壞。

表1：

圖8-圖10揭示了本發(fā)明的第二實施例。第二實施例中所使用的設(shè)備與第一實施例所使用的設(shè)備相同，刻蝕設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖8揭示了第二實施例中的刻蝕方法的流程圖，該刻蝕方法使用刻蝕氣體對晶圓的兩層阻擋層進行刻蝕，包括：

步驟801：提供第一工藝腔301和第二工藝腔302，第一工藝腔301和第二工藝腔302具有不同的工藝條件；

步驟802：在第一工藝腔301內(nèi)對第一阻擋層902進行第一道刻蝕工藝并產(chǎn)生第一標(biāo)記產(chǎn)物，監(jiān)測第一標(biāo)記產(chǎn)物在第一工藝腔301內(nèi)的濃度；

步驟803，第一標(biāo)記產(chǎn)物在第一工藝腔內(nèi)的濃度達到第一終點值時，第一道刻蝕工藝結(jié)束，并將晶圓轉(zhuǎn)移至第二工藝腔302內(nèi)；

步驟804，在第二工藝腔302內(nèi)對第二阻擋層903進行第二道刻蝕工藝并產(chǎn)生第二標(biāo)記產(chǎn)物，監(jiān)測第二標(biāo)記產(chǎn)物在第二工藝腔302內(nèi)的濃度；

步驟805，第二標(biāo)記產(chǎn)物在第二工藝腔302內(nèi)的濃度達到第二終點值時，第二道刻蝕工藝結(jié)束。

該第一實施例中的刻蝕方法中，使用XeF4作為刻蝕氣體，并分別采用了光譜儀3011和質(zhì)譜儀3021對第一標(biāo)記產(chǎn)物和第二標(biāo)記產(chǎn)物的濃度進行了監(jiān)測，從而能夠在恰當(dāng)?shù)臅r間將晶圓由第一工藝腔301轉(zhuǎn)移至第二工藝腔302，使晶圓上的第一阻擋層902和第二阻擋層903分別在各自的最佳工藝條件下得到刻蝕。在其他實施例中，所使用的刻蝕氣體還可以為XeF6或KrF2。

如圖9所示的，是本發(fā)明第二實施例中所刻蝕的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括金屬層901、第一阻擋層902、第二阻擋層903和基底904。其中，阻擋層有兩層，構(gòu)成第一阻擋層902的材料為Ru。構(gòu)成第二阻擋層903的材料則為TaN。Ru和TaN均能夠與刻蝕氣體XeF4發(fā)生反應(yīng)，刻蝕過程中將產(chǎn)生相應(yīng)的可供監(jiān)測的標(biāo)記產(chǎn)物，用以判斷刻蝕工藝的進度。通常，宜選取相應(yīng)的金屬元素作為標(biāo)記產(chǎn)物進行監(jiān)測，因為金屬元素的濃度來源只可能是發(fā)生刻蝕反應(yīng)所得，其在工藝腔內(nèi)的濃度與刻蝕反應(yīng)的進度直接相關(guān)；而非金屬元素的濃度來源則有可能牽涉到通入的刻蝕氣體的流量和濃度，若以非金屬元素的濃度作為依據(jù)判斷刻蝕工藝的進度， 將不夠準(zhǔn)確。根據(jù)上述原則，第一實施例中所選取的第一標(biāo)記產(chǎn)物為構(gòu)成阻擋層902的材料(Ru)中的金屬元素，即Ru元素，所選取的第二標(biāo)記產(chǎn)物為構(gòu)成掩膜層903的材料(TaN)中的金屬元素，即Ta元素。在其他實施例中，阻擋層的材料還可以是TiN,Co,W,WN或Hf。

在具體實施圖8中的刻蝕方法時，首先將帶有圖9中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶圓放入第一工藝腔301中進行第一道刻蝕工藝，將裸露在外的第一阻擋層902去除，之后再將晶圓轉(zhuǎn)移至第二工藝腔302中進行第二道刻蝕工藝，將裸露出來的第二阻擋層903去除?？涛g過程中，分別通過光譜儀3011和質(zhì)譜儀3021控制工藝的進度。由于第一工藝腔301中的工藝條件被設(shè)置為刻蝕第一阻擋層902的最佳工藝條件，因而第一阻擋層902在第一道刻蝕工藝中將被高效快速地刻蝕，且所得的刻蝕結(jié)果也非常理想。而第二工藝腔302中的工藝條件被設(shè)置為刻蝕第二阻擋層903的最佳工藝條件，因而第二阻擋層903在第二道刻蝕工藝中同樣將被高效快速地刻蝕，刻蝕結(jié)果同樣也非常理想。第二實施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在兩個工藝條件不同的工藝腔中被刻蝕去除。不同的工藝條件下，兩層阻擋層各自對應(yīng)的選擇比也有所不同，因而能夠消除了“側(cè)壁侵蝕”現(xiàn)象。同時，采用兩個工藝腔進行刻蝕，還提高了刻蝕效率，且避免了頻繁改變工藝條件所導(dǎo)致的對工藝穩(wěn)定性的破壞。

第二道刻蝕工藝結(jié)束以后，最終的刻蝕結(jié)果如圖10所示，位于側(cè)壁的第一阻擋層902和第二阻擋層903的上表面均與金屬層901的上表面齊平，獲得了良好的刻蝕結(jié)果。

上述實施例是提供給熟悉本領(lǐng)域內(nèi)的人員來實現(xiàn)或使用本發(fā)明的，熟悉本領(lǐng)域的人員可在不脫離本發(fā)明的發(fā)明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本發(fā)明的保護范圍并不被上述實施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。