CN106328580A - 铜互连结构的气相刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体生产和加工领域。本发明揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，该铜互连结构包括阻挡层和/或掩膜层，提供刻蚀腔和扩散腔，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，且铜互连结构置于刻蚀腔中，该方法包括步骤：将刻蚀腔和扩散腔抽至真空，刻蚀腔和扩散腔相互独立；向刻蚀腔内通入非刻蚀气体；向扩散腔中通入刻蚀气体；连通扩散腔和刻蚀腔以使刻蚀气体由扩散腔流入刻蚀腔，与铜互连结构反应；待刻蚀气体完全被耗尽后重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。采用本发明提供的方法，能够对厚度达到原子层量级的阻挡层进行准确地去除，且有效的避免了“侧壁侵蚀”现象的产生。

Description

铜互连结构的气相刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体生产和加工领域，更具体的说，涉及一种铜互连结构的气相刻蚀方法。

背景技术

铜互连结构通常设置在晶圆或者硅片上，随着集成电路加工尺寸的减小，互连线的尺寸也在相应下降。目前，14nm技术节点的制程，互连线的宽度已经达到30nm。随着10nm及以下技术节点的来临，互连线也将达到10nm并持续减小，而阻挡层的厚度也将变得更薄，接近1-2nm的厚度。阻挡层如此之薄，甚至已经接近原子层量级(即仅为单原子直径的量级)，在这种情况下，要将原子层去除，本领域惯用的一些技术手段已难以发挥效力。传统的CMP(化学机械研磨)工艺对阻挡层损伤很大，因而不能适用；而普通的气相刻蚀工艺，由于刻蚀过程始终连续而又难以精确控制，容易造成过度刻蚀。

过度刻蚀所导致的直接后果是会使铜互连结构出现“侧壁侵蚀”现象，图1-图2揭示了侧壁侵蚀现象的形成过程。现有的气相刻蚀工艺，是在一个真空刻蚀腔内，直接引入刻蚀气体对图1中的铜互连结构进行刻蚀。该种铜互连结构自下而上通常包括基底101、隔离层102、第一介质层103、第二介质层104、硬掩膜层105以及阻挡层106，部分阻挡层106覆盖于硬掩膜层105之上，而在金属层107的侧壁区域108位置处，也被阻挡层106所包裹。经过研磨处理之后，侧壁区域108一般会高出金属层107，从而在金属层107上方留出一定的空隙。而刻蚀气体分子109进入刻蚀腔后，由于刻蚀腔内处于真空，刻蚀气体分子109会迅速占据金属层107上方的空隙以及阻挡层106上方的空间，与暴露在外的位于侧壁区域108以及硬掩膜层105上方位置处的阻挡层106发生反应。这种现有的气相刻蚀工艺通常是连续进行的，即会通过管道持续地向刻蚀腔内通入刻蚀气体，采用稳恒模式连续地、不间断地对该铜互连结构进行刻蚀，并最终通过一定的终点检测手段判断出刻蚀工艺的终点后停止通入刻蚀气体，结束刻蚀工艺。采用这种现有的技术，在阻挡层106较厚的情况下尚且能够通过控制反应时间来掌控刻蚀的进度，但是随着技术的进步，当阻挡层106下降至原子层量级时，这种方法将不再奏效，达不到精确控制目的。另外，稳恒模式下的连续刻蚀也很难将刻蚀气体的用量恰好控制在反应的终点，如图2所示的，当铜互连结构的硬掩膜层105被完全去除后，如果刻蚀气体仍有剩余，这些残留的刻蚀气体将集中与侧壁区域108处的阻挡层106发生反应，造成“侧壁侵蚀”，导致最终获得的刻蚀结果中，侧壁区域108处的阻挡层106高度低于金属层107，形成侵蚀间隙110，使芯片失效。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，该方法不仅能够解决“侧壁侵蚀”的问题，同时也实现了对厚度在原子层量级的阻挡层的刻蚀。

为了达到上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

本发明揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，该铜互连结构包括阻挡层和/或掩膜层，提供刻蚀腔和扩散腔，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，且铜互连结构置于刻蚀腔中，该方法包括步骤：将刻蚀腔和扩散腔抽至真空，刻蚀腔和扩散腔相互独立；向刻蚀腔内通入非刻蚀气体；向扩散腔中通入刻蚀气体；连通扩散腔和刻蚀腔以使刻蚀气体由扩散腔流入刻蚀腔，与铜互连结构反应；待刻蚀气体完全被耗尽后重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。

在一个实施例中，阻挡层的厚度为0.5～10nm。

在一个实施例中，掩膜层的厚度为0～5nm。

在一个实施例中，刻蚀气体为稀有气体元素与卤族元素所形成的化合物的气体。可选地，刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的其中一种；可选地，刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的至少两种的组合。

在一个实施例中，非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。优选地，非刻蚀气体为氮气。

在一个实施例中，非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气中的至少两种的组合。

在一个实施例中，扩散腔的体积和温度保持恒定。

在一个实施例中，构成掩膜层的材料包括氮化钛或氮化钨。

在一个实施例中，构成阻挡层的材料包括钽、氮化钽、钛、氮化钛、钌、钨、氮化钨、铪或钴。

在一个实施例中，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，首先采用稳恒模式连续地对铜互连结构进行刻蚀。

在一个实施例中，刻蚀腔和/或扩散腔内的温度控制在20～500摄氏度，每次向刻蚀腔内通入的刻蚀气体的物质的量为0.1～10毫摩尔。

在一个实施例中，刻蚀腔和/或扩散腔被抽至真空状态时，刻蚀腔和/或扩散腔内的气压在10毫托以下；而刻蚀腔内通入非刻蚀气体后，刻蚀腔内的气压在4～50托之间。

在一个实施例中，在扩散腔内设置一压缩装置或推进装置，以形成外力推动刻蚀气体分子进入刻蚀腔内。

在一个实施例中，在扩散腔内设置气体流量计以控制刻蚀气体的量或者通过传感器测量扩散腔内的气压，进而换算出通入的刻蚀气体的量。

综上所述，本发明提供的铜互联结构的气相刻蚀方法，在刻蚀腔内首先通入了非刻蚀气体，通过碰撞效应避免了过度刻蚀的发生，同时采用脉冲模式对半导体结构进行刻蚀，达到了精确度在原子层量级的刻蚀要求。

附图说明

图1揭示了采用现有技术中的气相刻蚀方法对铜互连结构进行刻蚀时的示意图；

图2揭示了采用现有技术中的气相刻蚀方法对铜互连结构进行刻蚀后所形成的“侧壁侵蚀”现象的示意图；

图3揭示了本发明第一具体实施方式和第二具体实施方式中所使用的刻蚀腔和扩散腔的结构示意图；

图4揭示了本发明第一具体实施方式的流程图；

图5揭示了本发明第一具体实施方式和第二具体实施方式中向刻蚀腔内通入非刻蚀气体后的示意图；

图6揭示了本发明第一具体实施方式和第二具体实施方式中将刻蚀腔和扩散腔连通后的示意图；

图7揭示了本发明第一具体实施方式和第二具体实施方式中刻蚀工艺到达终点后的示意图；

图8揭示了本发明第二具体实施方式的流程图；

图9揭示了本发明第三具体实施方式中所使用的刻蚀腔和扩散腔的结构示意图；

图10揭示了本发明第三具体实施方式的流程图；

图11揭示了本发明第三具体实施方式中首先采用稳恒模式通入刻蚀气体进行连续刻蚀的示意图；

图12揭示了本发明第三具体实施方式中向刻蚀腔内通入非刻蚀气体后的示意图；

图13揭示了本发明第三具体实施方式中将刻蚀腔和扩散腔连通后的示意图；

图14揭示了本发明第三具体实施方式中刻蚀工艺到达终点后的示意图。

具体实施方式

下面将介绍本发明的具体实施方式，并结合附图以辅助理解：

图3-图7涉及本发明的第一具体实施方式。其中图3展示的是本发明第一具体实施方式中所使用的刻蚀腔301和扩散腔302的结构示意图。与现有技术不同的，本发明的第一具体实施方式共采用了两个腔室来完成刻蚀工艺，它们分别是刻蚀腔301和扩散腔302。刻蚀腔301和扩散腔302均为密闭腔室，二者虽然通过一根管道连接，但在管道的中央设置有一个开关阀305，因此，在开关阀305打开之前，两个腔之间是相互独立的。晶圆303作为本发明中铜互连结构的载体被放置于刻蚀腔301中，而相应的，刻蚀反应也将在刻蚀腔301中进行。在实施刻蚀工艺时，需要对刻蚀腔301和扩散腔302进行抽真空处理，所以二者均连接有抽气装置，分别为第一真空泵306和第二真空泵307。另外，刻蚀腔301内设置有气体喷头308，以向腔内通入非刻蚀气体；扩散腔302内设置有进气管304，以向腔内通入刻蚀气体。除此之外，刻蚀腔301内安装有传感器309，用于监测腔室内的气压状况；扩散腔302的末端安装有气体流量计310，能够准确地控制通入扩散腔302内的刻蚀气体的流量体积。

参阅图4，揭示了本发明的第一具体实施方式的流程图。该具体实施方式揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，其中的铜互连结构包括阻挡层，但没有掩膜层，刻蚀工艺中，提供有如图3所示的刻蚀腔301和扩散腔302，采用了脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，而晶圆303作为铜互连结构的载体，被放置于刻蚀腔301中，在第一具体实施方式揭示的方法中，包括了如下步骤：

步骤401：将刻蚀腔301和扩散腔302抽至真空，刻蚀腔301和扩散腔302相互独立；

步骤402：向刻蚀腔301内通入氮气；

步骤403：向扩散腔302内通入二氟化氙气体；

步骤404：连通扩散腔302和刻蚀腔301以使二氟化氙气体由扩散腔302流入刻蚀腔301，与铜互连结构发生反应；

步骤405：重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。

图5-7模拟了实施刻蚀工艺时的微观情景，同时也揭示了本发明第一具体实施方式中所涉及的铜互连结构。在图5中可以观察到，铜互连结构自下而上依次包括基底501、隔离层502、第一介质层503、第二介质层504以及阻挡层，该铜互连结构中不包含掩膜层。其中，阻挡层根据分布位置的不同，可以区分为顶部阻挡层505以及侧壁阻挡层508。顾名思义地，顶部阻挡层505位于第二介质层504的正上方；而侧壁阻挡层508则位于金属层507的两侧。刻蚀工艺开始之前，侧壁阻挡层508的高度要高于金属层507，因而金属层507的正上方形成了一定的空隙。第一具体实施方式中，选用的非刻蚀气体(刻蚀工艺中不参与反应的气体)为氮气，而选用的刻蚀气体(刻蚀工艺中与阻挡层和/或掩膜层发生刻蚀反应的气体)为二氟化氙，而其中的铜互连结构仅包含有阻挡层，而不含掩膜层，构成阻挡层的材料为钌(Ru)，刻蚀反应的化学方程式可以表示为：3XeF2+Ru＝RuF6+6Xe。

在本实施方式中，已经确切的知道所需要刻蚀的阻挡层(即顶部阻挡层505)的厚度为0.5nm，该厚度达到了传统刻蚀工艺难以企及的原子层量级。另外，已知晶圆303为300mm规格的晶圆，其图形密度为50％，而钌的密度为12.2g/cm3。因而，根据前述刻蚀反应的化学方程式，可以精确的计算出所需的二氟化氙气体的用量，要去除相应厚度的顶部阻挡层505，需要消耗标准状态下5.85ml的二氟化氙气体，也即约0.26mmol的二氟化氙气体。为了精确的去除这0.5nm厚的顶部阻挡层505，本具体实施方式采用了脉冲模式非连续地对顶部阻挡层505进行了刻蚀，即每次仅通过气体流量计310准确地释放极微量(一般为0.1～10mmol)的二氟化氙气体进入扩散腔302，然后打开开关阀305连通刻蚀腔301和扩散腔302，使二氟化氙气体扩散并流入至刻蚀腔301内，待刻蚀反应进行完全，通入的极微量的二氟化氙气体全部被消耗完后，两个腔室再次被抽至真空，之后重新通过气体流量计310再次释放极微量的二氟化氙气体重复上述过程，从而准确地将顶部阻挡层505全部去除，达到了刻蚀工艺的终点。根据计算，在这种间隔的脉冲模式下，总共分两次向扩散腔302内通入了二氟化氙气体，以实现刻蚀目的，其中第一次通过气体流量计310向扩散腔302内通入了2.92ml二氟化氙气体，待连通刻蚀腔301和扩散腔302使该部分气体完全反应完成后，再进行下一脉冲的刻蚀工艺，在第二次脉冲中，通过气体流量计310向扩散腔302内通入了2.93ml二氟化氙气体，两次刻蚀反应的效果叠加后，恰好将5nm的由钌构成的阻挡层去除。

本发明之所以采用两腔(刻蚀腔301和扩散腔302)、脉冲模式的气相刻蚀方法去替代现有技术中单腔、稳恒模式的气相刻蚀方法，是因为单腔、稳恒模式下，刻蚀反应是持续进行的，刻蚀过程中很难确保通入的刻蚀气体均已经完全参与了反应后才被排出，因而要想准确的计算刻蚀气体的用量就变得十分困难。如果阻挡层较厚，在持续刻蚀的过程中通过By Time(时间控制)手段来掌控刻蚀反应的进度还具有一定的可行性，但是当阻挡层厚度下降到原子层量级之后，时间控制也将不再准确。而采用两腔、脉冲模式的气相刻蚀方法之后，在一个脉冲中，刻蚀气体首先进入扩散腔302且暂时不参与刻蚀反应，待开关阀305打开后，直至刻蚀气体完全被耗尽，才会进行下一脉冲，因而保证了刻蚀的精确度。且在每一脉冲中，由于通入的刻蚀气体是极微量的，仅在0.1～10mmol，因此也不用担心过刻。

另外，采用两腔模式，分别在刻蚀腔301和扩散腔302内注入非刻蚀气体和刻蚀气体的做法，避免了“侧壁侵蚀”现象的产生。其原因在于，由非刻蚀气体预先占据刻蚀腔301，那么在开关阀305打开后，刻蚀气体由扩散腔302向刻蚀腔301流动，其进入的刻蚀腔301不再是一个真空腔，而是如图5所示的，进入的是一个充满了非刻蚀气体分子的刻蚀腔301。在非刻蚀气体分子506的碰撞效应之下，极大的减小了刻蚀气体分子509接触侧壁阻挡层508的几率，从而确保了刻蚀气体分子509在大多数情况下仅与顶部阻挡层505发生刻蚀反应，因而避免了“侧壁侵蚀”现象的产生。在第一具体实施方式中，选用的刻蚀气体为二氟化氙气体，因而刻蚀气体分子509即二氟化氙分子；选用的非刻蚀气体为氮气，非刻蚀气体分子506即氮气分子。图5展示了刻蚀腔301被非刻蚀气体分子506所占据的微观情景，图6则展示了刻蚀腔301与扩散腔302连通之后，刻蚀气体分子509与非刻蚀气体分子506发生碰撞效应而集中与顶部阻挡层505发生刻蚀反应的微观情景。

而且，这种碰撞效应对侧壁阻挡层508的保护效果与刻蚀气体和非刻蚀气体之间的占比有关，具体表现为，刻蚀气体的物质的量与非刻蚀气体的物质的量之比越小，则对侧壁阻挡层508的保护效果越好。根据这一关系，采用脉冲模式进行刻蚀的另一优点又得以体现：由于每一脉冲通入的刻蚀气体的量是一定的，连通刻蚀腔301与扩散腔302后，随着刻蚀反应的进行，该脉冲中刻蚀气体被逐渐消耗，相应的，刻蚀气体的物质的量与非刻蚀气体的物质的量之比也在逐渐降低，因而在碰撞效应的影响下，对侧壁阻挡层508的保护效果也将变得越来越好，从而更加有效地避免了“侧壁侵蚀”现象的产生。图7展示了第一具体实施方式下，所获得的良好的刻蚀结果，刻蚀工艺进行至终点后，顶部阻挡层505被完全去除，而侧壁阻挡层508的高度则恰好与金属层507的高度齐平，从而保证了芯片的品质。

在刻蚀工艺中，需要对温度、气压等一些工艺参数进行限定，因而在第一具体实施方式中，步骤401中刻蚀腔301和扩散腔302被抽至真空状态下的气压为10毫托；步骤402中刻蚀腔301内通入氮气，使刻蚀腔301内的气压达到50torr；另外在整个过程中，将刻蚀腔301和扩散腔302内的温度始终维持在500℃，以保证刻蚀工艺稳定而高效地进行。

图3以及图5-8涉及本发明的第二具体实施方式。本发明的第二具体实施方式也是通过如图3所示的刻蚀腔301和扩散腔302来实现的，此处不再赘述刻蚀腔301和扩散腔302的结构特征。

图8是本发明第二具体实施方式的流程图。第二具体实施方式中揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，其中的铜互连结构同样只包括阻挡层，不包括掩膜层，刻蚀工艺中，提供有如图3所示的刻蚀腔301和扩散腔302，采用了脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，而晶圆303作为铜互连结构的载体，被放置于刻蚀腔301中，在第二具体实施方式揭示的方法中，包括了如下步骤：

步骤801：将刻蚀腔301和扩散腔302抽至真空，刻蚀腔301和扩散腔302相互独立；

步骤802：向刻蚀腔301内通入氙气和氪气的混合气体；

步骤803：向扩散腔302内通入六氟化氙和二氟化氪的混合气体；

步骤804：连通扩散腔302和刻蚀腔301以使六氟化氙和二氟化氪的混合气体由扩散腔302流入刻蚀腔301，与铜互连结构发生反应；

步骤805：重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。

第二具体实施方式中所刻蚀的铜互连结构也与图5-7中所示的第一具体实施方式中的铜互连结构相同，其铜互连结构自下而上同样包括基底501、隔离层502、第一介质层503、第二介质层504以及阻挡层。根据阻挡层分布位置的不同，可将阻挡层分为顶部阻挡层505和侧壁阻挡层508，其中顶部阻挡层505位于第二介质层504的正上方，侧壁阻挡层508位于金属层507的两侧。刻蚀工艺开始之前，侧壁阻挡层508的高度要高于金属层507，因而金属层507的正上方形成了一定的空隙。虽然第二具体实施方式中的铜互连结构与第一具体实施例中的基本一致，但构成阻挡层的材料以及阻挡层的厚度却有所不同，在本实施例中，阻挡层由氮化钽构成，厚度为大约在10nm左右，但具体数值并不确定。可选地，构成阻挡层的材料还可以是钽、钛、氮化钛、钌、钨、氮化钨、铪或钴，这些材料均可以和稀有气体元素与卤族元素所形成的化合物的气体发生反应，从而被刻蚀去除。这种由稀有气体元素与卤族元素所形成的化合物的气体作为刻蚀气体，可以为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪，也可以为它们的任意混合气体。在本实施方式中，选用了六氟化氙和二氟化氪的混合气体作为刻蚀气体来实现刻蚀工艺的。

需要去除的阻挡层为顶部阻挡层505。由于仅仅知道阻挡层的厚度大约在10nm左右，而不知道阻挡层厚度的具体数值，因而在第二具体实施方式中无法准确的计算出刻蚀气体的用量，预测刻蚀工艺的终点。但是，仍然可以通过本发明提供的双腔、脉冲模式的思路分多个脉冲间断地、不连续地对顶部阻挡层505加以刻蚀，只不过在刻蚀工艺的最后，需要借助终点检测的手段还确定刻蚀工艺的终点。具体而言，在一个脉冲中，需要首先将刻蚀腔301和扩散腔302抽至真空；然后分别向刻蚀腔301内注入氙气和氪气的混合气体，向扩散腔302注入极微量(0.1～10mmol)的六氟化氙和二氟化氪的混合气体；之后连通刻蚀腔301和扩散腔302等待刻蚀气体反应完全；重复上述步骤直至达到刻蚀工艺的终点。在刻蚀工艺的最后，需要借助终点检测的仪器或者现象，来判断顶部阻挡层505是否已被完全去除，刻蚀工艺到达了终点。如果终点检测仪器或者现象显示尚未将顶部阻挡层505完全去除，则重复本具体实施方式的步骤，继续进行下一脉冲的刻蚀；如果终点检测仪器或者现象显示顶部阻挡层505已被完全去除，到达了刻蚀工艺的终点，则无需进行下一脉冲的刻蚀，可立即结束刻蚀工艺。每一脉冲中通入扩散腔302的刻蚀气体均由气体流量计310精确控制，且通入的量是极微小的，从而保证了刻蚀的精确度，同时也不容易造成过刻。另外，对于传统的单腔、稳恒模式的气相刻蚀方法而言，引入终点检测很容易造成刻蚀结果的不准确，引起过刻。其原因在于，连续刻蚀过程中，从观察到终点检测仪器给出的提示信号到关闭刻蚀气体的通入，这段时间之内由于延迟的存在，势必会导致实际通入刻蚀腔内的刻蚀气体过量，造成过刻；而对于本具体实施方式中所采用的双腔、脉冲模式的气相刻蚀方法而言，则不存在这样的问题，因为每一脉冲中通入的刻蚀气体是极微量的，范围控制在0.1～10mmol，当观察到终点检测仪器给出的提示信号后，即会停止刻蚀工艺，不会进行下一脉冲的刻蚀，而残余的刻蚀气体即使没有完全反应，也将是极其微小量级的，仅会造成很小程度上的过刻，可忽略不计。

刻蚀工艺中，需要对刻蚀腔301和扩散腔302抽真空，两个腔室在真空状态下，腔内的气压应在10mtorr以下，本实施方式中两个腔室在真空状态下的气压均控制在8mtorr。为了保证非刻蚀气体能够产生足够强大的碰撞效应，在步骤802中，通入刻蚀腔301内的氙气和氪气应使腔室内的气压达到4torr或以上，但也不宜超过50torr，否则将有可能导致刻蚀气体进入刻蚀腔301后凝固成粉末，影响刻蚀效果。在本实施方式中，步骤802中将刻蚀腔301内的气压控制在4torr。为了保证刻蚀工艺顺利进行，能够满足反应条件，宜将刻蚀腔301和扩散腔302的温度控制在20～500℃，本实施方式中将温度控制在了20℃。

图9-14涉及本发明的第三具体实施方式。其中图9展示的是本发明第三具体实施方式中所使用的刻蚀腔901和扩散腔902的结构示意图。本发明的第三具体实施方式共采用了两个腔室来完成刻蚀工艺，它们分别是刻蚀腔901和扩散腔902。刻蚀腔901和扩散腔902均为密闭腔室，二者虽然通过一根管道连接，但在管道的中央设置有一个开关阀905，因此，在开关阀905打开之前，两个腔之间是相互独立的。晶圆903作为本发明中铜互连结构的载体被放置于刻蚀腔901中，而相应的，刻蚀反应也将在刻蚀腔901中进行。在实施刻蚀工艺时，需要对刻蚀腔901和扩散腔902进行抽真空处理，所以二者均连接有抽气装置，分别为第一真空泵906和第二真空泵907。另外，刻蚀腔901内设置有气体喷头908，以向腔内通入非刻蚀气体；扩散腔902内设置有进气管904，以向腔内通入刻蚀气体。除此之外，刻蚀腔901内安装有第一传感器909，用于监测腔室内的气压状况；扩散腔902内安装有第二传感器910，用于监测腔室内的气压状况。

图10涉及本发明第三具体实施方式的流程图。第三具体实施方式中揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，其中的铜互连结构包括了阻挡层和掩膜层，刻蚀工艺中，提供有如图9所示的刻蚀腔901和扩散腔902，为了提高效率，该实施方式中首先采用了稳恒模式连续地对铜互连结构进行刻蚀，快速去除大部分阻挡层之后，才采用了脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，继续去除剩余的阻挡层，以及掩膜层，而晶圆903作为铜互连结构的载体，被放置于刻蚀腔901中，在第三具体实施方式揭示的方法中，包括了如下步骤：

步骤1001：首先采用稳恒模式，通入四氟化氙刻蚀气体对铜互连结构进行连续刻蚀；

步骤1002：将刻蚀腔901和扩散腔902抽至真空，刻蚀腔901和扩散腔902相互独立；

步骤1003：向刻蚀腔901内通入氮气；

步骤1004：向扩散腔902内四氟化氙气体；

步骤1005：连通扩散腔902和刻蚀腔901以使四氟化氙气体由扩散腔902流入刻蚀腔901，与铜互连结构发生反应；

步骤1006：重复步骤1002-1005，至达到刻蚀工艺的终点。

图11-14模拟了实施刻蚀工艺时的微观情景，同时也揭示了本发明第三具体实施方式中所涉及的铜互连结构。在图11中可以观察到，铜互连结构自下而上依次包括基底1101、隔离层1102、第一介质层1103、第二介质层1104、掩膜层1105以及阻挡层。其中，阻挡层根据分布位置的不同，可以区分为顶部阻挡层1106以及侧壁阻挡层1108。顾名思义地，顶部阻挡层1106位于掩膜层1105的正上方；而侧壁阻挡层1108则位于金属层1107的两侧。刻蚀工艺开始之前，侧壁阻挡层1108的高度要高于金属层1107，因而金属层1107的正上方形成了一定的空隙。

本实施方式中，构成阻挡层的材料为厚度为10nm的铪，构成掩膜层的材料为厚度为5nm的氮化钛。可选地，构成掩膜层的材料也可以是氮化钨。在该实施方式中，选用四氟化氙气体作为刻蚀气体，用于去除顶部阻挡层1106以及掩膜层1105；而选用氮气作为非刻蚀气体，因为氮气的性质比较稳定，不会与刻蚀气体或铜互连结构发生反应，且氮气的价格与其他惰性气体相比较为廉价，是本发明中非刻蚀气体的理想选择。

第三具体实施方式在采用脉冲模式对铜互连结构进行不连续地刻蚀之前，首先采用了稳恒模式对铜互连结构进行了连续地刻蚀，这主要是考虑到该实施方式中的铜互连结构，具有较厚的顶部阻挡层1106，如果全程都采用脉冲模式进行非连续地刻蚀，需要消耗一定的时间。因而为了提高效率，该实施方式首先采用了稳恒模式，将顶部阻挡层1106的铪刻蚀去除了8nm的厚度，由原来的10nm刻蚀至仅剩余2nm，此阶段顶部阻挡层1106的厚度足够，因而可以采用时间控制的手段将较好的控制刻蚀的进度，保证剩余的顶部阻挡层1106停留在2nm的厚度。图11即展示的是采用稳恒模式对铜互连结构进行连续刻蚀的微观情景，其中的刻蚀气体分子1109与阻挡层相接触，发生刻蚀反应。

稳恒模式结束以后，还剩余2nm的顶部阻挡层1106以及5nm的掩膜层1105需要去除，此阶段为了保证刻蚀的精度，并防止过度刻蚀造成的“侧壁侵蚀”，将继续采用脉冲模式分多次以原子层量级的精度对顶部阻挡层1106和掩膜层1105进行刻蚀，直到顶部阻挡层1106和掩膜层1105恰好被去除，到达刻蚀工艺的终点为止。脉冲模式下的刻蚀过程如图12-14所示，将刻蚀腔901和扩散腔902抽至5mtorr的底压后，刻蚀腔901和扩散腔902均处于真空；向刻蚀腔901内通入非刻蚀气体，非刻蚀气体分子1110将迅速占据刻蚀腔901内的空间，填充至顶部阻挡层1106以及金属层1107的上方；向扩散腔902内通入极微量的刻蚀气体，将一个脉冲中的刻蚀气体的量控制在0.1～10mmol，以保证每次去除的厚度非常之少，且十分准确；连通刻蚀腔901和扩散腔902后，刻蚀气体分子1109由扩散腔902流入刻蚀腔901，为了加快刻蚀气体分子1109流动的速度，并使所有的刻蚀气体分子1109完全浸入刻蚀腔901参加反应，可以在扩散腔902内设置一定的压缩装置或推进装置，形成外力推动刻蚀气体分子1109全部、快速地浸入刻蚀腔901；重复进行上述脉冲模式，直到刻蚀工艺到达终点。

在本实施方式的步骤1004中，需要控制通入扩散腔902内的刻蚀气体的物质的量。为此，根据克拉贝龙方程：PV＝nRT(其中P为扩散腔902内的气压，V为扩散腔902的容积，n为刻蚀气体的物质的量，R为常数，T为扩散腔902内的温度)，保持扩散腔902的容积和温度一定，那么我么就可以通过测量扩散腔902内的气压来换算出通入扩散腔902内的刻蚀气体的物质的量，从而可以将通入扩散腔902的刻蚀气体准确地控制在所需要的极微小量的范围之内，并获知刻蚀气体的具体的物质的量，实现精确刻蚀。正是基于上述原理，在扩散腔902没有设置气体流量计的情况下，第三具体实施方式中是通过第二传感器910测量扩散腔902内的气压，进而换算出通入的刻蚀气体的物质的量的。

第三具体实施方式中的工艺参数，其中温度刻蚀腔901和扩散腔902的温度控制在200摄氏度以保证刻蚀工艺顺利进行；刻蚀腔901在通入氮气后，腔室内的气压控制在30torr，此气压下可事情901被足量的氮气分子所占据，且当四氟化氙进入刻蚀腔901后，四氟化氙仍将以气体形式存在。

毋庸赘言地，本申请所公开的特定的具体实施方式仅仅描述了本发明中的技术方案及其一般原理，其作用是倾向于释明性的，而非自囿性的。因此，即使本领域技术人员在该发明的基础上作出了无实质性特点和显著进步的更动和润饰，使之方案貌似地区别于本发明的精神实质，仍不排除其被划归在本发明申请的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种铜互连结构的气相刻蚀方法，所述铜互连结构包括阻挡层和/或掩膜层，其特征在于，提供刻蚀腔和扩散腔，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，所述铜互连结构置于刻蚀腔中，该方法包括步骤：

将所述刻蚀腔和扩散腔抽至真空，所述刻蚀腔和扩散腔相互独立；

向所述刻蚀腔内通入非刻蚀气体；

向所述扩散腔内通入刻蚀气体；

连通所述扩散腔和所述刻蚀腔以使所述刻蚀气体由扩散腔流入刻蚀腔，与所述铜互连结构反应；

待刻蚀气体完全被耗尽后重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。

2.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为0.5～10nm。

3.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述掩膜层的厚度为0～5nm。

4.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体为稀有气体元素与卤族元素所形成的化合物的气体。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的其中一种。

6.根据权利要求1-4中的任一项所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的至少两种的组合。

7.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。

8.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气中的至少两种的组合。

9.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述扩散腔的体积和温度保持恒定。

10.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，构成所述掩膜层的材料包括氮化钛或氮化钨。

11.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，构成所述阻挡层的材料包括钽、氮化钽、钛、氮化钛、钌、钨、氮化钨、铪或钴。

12.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀之前，首先采用稳恒模式连续地对铜互连结构进行刻蚀。

13.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀腔和/或所述扩散腔内的温度控制在20～500摄氏度。

14.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，每次向所述扩散腔内通入刻蚀气体的物质的量为0.1～10毫摩尔。

15.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀腔和/或所述扩散腔被抽至真空状态时，所述刻蚀腔和/或所述扩散腔内的气压在10毫托以下。

16.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀腔内通入非刻蚀气体后，刻蚀腔内的气压在4～50托之间。

17.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，在所述扩散腔内设置一压缩装置或推进装置，以形成外力推动刻蚀气体分子进入刻蚀腔内。

18.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，在所述扩散腔内设置气体流量计以控制刻蚀气体的量或者通过传感器测量所述扩散腔内的气压，进而换算出通入的刻蚀气体的量。