二氟化氙气相刻蚀阻挡层的工艺的制作方法

本发明涉及半导体硅片的加工工艺，尤其涉及在集成电路铜互连工艺中利用二氟化氙气相刻蚀硅片上阻挡层的工艺，有效提高多片硅片阻挡层去除工艺的效率。

背景技术：

在集成电路铜互连工艺中，位于铜线与电介质层之间的金属或其氮化物层例如钽、氮化钽、钛、氮化钛可以阻碍铜互连线中铜分子向电介质层扩散，这一金属或其氮化物层被称之为阻挡层。为了保持铜互连线之间良好的绝缘性，除了铜互连线侧壁的阻挡层外，电介质层表面的阻挡层必须去除。传统去除阻挡层的方法是利用化学机械抛光(CMP)去除阻挡层，然而化学机械抛光去除阻挡层的过程中会产生机械应力，该机械应力对于机械强度较弱的电介质层会造成破坏。

随着半导体工艺技术的发展，二氟化氙由于其温和的氟化性质而被作为气相刻蚀的反应气体运用在半导体制造工艺中。二氟化氙与钽、氮化钽、钛、氮化钛等阻挡层材料在一定温度和压力条件下可以自发的发生刻蚀化学反应并生成气相反应物，而二氟化氙对铜、铝、二氧化硅、氮化硅等金属互连线和电介质层有良好的选择性，通常不会对铜等金属互连线和电介质层造成破坏。

请参考中国专利申请号200910050835.7，为本申请人于2009年5月8日提出的名为“阻挡层的去除方法和装置”发明专利申请。在该发明专利申请中已详细描述二氟化氙去除阻挡层钽/氮化钽的工艺条件以及工艺效果，在此不再赘述。

目前，二氟化氙气相刻蚀阻挡层钽/氮化钽或钛/氮化钛的工艺包括：机械手将硅片放入刻蚀工艺腔内；用高纯氮气净化工艺腔；将工艺腔抽成真空；在工艺腔内将硅片加热到预设的温度；向工艺腔内注入二氟化氙，当工艺腔内的压强达到预设的压强后，二氟化氙与硅片反应；反应结束后，将工艺腔抽成真空，排出未反应的二氟化氙和二氟化氙与硅片反应生成的产物；向工艺腔内注入氮气等惰性气体，使工艺腔内部压强与外界压强一致，打开工艺腔阀门，机械手从工艺腔内取出硅片。

在实际操作过程中，可以发现上述工艺存在两方面的不足。一方面是机械手将硅片从晶圆传送盒中取出直接放入工艺腔内加热到工艺要求的温度，在硅片加热的过程中，其它待加工的硅片在晶圆传送盒中处于等待状态，而硅片在工艺腔中加热到工艺要求的温度和温度稳定需要一定的时间，从而大大降低了工艺腔的使用效率和阻挡层去除工艺的效率。另一方面，硅片在工艺腔内被刻蚀后，硅片的温度较高，如果未将硅片冷却到一定温度就将硅片从工艺腔中取出，很容易造成硅片表面上的铜被氧化，从而导致半导体器件的电学性能降低，而在工艺腔中，硅片冷却的速率很慢，进而降低了阻挡层去除工艺的效率。另外，硅片刻蚀完毕后，硅片表面有部分的氟化物残留，为了下一道工艺的顺利进行，硅片表面的氟化物必须去除干净。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种能大大提高多片硅片阻挡层去除工艺效率并能去除硅片表面的氟化物的二氟化氙气相刻蚀阻挡层的工艺。

为实现上述目的，本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的工艺，包括如下步骤：

将硅片放入预加热腔内加热到一设定温度；

从所述预加热腔内取出硅片并将硅片放入工艺腔内进行气相刻蚀；

从所述工艺腔内取出硅片；

将硅片放入后加热腔内加热到一设定温度并维持一定时间；

从所述后加热腔内取出硅片并将硅片放入冷却腔内冷却到一设定温度；

从所述冷却腔内取出硅片。

综上所述，本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层工艺中，先在预加热腔内将硅片加热到一设定温度，然后再将硅片放入工艺腔内进行气相刻蚀，刻蚀工艺结束后，将硅片放入后加热腔内加热以去除硅片表面的氟化物，最后将硅片传送至冷却腔内进行冷却到设定温度，在此工艺过程中，硅片在工艺腔内进行气相刻蚀时，下一片硅片已开始预加热过程，硅片完成刻蚀并传入后加热腔内进行加热时，已完成预加热的硅片传入工艺腔内进行气相刻蚀，整个工艺过程缩短了待处理硅片的等待时间，从而大大提高了多片硅片阻挡层去除工艺的效率，同时去除了硅片表面残留的氟化物，并能有效防止硅片表面上的铜被氧化。

附图说明

图1为本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的工艺系统图。

图2为本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的工艺流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。

请参阅图1，为本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的工艺系统图。该系统包括预加热腔10、真空机械手传输腔20、工艺腔30、后加热腔80和冷却腔40。预加热腔10和冷却腔40分别具有第一阀门50和第二阀门60，工艺腔30具有第三阀门70，后加热腔80具有第四阀门90。真空机械手传输腔20分别通过第二阀门60与预加热腔10和冷却腔40相通。真空机械手传输腔20通过第三阀门70与工艺腔30相通，真空机械手传输腔20通过第四阀门90与后加热腔80相通。

请参阅图1和图2，本发明使用二氟化氙气相刻蚀阻挡层钽/氮化钽或钛/氮化钛时，首先打开预加热腔10的第一阀门50，大气机械手将硅片从晶圆传送盒中取出并放入预加热腔10内，然后关闭预加热腔10的第一阀门50。使用真空泵将预加热腔10抽成真空，硅片被放置到预先加热到一定温度的预加热腔10的基底上开始预加热。由于硅片在传输过程中硅片表面有热量散失，为了提高阻挡层去除工艺的效率，通常会将硅片的温度加热到略高于刻蚀工艺要求的温度，例如，二氟化氙与钽或氮化钽反应的最佳温度为80℃-160℃，那么在预加热硅片时，会将硅片的温度控制在80℃-180℃；二氟化氙与钛或氮化钛反应的最佳温度为110℃-300℃，那么在预加热硅片时，会将硅片的温度控制在110℃-320℃。硅片预加热结束后，调节预加热腔10和真空机械手传输腔20内的压强，当二者的压强一致时，打开预加热腔10的第二阀门60，真空机械手传输腔20内的真空机械手将硅片从预加热腔10内取出，然后关闭预加热腔10的第二阀门60，并向预加热腔10内注入氮气直到预加热腔10内的压强与外界大气压一致，此时，打开预加热腔10的第一阀门50，开始下一片硅片的预加热过程。

接着，调节真空机械手传输腔20和工艺腔30内的压强，当二者的压强相近时，打开工艺腔30的第三阀门70，真空机械手将已加热的硅片放入工艺腔30内。关闭第三阀门70，调节硅片的温度到工艺要求的温度，同时将工艺腔30抽成真空。向工艺腔30内注入二氟化氙，当工艺腔30内的压强达到工艺要求的压强后，二氟化氙与硅片上的阻挡层反应。反应结束后，将工艺腔30抽成真空，排出未反应的二氟化氙和二氟化氙与阻挡层反应生成的产物。调节真空机械手传输腔20和工艺腔30内的压强，当二者的压强相近时，打开工艺腔30的第三阀门70，真空机械手将已刻蚀的硅片从工艺腔30内取出，并关闭第三阀门70。

硅片在工艺腔30内刻蚀时，后加热腔80内的压强已调节到和真空机械手传输腔20的压强一致，第四阀门90打开。工艺刻蚀完毕后，真空机械手将硅片从工艺腔30内取出并放入后加热腔80内，第四阀门90关闭。硅片在后加热腔80内被加热到一设定温度，残留在硅片表面的氟化物被气化。在加热过程中，真空泵一直对后加热腔80抽真空，使得气化的氟化物被抽走。后加热腔80的温度为100℃-350℃，硅片在后加热腔80内加热的时间为1-5分钟。硅片在后加热腔80内加热结束后，打开第四阀门90，真空机械手将硅片从后加热腔80内取出。

接着，调节冷却腔40内的压强，使其压强与真空机械手传输腔20内的压强一致，打开冷却腔40的第二阀门60，真空机械手将硅片放入冷却腔40的基底上进行冷却，并关闭冷却腔40的第二阀门60。当硅片的温度冷却到预设的温度后，向冷却腔40内注入氮气或者其它惰性气体或者氮气与氢气等还原性气体的混合气体，防止硅片表面上的铜被氧化。当冷却腔40内的压强与外界大气压一致时，打开冷却腔40的第一阀门50，大气机械手将硅片从冷却腔40内取出并放入晶圆传送盒中。关闭冷却腔40的第一阀门50，使用真空泵将冷却腔40抽真空，调节冷却腔40内的压强，使其压强与真空机械手传输腔20内的压强一致，然后打开冷却腔40的第二阀门60，开始下一片硅片的冷却过程。

由上述可知，本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层工艺中，先在预加热腔10内将硅片加热到一设定温度，然后再将硅片传入工艺腔20内进行气相刻蚀，刻蚀工艺结束后，再将硅片传送到后加热腔80内加热到一设定温度并维持一定时间。最后将硅片传入至冷却腔40内进行冷却到设定温度，在此工艺过程中，硅片在工艺腔20内进行气相刻蚀时，下一片硅片已开始预加热过程，硅片完成刻蚀并传入后加热腔80内进行加热时，已完成预加热的硅片传入工艺腔20内进行气相刻蚀，整个工艺过程缩短了待处理硅片的等待时间，从而大大提高了多片硅片阻挡层去除工艺的效率，同时去除了硅片表面残留的氟化物，并能有效防止硅片表面上的铜被氧化。

如图2所示，本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的工艺可以总结为如下步骤：

201.将硅片放入预加热腔10内加热到一设定温度。

202.从预加热腔10内取出硅片并将硅片放入工艺腔30内进行气相刻蚀。

203.从工艺腔30内取出硅片。

204.将硅片放入后加热腔80内加热到一设定温度并维持一定时间。

205.从后加热腔80内取出硅片并将硅片放入冷却腔40内冷却到一设定温度。

206.从冷却腔40内取出硅片。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。