專利名稱：一種深孔硅刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及深孔硅(through silicon Via, TSV) 刻蝕技術(shù)，尤其涉及一種深孔硅刻蝕中側(cè)壁保護層的形成方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域中，在MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統(tǒng))和3D封裝技術(shù)等領(lǐng)域，通常需要對硅等材料進行深通孔刻蝕。例如，在體硅刻蝕技術(shù)中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度達到幾百微米、其深寬比遠大于10，通常采用深反應(yīng)離子刻蝕方法來刻蝕體硅形成。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)深反應(yīng)離子刻蝕方法示意圖?，F(xiàn)有技術(shù)中，TSV的深反應(yīng)離子刻蝕通常采用美國專利US5501893提出的Bosch工藝進行。如圖1所示，其中，12為襯底硅，11為掩膜層，13為聚合物層；掩膜層11通常為S^2或者Si3N4，主要在刻蝕過程起掩膜作用。具體深反應(yīng)離子刻蝕方法包括以下步驟(1)刻蝕步驟，通常用41~、02、3&的混合氣體進行等離子體刻蝕，；⑵聚合物沉積步驟，通常用Ar和C4F8的混合氣體在孔洞內(nèi)側(cè)面形成氟碳聚合物層，其厚度一般在納米級，有時也稱作該聚合物層為鈍化層，為使孔洞底部基本不形成氟碳聚合物層，該步驟中一般采用相對較低較的RF(Radic) Frequency，射頻)頻率；
(3)刻蝕步驟和聚合物沉積步驟交替進行，直到通孔刻蝕完成，在刻蝕步驟中，由于孔洞的內(nèi)表面、尤其是孔洞內(nèi)側(cè)面沉積聚合物，垂直等離子刻蝕時，入射的離子不會對其內(nèi)側(cè)面聚合物造成破壞側(cè)壁得以被保護，而垂直方向入射的離子會將孔洞底部的聚合物破壞使刻蝕反應(yīng)得以向下繼續(xù)，從而保證了整個孔洞刻蝕過程的各向異性。特別是在刻蝕過程中，采用電容耦合等離子體源(Capacitive Coupled Plasma, CCP)技術(shù)，可以加快在垂直方向的刻蝕速度，各向異性特性更好。因此通過以上所述深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕TSV時，具有刻蝕速度快(一般能達到5-8 μ m/min以上)、側(cè)壁垂直度范圍在90士3度內(nèi)、掩膜層與孔洞之間的底切(undercut)小于0. Ιμπι的特點。在刻蝕步驟中少量氧氣的添加不能在側(cè)壁形成足夠的保護層所以刻蝕步驟會在側(cè)壁形成凹坑，然后在下一個聚合物沉積步驟中被聚合物保護，每個刻蝕和沉積步驟交替的周期都會在側(cè)壁形成一個凹坑，多個這種凹坑形成扇形側(cè)壁，降低深通孔的側(cè)壁的光滑度。由于刻蝕過程是等向性的，每個刻蝕步驟都會在側(cè)壁形成凹坑，凹坑的深度與向下刻蝕的深度接近。為了防止側(cè)壁凹坑的深度過大造成下一步處理步驟(如導(dǎo)體沉積)困難，所以采用傳統(tǒng)Bosch流程的刻蝕方法每個刻蝕步驟的刻蝕深度只能控制在lum。在聚合物沉積步驟中形成的用于側(cè)壁保護的聚合物的厚度和成分可以進行選擇， 既不不能太薄無法對下一步刻蝕步驟中的側(cè)壁進行保護又不至于太厚影響下一步的刻蝕效果。但是傳統(tǒng)Bosch刻蝕方法存在一個無法解決的問題前幾個循環(huán)形成的側(cè)壁保護聚合物(位于刻蝕開口的上端)在不停的刻蝕-聚合物沉積的交替過程中會被逐漸破壞?？涛g開口上端的刻蝕形狀無法得到保證。為了解決聚合物在長期刻蝕中容易被破壞的問題現(xiàn)有技術(shù)提出了一些解決方案，有在刻蝕進行到一定時間后再進行一次額外的聚合物沉積步驟以強化側(cè)壁的保護。也有在刻蝕進行到一定時候利用大量02將側(cè)壁的聚合物氧化分解掉， 進一步的將刻蝕形成的溝槽或通孔側(cè)壁暴露出來的晶體硅氧化形成Si02。但是用氧氣分解聚合物并形成側(cè)壁保護的過程不僅時間長而且氧化硅形成的條件不易控制。氧氣要與側(cè)壁及底部的硅快速反應(yīng)，除了要形成等離子體外，還需要額外的光線如紫外線(UV)照射或者加熱來使氧更有活性。由于需要使氧原子向晶體硅內(nèi)擴散形成氧化硅，所以即使形成了氧化硅保護層，其厚度也不易控制，且過程緩慢。綜上所述現(xiàn)有技術(shù)需要有效的方案實現(xiàn)在刻蝕速率與保護方面的平衡，使得深孔硅刻蝕能在向下刻蝕過程中側(cè)壁能夠獲得持續(xù)、有效的保護。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，避免深貴通孔刻蝕過程中通孔側(cè)壁光滑度降低、刻蝕效率降低的問題。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供的深硅通孔刻蝕方法包括多個循環(huán)進行的刻蝕周期，每個刻蝕周期包括一個刻蝕步驟和側(cè)壁保護步驟，其特征在于所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng)氣體到放置有待刻蝕硅片的反應(yīng)腔，刻蝕硅層并形成開口，所述側(cè)壁保護步驟供應(yīng)側(cè)壁保護氣體，其中側(cè)壁保護氣體包括含硅氣體SiF4和含氧氣體反應(yīng)并沉積在所述開口的側(cè)壁和底部形成氧化硅層?？涛g氣體包括SiF4和SF6、NF3之一。刻蝕氣體也可以包括少量C02或02使側(cè)壁更垂直更光滑，同時使每一個看刻蝕步驟可以刻蝕更大的深度如 5-lOum?？涛g氣體包括SiF4，在刻蝕步驟到側(cè)壁保護步驟轉(zhuǎn)換時提高SiF4的供氣量。側(cè)壁保護氣體中的含硅氣體還包括SiH4，其中含氧氣體是氧氣。本發(fā)明刻蝕方法的技術(shù)效果是，通過氣體連續(xù)調(diào)節(jié)方式在刻蝕階段供應(yīng)SiF4并在側(cè)壁保護階段通入大量02在側(cè)壁形成Si02保護層，從而更好的保護刻蝕形成的深孔側(cè)壁，采用本方法實現(xiàn)了刻蝕步驟和側(cè)壁保護步驟的平穩(wěn)切換。其中刻蝕氣體還包括SF6或 NF3和碳氧化合物使得側(cè)壁上的“扇形”基本消失，使其側(cè)壁具有良好的光滑度；同時，相比現(xiàn)有技術(shù)，在漸變轉(zhuǎn)換過程中，仍然等效存在刻蝕效果和聚合物沉積效果，因此，可相對減少切換時間，提高深孔硅刻蝕效率。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)BOSCH刻蝕方法示意圖；圖2是本發(fā)明等離子刻蝕裝置的示意圖；圖3a_3d是本發(fā)明交替進行刻蝕步驟和側(cè)壁保護步驟形成的硅基片結(jié)構(gòu)圖；
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。圖2所示為本發(fā)明所用的等離子刻蝕用的反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)圖。等離子反應(yīng)腔包括腔體1，腔體內(nèi)包括一放置加工基片的基座及下電極32，下電極32之上是用來固定待加工基片的裝置34，該裝置可以是靜電夾盤(ESC)。靜電夾盤上是待加工基片30，基片30的外圍還包括邊緣環(huán)36用以調(diào)節(jié)基片邊緣部分的電場及溫度分布。與待加工基片30對應(yīng)的反應(yīng)腔頂部包括一氣體分布裝置10，如氣體噴淋頭。氣體噴淋頭將來自氣體供應(yīng)裝置110的氣體根據(jù)需要的氣體混合比和流量的均勻分布到待加工基片30表面。圖2所示的是典型的電容耦合型(CCP)等離子反應(yīng)器，本發(fā)明方法也可應(yīng)用于其它結(jié)構(gòu)的等離子反應(yīng)腔，比如電感耦合型反應(yīng)腔(ICP)。圖3所示為采用本發(fā)明方法加工基片時形成的基片結(jié)構(gòu)圖。圖形化的掩膜層11 下是襯底硅層12。如圖3a所示在深孔硅刻蝕過程的第一步，首先向反應(yīng)腔1中通入刻蝕氣體，點燃等離子并刻蝕襯底硅層形成開口 20，開口 20具有第一深度，比如5-lOum，該深度可以通過控制刻蝕氣體種類和其它參數(shù)的來調(diào)節(jié)。比如在刻蝕過程中添加C02，C02氣體能和側(cè)壁的硅反應(yīng)形成SiC和Si02從而可以保護側(cè)壁防止被刻蝕最后獲得側(cè)壁凹坑更小的刻蝕形狀。開口 20具有一底面21和側(cè)壁22，刻蝕形成的開口 20從圖3a中顯示的側(cè)壁是垂直的，實際刻蝕過程中隨著刻蝕氣體和其它參數(shù)的條件也可以是其它形狀的。側(cè)壁22 的形狀可以是如圖1中現(xiàn)有技術(shù)提到的那種弧形，也可以在刻蝕過程中添加少量側(cè)壁保護氣體如氟碳化合物，或者添加能與側(cè)壁的硅反應(yīng)的氣體如氧氣或二氧化碳從而使側(cè)壁相對現(xiàn)有技術(shù)具有更平滑更垂直的形狀。刻蝕氣體中也包括SiF4，SiF4由于可以解離出F所以可以起一定的刻蝕作用，但是由于其分子本身含硅所以解離出來的硅又從新沉積到硅基片上，最終在刻蝕時添加SiF4可以修飾側(cè)壁的形狀減輕一些側(cè)壁的弧度和刻蝕界面的底切 (undercut)。在刻蝕中通入SiF4和C02等氣體可以使刻蝕過程中形成機乎垂直的側(cè)壁，從而使得每個刻蝕步驟可以進行更長時間，每個刻蝕步驟形成的深度可以達到5-lOum。本發(fā)明除了可以用于垂直側(cè)壁的刻蝕孔，也可以用于其它形狀的刻蝕孔形成過程。如圖北顯示在完成第一步刻蝕之后進入側(cè)壁保護步驟，在側(cè)壁保護步驟中通入含硅氣體如SiH4或SiF4，同時通入含氧氣體如02。點燃等離子體后通過這含硅氣體和含氧氣體的反應(yīng)在刻蝕開口 20的底部和側(cè)壁上分別形成一層Si02層31，33。由于是通過外部氣體反應(yīng)生成新的Si02層的保護層，所以新生成的側(cè)壁保護層厚度均勻，而且可以通過控制反應(yīng)時間來獲得可控的保護層厚度。Si02相對現(xiàn)有技術(shù)中聚合物構(gòu)成的側(cè)壁保護層更能耐受在刻蝕步驟中的離子轟擊，能夠在整個深孔硅刻蝕過程中保持完整，不需要像現(xiàn)有技術(shù)中那樣需要在進行多個刻蝕-聚合物沉積的循環(huán)后添加一個步驟強化側(cè)壁保護。Si02 層的厚度選擇以能夠在整個深孔硅刻蝕中保護側(cè)壁，而又能很快在每一步刻蝕開始時被入射的離子轟擊使底部的31部分被迅速擊穿。由于在刻蝕步驟中有SiF4作為刻蝕氣體成分， 在側(cè)壁保護的沉積步驟中采用SiF4作為Si02形成的硅來源時可以實現(xiàn)刻蝕步驟和側(cè)壁保護步驟的平穩(wěn)過渡，只要逐漸提高SiF4和氧氣的供氣量同時減少SF6的供氣量即可。SiF4 也可以和SiH4混合使用使Si02的形成速度加快，縮短側(cè)壁保護步驟所用時間，提高整體刻蝕速率。圖3C顯示在第二個刻蝕步驟中底部的Si02層被高速入射的等離子轟擊后刻蝕氣體得以繼續(xù)向下刻蝕到第二深度。圖3d顯示在刻蝕到第二深度后再次進行的氧化硅側(cè)壁保護步驟，形成新的側(cè)壁保護層33和底部保護層31以保護新刻蝕形成的深孔內(nèi)壁。如此進行多次刻蝕-側(cè)壁保護步驟的交替循環(huán)直到達到目標深度，完成整個深孔硅的刻蝕。采用本發(fā)明方法的側(cè)壁保護步驟可以在整個刻蝕過程中獲得更有效的側(cè)壁保護，同時減少額外側(cè)壁保護的步驟，加快整體的的刻蝕速率。由于本發(fā)明采用的更強的側(cè)壁保護，所以每一個刻蝕步驟可以持續(xù)更長時間而不會被破壞，所以本發(fā)明每一個刻蝕步驟可以刻蝕深度達到5-lOum甚至更高。而且采用本發(fā)明方法形成側(cè)壁保護層的過程不需要額外的輻射或加熱裝置，可簡單有效的形成厚度可控的側(cè)壁保護層。 在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實施例。應(yīng)
當理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種深孔硅刻蝕方法，包括多個循環(huán)進行的刻蝕周期，每個刻蝕周期包括一個刻蝕步驟和側(cè)壁保護步驟，其特征在于所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng)氣體到放置有待刻蝕硅片的反應(yīng)腔，刻蝕硅層并形成開Π,所述側(cè)壁保護步驟供應(yīng)側(cè)壁保護氣體，其中側(cè)壁保護氣體包括含硅氣體SiF4和含氧氣體反應(yīng)并沉積在所述開口的側(cè)壁和底部形成氧化硅層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深孔硅刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕氣體還包括SF6、NF3 之一或其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深孔硅刻蝕方法方法，其特征在于，所述刻蝕氣體還包括C02。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深孔硅刻蝕方法方法，其特征在于，所述刻蝕氣體包括SiF4， 在刻蝕步驟到側(cè)壁保護步驟轉(zhuǎn)換時提高SiF4的供氣量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深孔硅刻蝕方法，其特征在于，所述側(cè)壁保護氣體中的含硅氣體還包括SiH4，其中含氧氣體是氧氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的深孔硅刻蝕方法，其特征在于，所述每個刻蝕步驟的刻蝕形成的開口深度為5-10um。
全文摘要
一種深孔硅刻蝕方法，屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括交替進行的刻蝕步驟和側(cè)壁保護層沉積步驟，所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng)氣體到放置有待刻蝕硅片的反應(yīng)腔，刻蝕硅層并形成開口，側(cè)壁保護步驟供應(yīng)側(cè)壁保護氣體，其中側(cè)壁保護氣體包括含硅氣體和含氧氣體，在開口的側(cè)壁和底部形成氧化硅層。使用本發(fā)明的深孔硅刻蝕方法刻蝕的深孔側(cè)壁具有更高的強度不需要額外的強化步驟，提高整體的刻蝕效率。
文檔編號B81C1/00GK102398887SQ20101028008
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者凱文·皮爾斯 申請人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司