CN102398887A - 一种深孔硅刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

一种深孔硅刻蚀方法，属于半导体制造技术领域。该方法包括交替进行的刻蚀步骤和侧壁保护层沉积步骤，所述刻蚀步骤供应刻蚀反应气体到放置有待刻蚀硅片的反应腔，刻蚀硅层并形成开口，侧壁保护步骤供应侧壁保护气体，其中侧壁保护气体包括含硅气体和含氧气体，在开口的侧壁和底部形成氧化硅层。使用本发明的深孔硅刻蚀方法刻蚀的深孔侧壁具有更高的强度不需要额外的强化步骤，提高整体的刻蚀效率。

Description

一种深孔硅刻蚀方法
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及深孔硅(through siliconVia，TSV)刻蚀技术，尤其涉及一种深孔硅刻蚀中侧壁保护层的形成方法。
背景技术
半导体制造技术领域中，在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)和3D封装技术等领域，通常需要对硅等材料进行深通孔刻蚀。例如，在体硅刻蚀技术中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度达到几百微米、其深宽比远大于10，通常采用深反应离子刻蚀方法来刻蚀体硅形成。
图1所示为现有技术深反应离子刻蚀方法示意图。现有技术中，TSV的深反应离子刻蚀通常采用美国专利US5501893提出的Bosch工艺进行。如图1所示，其中，12为衬底硅，11为掩膜层，13为聚合物层；掩膜层11通常为SiO2或者Si3N4，主要在刻蚀过程起掩膜作用。具体深反应离子刻蚀方法包括以下步骤：(1)刻蚀步骤，通常用Ar、O2、SF6的混合气体进行等离子体刻蚀，；(2)聚合物沉积步骤，通常用Ar和C4F8的混合气体在孔洞内侧面形成氟碳聚合物层，其厚度一般在纳米级，有时也称作该聚合物层为钝化层，为使孔洞底部基本不形成氟碳聚合物层，该步骤中一般采用相对较低较的RF(Radio Frequency，射频)频率；(3)刻蚀步骤和聚合物沉积步骤交替进行，直到通孔刻蚀完成，在刻蚀步骤中，由于孔洞的内表面、尤其是孔洞内侧面沉积聚合物，垂直等离子刻蚀时，入射的离子不会对其内侧面聚合物造成破坏侧壁得以被保护，而垂直方向入射的离子会将孔洞底部的聚合物破坏使刻蚀反应得以向下继续，从而保证了整个孔洞刻蚀过程的各向异性。特别是在刻蚀过程中，采用电容耦合等离子体源(Capacitive Coupled Plasma，CCP)技术，可以加快在垂直方向的刻蚀速度，各向异性特性更好。因此通过以上所述深反应离子刻蚀技术刻蚀TSV时，具有刻蚀速度快(一般能达到5-8μm/min以上)、侧壁垂直度范围在90±3度内、掩膜层与孔洞之间的底切(undercut)小于0.1μm的特点。在刻蚀步骤中少量氧气的添加不能在侧壁形成足够的保护层所以刻蚀步骤会在侧壁形成凹坑，然后在下一个聚合物沉积步骤中被聚合物保护，每个刻蚀和沉积步骤交替的周期都会在侧壁形成一个凹坑，多个这种凹坑形成扇形侧壁，降低深通孔的侧壁的光滑度。由于刻蚀过程是等向性的，每个刻蚀步骤都会在侧壁形成凹坑，凹坑的深度与向下刻蚀的深度接近。为了防止侧壁凹坑的深度过大造成下一步处理步骤(如导体沉积)困难，所以采用传统Bosch流程的刻蚀方法每个刻蚀步骤的刻蚀深度只能控制在1um。
在聚合物沉积步骤中形成的用于侧壁保护的聚合物的厚度和成分可以进行选择，既不不能太薄无法对下一步刻蚀步骤中的侧壁进行保护又不至于太厚影响下一步的刻蚀效果。但是传统Bosch刻蚀方法存在一个无法解决的问题前几个循环形成的侧壁保护聚合物(位于刻蚀开口的上端)在不停的刻蚀-聚合物沉积的交替过程中会被逐渐破坏。刻蚀开口上端的刻蚀形状无法得到保证。为了解决聚合物在长期刻蚀中容易被破坏的问题现有技术提出了一些解决方案，有在刻蚀进行到一定时间后再进行一次额外的聚合物沉积步骤以强化侧壁的保护。也有在刻蚀进行到一定时候利用大量O2将侧壁的聚合物氧化分解掉，进一步的将刻蚀形成的沟槽或通孔侧壁暴露出来的晶体硅氧化形成SiO2。但是用氧气分解聚合物并形成侧壁保护的过程不仅时间长而且氧化硅形成的条件不易控制。氧气要与侧壁及底部的硅快速反应，除了要形成等离子体外，还需要额外的光线如紫外线(UV)照射或者加热来使氧更有活性。由于需要使氧原子向晶体硅内扩散形成氧化硅，所以即使形成了氧化硅保护层，其厚度也不易控制，且过程缓慢。
综上所述现有技术需要有效的方案实现在刻蚀速率与保护方面的平衡，使得深孔硅刻蚀能在向下刻蚀过程中侧壁能够获得持续、有效的保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，避免深贵通孔刻蚀过程中通孔侧壁光滑度降低、刻蚀效率降低的问题。
为解决以上技术问题，本发明提供的深硅通孔刻蚀方法包括多个循环进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤和侧壁保护步骤，其特征在于：所述刻蚀步骤供应刻蚀反应气体到放置有待刻蚀硅片的反应腔，刻蚀硅层并形成开口，所述侧壁保护步骤供应侧壁保护气体，其中侧壁保护气体包括含硅气体SiF4和含氧气体反应并沉积在所述开口的侧壁和底部形成氧化硅层。刻蚀气体包括SiF4和SF6、NF3之一。刻蚀气体也可以包括少量CO2或O2使侧壁更垂直更光滑，同时使每一个看刻蚀步骤可以刻蚀更大的深度如5-10um。刻蚀气体包括SiF4，在刻蚀步骤到侧壁保护步骤转换时提高SiF4的供气量。
侧壁保护气体中的含硅气体还包括SiH4，其中含氧气体是氧气。
本发明刻蚀方法的技术效果是，通过气体连续调节方式在刻蚀阶段供应SiF4并在侧壁保护阶段通入大量O2在侧壁形成SiO2保护层，从而更好的保护刻蚀形成的深孔侧壁，采用本方法实现了刻蚀步骤和侧壁保护步骤的平稳切换。其中刻蚀气体还包括SF6或NF3和碳氧化合物使得侧壁上的“扇形”基本消失，使其侧壁具有良好的光滑度；同时，相比现有技术，在渐变转换过程中，仍然等效存在刻蚀效果和聚合物沉积效果，因此，可相对减少切换时间，提高深孔硅刻蚀效率。
附图说明
图1是现有技术BOSCH刻蚀方法示意图；
图2是本发明等离子刻蚀装置的示意图；
图3a-3d是本发明交替进行刻蚀步骤和侧壁保护步骤形成的硅基片结构图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。图2所示为本发明所用的等离子刻蚀用的反应腔结构图。等离子反应腔包括腔体1，腔体内包括一放置加工基片的基座及下电极32，下电极32之上是用来固定待加工基片的装置34，该装置可以是静电夹盘(ESC)。静电夹盘上是待加工基片30，基片30的外围还包括边缘环36用以调节基片边缘部分的电场及温度分布。与待加工基片30对应的反应腔顶部包括一气体分布装置10，如气体喷淋头。气体喷淋头将来自气体供应装置110的气体根据需要的气体混合比和流量的均匀分布到待加工基片30表面。图2所示的是典型的电容耦合型(CCP)等离子反应器，本发明方法也可应用于其它结构的等离子反应腔，比如电感耦合型反应腔(ICP)。
图3所示为采用本发明方法加工基片时形成的基片结构图。图形化的掩膜层11下是衬底硅层12。如图3a所示在深孔硅刻蚀过程的第一步，首先向反应腔1中通入刻蚀气体，点燃等离子并刻蚀衬底硅层形成开口20，开口20具有第一深度，比如5-10um，该深度可以通过控制刻蚀气体种类和其它参数的来调节。比如在刻蚀过程中添加CO2，CO2气体能和侧壁的硅反应形成SiC和SiO2从而可以保护侧壁防止被刻蚀最后获得侧壁凹坑更小的刻蚀形状。开口20具有一底面21和侧壁22，刻蚀形成的开口20从图3a中显示的侧壁是垂直的，实际刻蚀过程中随着刻蚀气体和其它参数的条件也可以是其它形状的。侧壁22的形状可以是如图1中现有技术提到的那种弧形，也可以在刻蚀过程中添加少量侧壁保护气体如氟碳化合物，或者添加能与侧壁的硅反应的气体如氧气或二氧化碳从而使侧壁相对现有技术具有更平滑更垂直的形状。刻蚀气体中也包括SiF4，SiF4由于可以解离出F所以可以起一定的刻蚀作用，但是由于其分子本身含硅所以解离出来的硅又从新沉积到硅基片上，最终在刻蚀时添加SiF4可以修饰侧壁的形状减轻一些侧壁的弧度和刻蚀界面的底切(undercut)。在刻蚀中通入SiF4和CO2等气体可以使刻蚀过程中形成机乎垂直的侧壁，从而使得每个刻蚀步骤可以进行更长时间，每个刻蚀步骤形成的深度可以达到5-10um。本发明除了可以用于垂直侧壁的刻蚀孔，也可以用于其它形状的刻蚀孔形成过程。
如图3b显示在完成第一步刻蚀之后进入侧壁保护步骤，在侧壁保护步骤中通入含硅气体如SiH4或SiF4，同时通入含氧气体如O2。点燃等离子体后通过这含硅气体和含氧气体的反应在刻蚀开口20的底部和侧壁上分别形成一层SiO2层31，33。由于是通过外部气体反应生成新的SiO2层的保护层，所以新生成的侧壁保护层厚度均匀，而且可以通过控制反应时间来获得可控的保护层厚度。SiO2相对现有技术中聚合物构成的侧壁保护层更能耐受在刻蚀步骤中的离子轰击，能够在整个深孔硅刻蚀过程中保持完整，不需要像现有技术中那样需要在进行多个刻蚀-聚合物沉积的循环后添加一个步骤强化侧壁保护。SiO2层的厚度选择以能够在整个深孔硅刻蚀中保护侧壁，而又能很快在每一步刻蚀开始时被入射的离子轰击使底部的31部分被迅速击穿。由于在刻蚀步骤中有SiF4作为刻蚀气体成分，在侧壁保护的沉积步骤中采用SiF4作为SiO2形成的硅来源时可以实现刻蚀步骤和侧壁保护步骤的平稳过渡，只要逐渐提高SiF4和氧气的供气量同时减少SF6的供气量即可。SiF4也可以和SiH4混合使用使SiO2的形成速度加快，缩短侧壁保护步骤所用时间，提高整体刻蚀速率。
图3C显示在第二个刻蚀步骤中底部的SiO2层被高速入射的等离子轰击后刻蚀气体得以继续向下刻蚀到第二深度。图3d显示在刻蚀到第二深度后再次进行的氧化硅侧壁保护步骤，形成新的侧壁保护层33和底部保护层31以保护新刻蚀形成的深孔内壁。
如此进行多次刻蚀-侧壁保护步骤的交替循环直到达到目标深度，完成整个深孔硅的刻蚀。采用本发明方法的侧壁保护步骤可以在整个刻蚀过程中获得更有效的侧壁保护，同时减少额外侧壁保护的步骤，加快整体的的刻蚀速率。由于本发明采用的更强的侧壁保护，所以每一个刻蚀步骤可以持续更长时间而不会被破坏，所以本发明每一个刻蚀步骤可以刻蚀深度达到5-10um甚至更高。而且采用本发明方法形成侧壁保护层的过程不需要额外的辐射或加热装置，可简单有效的形成厚度可控的侧壁保护层。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (6)

1.一种深孔硅刻蚀方法，包括多个循环进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤和侧壁保护步骤，其特征在于：
所述刻蚀步骤供应刻蚀反应气体到放置有待刻蚀硅片的反应腔，刻蚀硅层并形成开口，
所述侧壁保护步骤供应侧壁保护气体，其中侧壁保护气体包括含硅气体SiF4和含氧气体反应并沉积在所述开口的侧壁和底部形成氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的深孔硅刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体还包括SF6、NF3之一或其混合物。
3.根据权利要求2所述的深孔硅刻蚀方法方法，其特征在于，所述刻蚀气体还包括CO2。
4.根据权利要求1所述的深孔硅刻蚀方法方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括SiF4，在刻蚀步骤到侧壁保护步骤转换时提高SiF4的供气量。
5.根据权利要求1所述的深孔硅刻蚀方法，其特征在于，所述侧壁保护气体中的含硅气体还包括SiH4，其中含氧气体是氧气。
6.根据权利要求3所述的深孔硅刻蚀方法，其特征在于，所述每个刻蚀步骤的刻蚀形成的开口深度为5-10um。 
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