CN102931133B - 一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，该方法包含以下步骤：在进行硅穿孔工艺过程中，设置静电卡盘边缘区域的温度高于静电卡盘中心区域的温度；静电卡盘上晶圆的温度分布为，边缘区域温度高，中心区域温度低；实现在进行硅穿孔工艺中的钝化工艺时，降低晶圆边缘区域钝化形成的聚合物厚度，改善晶圆边缘区域与中心区域之间的聚合物钝化的均匀度。本发明在静电卡盘的中心区域和边缘区域分别提供不同的温度，实现在进行硅穿孔工艺流程时，晶圆边缘区域的温度高于晶圆中心区域的温度，降低晶圆边缘区域处钝化工艺产生的聚合物的厚度，提高晶圆边缘区域与中心区域的钝化处理均匀度，以改善硅穿孔工艺中晶圆刻蚀的均匀性。

Description

一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体制备工艺流程中的刻蚀均匀性控制技术，具体涉及一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法。

背景技术

硅穿孔（TSV）刻蚀工艺中最常用的是博世法（Bosch）工艺和Aviza工艺。

博世（Bosch）式深度反应离子刻蚀（DeepReactiveIonEtch，DRIE）工艺是一种能够应对刻蚀TSV挑战的工艺，它能实现垂直剖面形貌的刻蚀在纵宽比方面的要求，而其高刻蚀速率更使它具有高的产能和相对比较低的制造成本。

Bosch式DRIE工艺已经在MEMS制造过程中使用了多年，该工艺几乎已经成为了MEMS刻蚀的同义词，也是MEMS制造深硅刻蚀结构的一种成熟方法。Bosch式DRIE工艺也正在变成3D通孔制造的主流工艺，在刻蚀MEMS深槽结构中获得的大量经验被成功地移植到TSV结构的刻蚀工艺中。

对于深度超过20μm垂直剖面通孔的刻蚀，Bosch式DRIE是最佳工艺，它可以获得良好的控制。它基于等离子刻蚀的工艺技术，采用交替重复进行硅各向同性刻蚀和聚合物淀积工艺，从而实现完全的各向异性的深度蚀刻。在每个刻蚀周期中，通孔刻蚀底部的聚合物将被分解去除，从而暴露下部需要刻蚀的硅。随后对暴露出的硅进行各向同性刻蚀，在使通孔变深的同时还形成扇贝状起伏的边墙。然后再淀积一层聚合物来保护边墙，使其在下一个刻蚀周期中免遭蚀刻。因此，每个刻蚀周期都会在通孔的边墙上留下扇贝状的起伏。这些扇贝状起伏会随着刻蚀速率的增加而变大。对硅片贯穿孔TSV来说，后续的工艺是进行淀积和电镀工艺填充通孔。

Aviza的DRIE模块能够提供高浓度的反应氟原子和聚合物淀积时所需的反应气体。所用的工艺气体从陶瓷钟罩的顶部引入，使用抽真空泵来将反应后的气体抽除。射频RF透过陶瓷钟罩耦合产生等离子体，可以对射频RF耦合的效率进行了电磁场优化。采用了一个带有液氦背冷却的静电硅片夹持盘（electro-staticChuck，ESC）来控制圆片的温度。静电夹持盘（ESC）接有独立的射频RF源，用来增强离子对圆片的轰击效果。

在硅穿孔（TSV）的等离子体刻蚀工艺过程中，由于硅穿孔工艺是一个重钝化的工艺流程，导致在硅穿孔工艺中控制晶圆的刻蚀均匀性成为难题。目前在硅穿孔刻蚀的博世法（BOSCH）工艺和气体不间断的稳态（steady-state）工艺中，都存在着晶圆刻蚀均匀性控制困难的问题。在现有的硅穿孔刻蚀工艺过程中，通常晶圆中心区域的钝化效果较弱，而在晶圆边缘区域的钝化效果非常强。这种晶圆上钝化工艺的不均匀会导致晶圆表面刻蚀速率不均匀，以及晶圆表面轮廓的不均匀，甚至有时候由于过重的钝化会造成在工艺过程中晶圆边缘区域的刻蚀反应停止。

目前在大孔径的硅穿孔刻蚀工艺中，由于晶圆钝化不均匀对大尺寸穿孔结构的不利影响日益增多，找到晶圆钝化工艺中均匀性的解决方案以改善晶圆钝化均匀性是非常重要的需求。

发明内容

本发明提供一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，用于改善在硅穿孔工艺中由于不均匀钝化而导致刻蚀不均匀的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

在进行硅穿孔工艺过程中，设置静电卡盘边缘区域的温度高于静电卡盘中心区域的温度；

静电卡盘上晶圆的温度分布为，边缘区域温度高，中心区域温度低；

实现在进行硅穿孔工艺中的钝化工艺时，降低晶圆边缘区域钝化形成的聚合物厚度，改善晶圆边缘区域与中心区域之间的聚合物钝化的均匀度。

设置上述的静电卡盘上边缘区域温度高于中心区域温度后，边缘区域与中心区域之间温度差的范围为5摄氏度至20摄氏度。

上述的静电卡盘上由中心区域至边缘区域，其对晶圆提供的温度均匀逐渐升高或跳变升高。

在进行硅穿孔工艺过程中，晶圆上分布的刻蚀气体或钝化气体的浓度均匀不变。

在进行刻蚀工艺或钝化工艺过程中，对晶圆施加的射频功率不变。

在采用博世法进行硅穿孔工艺时，静电卡盘上设置的原始温度的范围是0至30度。

在采用非博世法进行硅穿孔工艺时，静电卡盘上设置的原始温度的范围是0至30度。

一种静电卡盘，其特点是，其设置于进行硅穿孔工艺的半导体加工设备中，该静电卡盘包含：

静电卡盘本体，用于将晶圆固定在该静电卡盘本体上；

第一温度调节器，其设置于所述静电卡盘本体的边缘区域下；

第二温度调节器，其设置于所述静电卡盘本体的中心区域下；

温控模块，其分别向第一温度调节器与第二温度调节器输出温控信号，使所述第一温度调节器的温度高于第二温度调节器的温度。

一种真空处理装置，其特点是，该真空处理装置包含上述的静电卡盘。

本发明一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法和现有技术的硅穿孔工艺相比，其优点在于，本发明将用于固定晶圆的静电卡盘分为中心区域和边缘区域，在静电卡盘的中心区域和边缘区域分别提供不同的温度，实现在进行硅穿孔工艺流程时，静电卡盘上晶圆边缘区域的温度高于晶圆中心区域的温度，降低晶圆边缘区域处钝化工艺产生的聚合物的厚度，提高晶圆边缘区域与中心区域的钝化处理均匀度，以改善硅穿孔工艺中晶圆刻蚀的均匀性。

附图说明

图1为本发明改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性方法所适用的静电卡盘的侧视图；

图2为本发明改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性方法所适用的静电卡盘的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种用于进行硅穿孔（TSV）工艺的真空处理装置，该真空处理装置中设有静电卡盘（ESC），该静电卡盘可以在其边缘区域和中心区域设置不同的温度，并对静电卡盘上固定的晶圆在边缘区域和中心区域提供不同的温度环境，以改善硅穿孔工艺中晶圆刻蚀的均匀性。

如图1所示，为本发明一种静电卡盘的实施例。该静电卡盘包含：静电卡盘本体2、第一温度调节器5、第二温度调节器4、温控模块3。

该静电卡盘本体2平稳设置于真空处理装置内反应腔的基座上。晶圆1设置在静电卡盘本体2上，该静电卡盘本体2用于将晶圆1平稳固定在反应腔内。

如图1并结合图2所示，该静电卡盘分为中心区域6和边缘区域7，该静电卡盘的中心区域6和边缘区域7与设置在静电卡盘上晶圆的中心区域和边缘区域相对应。

第一温度调节器5设置在静电卡盘边缘区域7处的静电卡盘本体2下。第二温度调节器4设置在静电卡盘中心区域6的静电卡盘本体2下。温控模块3的输出端分别与第一温度调节器5、第二温度调节器4电路连接，分别向第一温度调节器5和第二温度调节器4输出不同的温控信号，使所述第一温度调节器5的温度高于第二温度调节器4的温度。

本发明公开一种适用于上述真空处理装置的改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，该方法包含以下步骤：

在进行硅穿孔工艺过程中，晶圆上分布的刻蚀气体或钝化气体的浓度均匀不变。

同时，在分别进行刻蚀工艺或钝化工艺过程中，对晶圆施加的射频功率也不变。

若采用博世法进行硅穿孔工艺时，静电卡盘上设置的原始温度的范围是0至30摄氏度。优选的，可采用5摄氏度、10摄氏度、20摄氏度或30摄氏度。

若采用非博世法进行硅穿孔工艺时，静电卡盘上设置的原始温度的范围是0至30摄氏度。

温控模块3分别向第一温度调节器5、第二温度调节器4输出温控信号，通过第一温度调节器5和第二温度调节器4设置静电卡盘（ESC）边缘区域7的温度高于静电卡盘中心区域6的温度。使静电卡盘上晶圆的温度分布为，边缘区域温度高，中心区域温度低。

优选的，静电卡盘上由中心区域至边缘区域，其对晶圆提供的温度均匀逐渐升高。

该静电卡盘供热分布的另一种实施例为，静电卡盘分为若干温度不同的供热区域，该些温度不同的供热区域设为由静电卡盘中心至边缘依次排布的同心圈。相邻两个供热区域之间的温度跳变设置，具有一定温度差。该些温度不同的供热区域所提供的温度由静电卡盘中心区域至边缘区域非逐渐升高。

由于晶圆进行钝化处理时形成的聚合物（polymer）在温度越高的环境下越容易分解，所以提高晶圆边缘区域温度环境，可以实现在进行硅穿孔工艺中的钝化工艺时，降低晶圆边缘区域钝化形成的聚合物厚度。同时晶圆中心区域的温度低，使得中心区域的聚合物不容易分解，从而使晶圆中心区域和边缘区域处钝化产生的聚合物厚度趋于相等，改善晶圆边缘区域与中心区域之间的聚合物钝化的均匀度。

通过本发明所公开的改善硅穿孔工艺中可是均匀性的方法，提高了在钝化处理过程中晶圆上产生的聚合物厚度的均匀性。从而在进行刻蚀工艺时，晶圆上刻蚀工艺的均匀性也实现了改善。

静电卡盘上边缘区域7与中心区域6的温度差(deltavalue)由硅穿孔工艺的工艺要求具体调整。硅穿孔工艺的工艺要求主要包含：穿孔孔径（viaCD）、穿孔深度（viadepth），工艺规范（processregime），以及采用的硅穿孔工艺；硅穿孔工艺包含博世法（BOSCH）工艺和反应气体持续供应（steady-state）的非博世法工艺。

本实施例中，静电卡盘上边缘区域与中心区域的温度差的范围为5摄氏度至20摄氏度。

当温度差大于5摄氏度，可以观察到温度差对硅穿孔工艺产生效果。

当温度差为10度以上，则温度差对硅穿孔工艺效果明显。

当温度差为20度以上，则温度差过高，对硅穿孔工艺造成不利影响。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

提供一静电卡盘，将所述静电卡盘设置为中心区域和环绕所述中心区域的边缘区域；在所述边缘区域下方设置第一温度调节器，在所述中心区域下方设置第二温度调节器；提供一温控模块，所述温控模块用于向所述第一温度调节器和所述第二温度调节器输出温度信号，在进行硅穿孔工艺过程中，设置所述温控模块输出，所述温控模块控制所述第一温度调节器的温度高于所述第二温度调节器的温度，使得所述静电卡盘边缘区域的温度高于所述静电卡盘中心区域的温度，进而使得所述静电卡盘上方支撑的晶圆边缘区域的温度高于晶圆中心区域的温度；使晶圆边缘区域的聚合物易分解，实现在进行硅穿孔工艺中的钝化工艺时，降低晶圆边缘区域钝化形成的聚合物厚度，改善晶圆边缘区域与中心区域之间的聚合物钝化的均匀度。

2.如权利要求1所述的改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特征在于，设置所述的静电卡盘上边缘区域温度高于中心区域温度后，边缘区域与中心区域之间温度差的范围为5摄氏度至20摄氏度。

3.如权利要求1所述的改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特征在于，所述的静电卡盘上由中心区域至边缘区域，其对晶圆提供的温度均匀逐渐升高或跳变升高。

4.如权利要求1所述的改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特征在于，在进行硅穿孔工艺过程中，晶圆上分布的刻蚀气体或钝化气体的浓度均匀不变。

5.如权利要求1所述的改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特征在于，在进行刻蚀工艺或钝化工艺过程中，对晶圆施加的射频功率不变。

6.如权利要求1所述的改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特征在于，在采用博世法进行硅穿孔工艺时，静电卡盘上设置的原始温度的范围是0至30度。

7.如权利要求1所述的改善硅穿孔工艺中刻蚀均匀性的方法，其特征在于，在采用非博世法进行硅穿孔工艺时，静电卡盘上设置的原始温度的范围是0至30度。