CN103745945A - 一种深硅通孔刻蚀装置及其刻蚀方法 - Google Patents

一种深硅通孔刻蚀装置及其刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

一种深硅通孔刻蚀装置，所述刻蚀装置包括：一个反应腔，所述反应腔连接到反应气体供应装置，所述反应气体供应装置供应的反应气体通过反应腔上的一个排气口排出，所述排气口上还包括一个排气阀门，一个控制装置控制所述深硅通孔刻蚀装置在多个刻蚀周期之间循环，每个刻蚀周期包括至少一个刻蚀步骤和一个沉积步骤，所述控制装置同时控制所述排气阀门的开度以控制反应腔内的气压，其特征在于所述多个刻蚀周期中排气阀门的开度随刻蚀深度的增加而增加。

Description

一种深硅通孔刻蚀装置及其刻蚀方法
技术领域
本发明涉及深硅通孔刻蚀领域，尤其涉及的是一种深硅通孔刻蚀装置中的压力控制方法。
背景技术
在半导体器件的生产过程中，对反应腔室的压力控制至关重要。特别是在多步刻蚀工艺中，由于反应腔室的压力直接影响刻蚀的效果，因此，更需要精确控制反应腔室的压力，使腔室中的多个压力稳定地进行重复交替等。
例如，在采用多步刻蚀工艺形成硅通孔（TSV）的过程中，具体可以采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀技术或电容耦合等离子体（CCP）刻蚀技术，整个刻蚀过程包括多个周期，每个周期一般可以分为：刻蚀（Etch Step，ES）和沉积（Deposition Step，DS）三个步骤，其中，CS步骤和ES步骤中反应腔室的压力可以为第一压力，DS步骤中反应腔室的压力则需要调整为第二压力，因此反应腔室的压力需要在第一压力和第二压力之间交替变换。
现有技术中多步刻蚀工艺是在压力伺服模式（pressure servo model）下，通过摆阀（pendulum）进行反应腔室的压力控制。摆阀是一种可以根据设定气压来调节开启大小的阀门装置，反应腔室至少包括一个用于输入反应气体的气体扩散口和一个用于排出反应气体的气体排出口，摆阀可以设置在反应腔室的气体排出口处。当设定一个压力值后，通过气体扩散口向反应腔室通入一定量的气体，然后摆阀可以根据反应腔室内通入气体的流量和设定压力值来旋转，平移开气体排出口，通过控制摆阀的开启大小，控制反应腔室内的压力达到设定的压力值。由于气体的流量、腔室的压力、腔室的温度等都可能随时发生变化，从而气体排出口的开口宽度也不固定，是浮动变化的。
在完成TSV刻蚀后形成的通孔中会填入导体材料以形成IC电路中的导通路径。所以深硅通孔（TSV）的侧壁形貌就变得很重要，成为TSV刻蚀工艺的关键指标。比如，当硅通孔侧壁有凹口（bowing）或者侧壁呈上窄下宽时就很难将导体材料通过沉积或者铜电镀的方法填充入刻蚀形成的通孔中。为了精确控制深硅通孔（TSV）的侧壁形貌，刻蚀工艺中的参数随着刻蚀深度渐变是常用的手段，比如气体流量，源射频功率，偏置射频功率，温度等。但是这些手段也有一定的缺陷，在部分对气压变化比较敏感的加工流程中这些手段无论如何调效果也不是很明显。同时在调试过程中最佳的气压的获得也需要在锁定其它参数的情况下逐个尝试，然后比较不同气压下处理的效果获得最优化的气压参数。在尝试过程中每一个气压值都需要人员手动设定入控制系统，不仅费时费力，而且并不一定能找到最佳的气压值。
相对于现有的几个参数改变方法，实现气压在整个刻蚀过程中逐渐改变是最困难的，因为在Bosch刻蚀方法中刻蚀步骤和沉积步骤是快速切换的，这些刻蚀和沉积步骤最短只有0.5秒左右，现有的硬件反应速度和精度很难跟上如此快速而且要求精确的气压变化。因此，如何提高腔室压力的稳定性和准确性以形成最佳的刻蚀形貌就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种深硅通孔刻蚀方法，以得到更好的刻蚀通孔形貌。
为解决上述问题，本发明提供了一种深硅通孔刻蚀装置，一种深硅通孔刻蚀装置，所述刻蚀装置包括：一个反应腔，所述反应腔连接到反应气体供应装置，所述反应气体供应装置供应的反应气体通过反应腔上的一个排气口排出，所述排气口上还包括一个排气阀门，一个基片安装台，待处理基片放置在基片安装台上，一个控制装置控制所述深硅通孔刻蚀装置在多个刻蚀周期之间循环，每个刻蚀周期中向下刻蚀所述基片以增加通孔的深度，每个刻蚀周期包括至少一个刻蚀步骤和一个沉积步骤，所述控制装置同时控制所述排气阀门的开度以控制反应腔内的气压，其特征在于所述多个刻蚀周期中排气阀门的开度随基片上通孔的深度的增加而增加。其中排气阀门开度在刻蚀步骤和沉积步骤中同步增加。较佳的，刻蚀步骤中排气阀开度增加幅度大于在沉积步骤中的增加幅度。其中多个刻蚀周期构成一个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段内具有稳定的阀门开度，多个刻蚀阶段完成对深硅通孔的刻蚀。
本发明还提供了一种深硅通孔刻蚀方法，所述刻蚀方法包括：提供一个反应腔；放置待处理硅基片放置到反应腔内的基片安装台上；在待处理基片上形成带有刻蚀图形的开口；执行循环的多个刻蚀周期，每个刻蚀周期包括至少一个刻蚀步骤和一个沉积步骤，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体，在沉积步骤中通入沉积气体，每个刻蚀周期都从所述开口向下刻蚀所述硅基片，直到形成目标深度的通孔；其特征在于刻蚀孔达到不同深度时所述刻蚀气体在反应腔内具有不同气压，其中刻蚀到达目标深度时的气压小于在刻蚀基片开口部分时的气压。
其中刻蚀步骤和沉积步骤中气压同步减少，最优的刻蚀步骤中气压减少幅度大于沉积步骤中气压减少幅度。
其中从开口向下刻蚀到目标深度的刻蚀过程包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段包括多个交替的刻蚀步骤和沉积步骤，且所述刻蚀步骤和沉积步骤具有稳定的气压，多个刻蚀阶段完成对深硅通孔的刻蚀。
本发明刻蚀方法，在硅基片上的目标深度的刻蚀孔的深宽比大于20:1。
本发明所述刻蚀周期还可以包括辅助处理步骤，所述辅助处理步骤中通入辅助处理气体，辅助处理气体具有不同于所述刻蚀气体和沉积气体的气体成分，且每个辅助处理步骤的气压随着通孔刻蚀深度的增加减小。
附图说明
图1是本发明腔室的结构示意图；
图2是本发明实施例一中腔室压力与排气阀门开度关系示意图；
图3是本发明实施例二中腔室压力与排气阀门开度关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有技术在控制腔室压力时，腔室的气体排出口的阀门开度不断浮动变化，在尚未调试到目标气压时就已经要切换到下一个目标气压了，从而使得腔室的压力稳定性很差，且腔室的实际压力与目标压力的差值很大，影响了反应腔室内进行的工艺质量。
针对上述问题，发明人提出在控制腔室压力时，保持腔室的气体排出口的开口宽度不变。具体地，本发明应用于图1所述的等离子刻蚀反应器在设置目标压力后，先在前期几个刻蚀-沉积周期中通过逐渐改变排气阀门开度获取与所述目标压力相对应的目标排气阀门开口宽度，然后保持气体排出口开口宽度在目标开口宽度不变，使腔室的压力为目标压力，从而保证了腔室压力的稳定性和准确性。在深孔硅刻蚀（TSV）过程中，为了调控深孔硅刻蚀孔的侧壁形貌，需要进一步优化调节在整个刻蚀过程中的气压变化。
下面结合附图进行详细说明。
实施例一
参考图1所示，本实施例中供气装置200通过进气阀110向腔室100中提供反应气体，在气体排出口处设置一个排气摆阀150，反应后的气体可以通过排气摆阀150排入排气系统300中。具体地，腔室100的顶部为绝缘窗口140，绝缘窗口140上设置有多个用于产生射频信号的线圈120，线圈120与射频电源130相连。腔室100内包括基座（即下电极）22，基座22与射频电源160相连，基座22上设置有静电夹盘21，静电夹盘21的边缘为边缘环10，待处理的晶圆20被夹持在静电夹盘21上。
本实施例中还可以在腔室100中设置一个压力传感器（图中未示出），从而可以实时获取腔室100的实际压力。
此外，本实施例中还可以设置一个控制器（图中未示出），进气阀110、摆阀150和压力传感器130均与控制器相连，从而控制器可以控制进气阀110与气体排出口的开口宽度，并可以获取腔室100的实时压力。当腔室100的压力处于压力伺服模式下时，可以由排气摆阀根据内置程序运行来逐渐修正气体排出口的开口宽度。当腔室100的压力处于固定开口模式（fixed VATmodel）下时，气体排出口的开口宽度由控制器控制。
需要说明的是，图1所示装置仅为举例，其不限制本发明的保护范围。
参考图2所示，腔室压力与排气阀门开度关系示意图，如图所示其中阀门开度曲线41在刻蚀第一阶段中，也就是刻蚀硅通孔的开口部分时，无论是刻蚀步骤还是沉积步骤的均处于较高值达到105，此时反应腔内气压曲线42的刻蚀和沉积的气压也保持在约110mtorr，经过约200秒时间后进入第二阶段，此时刻蚀步骤和沉积步骤的阀门开口调整为102，反应腔内的气压也同步升至115mtorr；后续第三-第五阶段阀门开口分别调整至99/96/93，相应的气压也分别为120/125/130mtorr。采用本发明分段调整阀门开度后气压会随着刻蚀深度的增加分段的增加。
参考图3所示为本发明第二实施例的腔室压力和排气发明开度示意图，其中43为发明开度曲线，44为腔室压力变化曲线。如图所示，阀门开度在第一个刻蚀-沉积周期中为90/98，对应的刻蚀和沉积步骤气压120mT/57mT随着刻蚀深度的增加，阀门开度逐渐的缓慢的变为116/98，对应的气压也变为80mT/57mT。
在深孔硅的刻蚀中，随着气压的变化反应速率和效果都会随之变化，比如，气压高时刻蚀气体与待刻蚀的硅材料的反应速度会加快，由于采用Bosch方法的刻蚀步骤是等向性刻蚀，所以横向的开口尺寸也会较大。采用本发明方法在整个刻蚀过程的开始阶段采用较高气压，在刻蚀后段采用较低气压能够获得上大下小的理想刻蚀孔形貌。
在深孔硅刻蚀中由于刻蚀深度非常大，通常要大于100um，在刻蚀到后半段比如大于60um,，其开口通常只有1-3um，所以刻蚀孔的深宽比（aspectratio）普遍大于20:1，在如此高的深宽比下反应形成的副产物气体很难从深孔中向上扩散，从开口处排出，所以严重影响了后段刻蚀速率。而且由于刻蚀时间较长，很多早期入射的离子会吸附在刻蚀形成的通孔的侧壁，这些带电离子形成的电场会影响后续入射离子的飞行轨迹，最终会造成刻蚀的通孔不是垂直向下，而是会出现倾斜或者呈螺旋形。采用本发明方法后随着刻蚀深度的增加气压逐渐降低，更低的气压有利于深孔中一些反应副产物的排出，也就有利于进一步向下刻蚀。同时低压也对消除通孔侧壁的积累的电荷有利。
除了实施一和实施例二所示的同步调整刻蚀和沉积步骤中的阀门开度，或者逐渐调整刻蚀步骤中的阀门开度，保持沉积步骤中的气压不变，也可以是刻蚀和沉积步骤中同时调节阀门开度，其中刻蚀步骤中阀门开度变化幅度大，沉积步骤中阀门开度变化小，比如刻蚀/沉积步骤中的气压逐渐从90/98,94/100,98/102…转变为114/110。刻蚀步骤中刻蚀气体对没有聚合物保护的硅材料进行刻蚀形成新的刻蚀区域，所以更多刻蚀气体分子能够到达反应区域断面，能够提高刻蚀气体的利用率，提高刻蚀速率，刻蚀孔的孔洞一旦形成就会在后续的沉积步骤中被聚合物覆盖，无法再对其进行修正了。沉积气体的气压对沉积效果影响不大，因为在一个刻蚀周期中只要刻蚀孔侧壁的聚合物没有被破坏，在下一个刻蚀周期的沉积步骤中会有新的聚合物覆盖，所以对刻蚀孔整体形貌的影响不大。逐渐减小沉积步骤的气压对沉积气体到达刻蚀孔底部也有一定的帮助，有利于提高气体利用率，所以可以在整个刻蚀过程中同步增大刻蚀和沉积步骤对应的阀门开度，只是刻蚀步骤对应的阀门开度增加幅度更大。
本发明所述Bosch方法包括重复进行的刻蚀-沉积周期，每个刻蚀步骤中向反应腔室中通入刻蚀气体，刻蚀气体中主要气体的流量为：SF6流量为500-2000SCCM，O2流量为50-300SCCM，还可以包括辅助气体SiF4流量为200-600SCCM；在沉积步骤中通入的沉积气体主要是氟碳化合物如C4F8或氟碳氢气体如CHF3、CH2F2、CH3F等。
本发明除了如实施例1和2那样，多个交替循环的刻蚀周期都包括一个刻蚀步骤和一个沉积步骤，刻蚀周期内还可以包括清洁步骤或者其它辅助处理步骤，或者中间刻蚀步骤等。其中清洁步骤是指在沉积步骤后通入含氧气体对多余的聚合物进行处理，但有不会将侧壁的大部分聚合物沉积层清除掉，中间刻蚀步骤是指完成主要刻蚀步骤后再通入少量刻蚀气体以进行慢速刻蚀，然后再切换到沉积步骤，这样有利于减少刻蚀气体和沉积气体的混合。在这些辅助步骤中也可以同步的减少气压来获得更优化的刻蚀效果，比如在多个刻蚀周期中的清洁步骤，由于清洁步骤既要清除多余的聚合物又不能过多破坏开口部分的聚合物保护层，所以刻蚀的量需要精确控制，但是利用传统控制手段如：控制气体流量或改变施加到反应腔内的功率并不能解决刻蚀孔深处大量反应副产物无法排出的问题，利用本发明方法随着深度增加逐渐减少气压可以有效改善清洁步骤中的处理效果。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种深硅通孔刻蚀装置，所述刻蚀装置包括：
一个反应腔，所述反应腔连接到反应气体供应装置，所述反应气体供应装置供应的反应气体通过反应腔上的一个排气口排出，所述排气口上还包括一个排气阀门，一个基片安装台，待处理基片放置在基片安装台上，
一个控制装置控制所述深硅通孔刻蚀装置在多个刻蚀周期之间循环，每个刻蚀周期中向下刻蚀所述基片以增加通孔的深度，每个刻蚀周期包括至少一个刻蚀步骤和一个沉积步骤，所述控制装置同时控制所述排气阀门的开度以控制反应腔内的气压，其特征在于所述多个刻蚀周期中排气阀门的开度随基片上通孔的深度的增加而增加。
2.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述排气阀门开度在刻蚀步骤和沉积步骤中同步增加。
3.如权利要求2所述的腔室的刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀步骤中排气阀开度增加幅度大于在沉积步骤中的增加幅度。
4.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述多个刻蚀周期构成一个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段内具有稳定的阀门开度，多个刻蚀阶段完成对深硅通孔的刻蚀。
5.一种深硅通孔刻蚀方法，所述刻蚀方法包括：
提供一个反应腔；
放置待处理硅基片放置到反应腔内的基片安装台上；
在待处理基片上形成带有刻蚀图形的开口；
执行循环的多个刻蚀周期，每个刻蚀周期包括至少一个刻蚀步骤和一个沉积步骤，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体，在沉积步骤中通入沉积气体，每个刻蚀周期都从所述开口向下刻蚀所述硅基片，直到形成目标深度的通孔；
其特征在于刻蚀孔达到不同深度时所述刻蚀气体在反应腔内具有不同气压，其中刻蚀到达目标深度时的气压小于在刻蚀基片开口部分时的气压。
6.如权利要求5所述的刻蚀方法，其特征在于刻蚀步骤和沉积步骤中气压同步减少。
7.如权利要求6所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀步骤中气压减少幅度大于沉积步骤中气压减少幅度。
8.如权利要求5所述的刻蚀方法，其特征在于，所述从通孔开口向下刻蚀到目标深度的刻蚀过程包括多个刻蚀阶段，每个刻蚀阶段包括多个刻蚀周期，且所述同样刻蚀阶段内的刻蚀周期中的刻蚀步骤和沉积步骤具有稳定的气压，多个刻蚀阶段完成对通孔的刻蚀。
9.如权利要求5所述的刻蚀方法，其特征在于，所述目标深度的刻蚀通孔的深宽比大于20:1。
10.如权利要求5所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀周期还包括一辅助处理步骤，所述辅助处理步骤中通入辅助处理气体，辅助处理气体具有不同于所述刻蚀气体和沉积气体的气体成分，且每个辅助处理步骤的气压随着通孔刻蚀深度的增加减小。
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