CN103887164B - 一种深硅刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深硅刻蚀方法，该方法包括：沉积步骤，生成保护层以对刻蚀侧壁进行保护；刻蚀步骤，对刻蚀底部和刻蚀侧壁进行刻蚀；重复所述沉积步骤和刻蚀步骤至整个深硅刻蚀过程结束；其中，还包括底部平滑步骤，所述底部平滑步骤为：利用含氟气体执行等离子体处理，以去除刻蚀底部由于沉积产生的聚合物；并且，所述底部平滑步骤采用的工艺压力小于所述刻蚀步骤采用的工艺压力，在整个深硅刻蚀过程中执行所述底部平滑步骤至少一次。通过上述深硅刻蚀方法，在深硅刻蚀过程中抑制了刻蚀底部聚合物的逐渐增加，抑制微掩膜或者硅草的产生，从而提高深硅刻蚀的刻蚀速率以及选择比，并改善刻蚀底部的粗糙度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种深硅刻蚀方法。
背景技术
随着MEMS（微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems）器件和MEMS系统被越来越广泛的应用于汽车和消费电子领域，以及TSV通孔刻蚀（Through Silicon Etch）技术在未来封装领域的广阔前景，干法等离子体深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS加工领域及TSV技术中的主流工艺之一。
深硅刻蚀工艺相对于一般的硅刻蚀工艺的主要区别在于：深硅刻蚀工艺的刻蚀深度远大于一般的硅刻蚀工艺，深硅刻蚀工艺的刻蚀深度一般为几十微米甚至上百微米，而一般硅刻蚀工艺的刻蚀深度则小于1微米。为了刻蚀厚度为几十微米的硅材料，要求深硅刻蚀工艺具有更快的刻蚀速率、更高的选择比及更大的深宽比。
目前典型的深硅刻蚀工艺为Bosch工艺。在Bosch工艺中，整个刻蚀过程为刻蚀步骤与沉积步骤的交替循环。图1示出了Bosch工艺的流程图，如图1所示，Bosch工艺包括：步骤S1、沉积步骤；步骤S2、刻蚀步骤；步骤S3、重复执行步骤S1和S2直到刻蚀达到预定的深度；步骤S4、结束刻蚀。其中刻蚀步骤的工艺气体通常为SF6（六氟化硫），尽管该气体在刻蚀硅基底方面具有很高的刻蚀速率，但由于其各向同性刻蚀的特点，很难控制侧壁形貌。为了减少对侧壁的刻蚀，该工艺加入了沉积步骤，沉积步骤的工艺气体通常为C4F8（四氟化碳），沉积步骤在侧壁沉积一层聚合物保护层来保护侧壁不被刻蚀，从而得到只在垂直面上的刻蚀。
等离子体深硅刻蚀过程中，会产生F（氟）自由基和SFx等离子，其中对硅的刻蚀主要是通过F自由基和硅反应生成SiF4的过程进行，属于化学刻蚀；同时SFx等离子对硅有物理轰击作用，也通过物理刻蚀的方式对硅进行刻蚀，只是与F自由基的化学刻蚀相比，物理刻蚀对硅刻蚀的贡献较小。
在刻蚀步骤中，为了获得更快的硅刻蚀速率，通常采用较高的工艺压力（通常在50～500mT之间）。这是因为对于硅的刻蚀，主要是以F自由基的化学刻蚀为主，在较高的工艺压力下可以获得更高密度的F自由基，更多的F自由基导致更高的硅刻蚀速率。然而，对于沉积步骤中产生的聚合物的刻蚀，主要是以离子的轰击作用为主，在较高的工艺压力下各种粒子的碰撞增加，离子所具有的能量显著变低，从而会导致聚合物的刻蚀速率显著降低。由于聚合物的刻蚀速率的降低，沉积过程中的产生聚合物难以完全刻蚀去除，并在刻蚀过程中逐渐地增加，经过多次沉积步骤和刻蚀步骤循环后，会形成类似“微掩膜”（micro-mask）的形态，严重时甚至会形成硅草，图2示出了深硅刻蚀中产生的硅草的电镜图。微掩膜或者硅草的产生会导致刻蚀底部的粗糙度变差，并且降低了深硅刻蚀的质量。
为了避免微掩膜或者硅草的产生，在现有技术中，通常在较低的工艺压力下进行刻蚀步骤，但是由于采用较低的工艺压力，会导致硅刻蚀速率的降低，从而降低刻蚀的选择比。
发明内容
本发明提供一种深硅刻蚀方法，从而在深硅刻蚀过程中抑制刻蚀底部聚合物的逐渐增加，以抑制微掩膜或者硅草的产生，从而提高深硅刻蚀的刻蚀速率以及选择比，并改善刻蚀底部的粗糙度。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种深硅刻蚀方法，该方法包括：
沉积步骤，生成保护层以对刻蚀侧壁进行保护；
刻蚀步骤，对刻蚀底部和刻蚀侧壁进行刻蚀；
重复所述沉积步骤和刻蚀步骤至整个深硅刻蚀过程结束；
其中，还包括底部平滑步骤，所述底部平滑步骤为：利用含氟气体执行等离子体处理，以去除刻蚀底部由于沉积产生的聚合物；并且，所述底部平滑步骤采用的工艺压力小于所述刻蚀步骤采用的工艺压力，
在整个深硅刻蚀过程中执行所述底部平滑步骤至少一次。
优选地，在每执行N次沉积步骤和刻蚀步骤之后，执行一次所述底部平滑步骤，N为正整数。
优选地，在所述刻蚀步骤之后执行所述底部平滑步骤。
优选地，所述刻蚀步骤中采用的工艺压力为40～500mT。
优选地，所述工艺压力为50～300mT。
优选地，所述底部平滑步骤中采用的工艺压力为2～50mT。
优选地，所述底部平滑步骤中采用的上射频电源功率为50～1000W、下射频电源功率为0～50W，所述含氟气体的流量为5～500sccm。
优选地，所述底部平滑步骤中采用的含氟气体为CF4、SF6、NF3、或CHF3中的一种。
优选地，所述底部平滑步骤的工艺时间为0.5～10S。
本发明的有益效果包括：
其一、在深硅刻蚀过程中抑制刻蚀底部聚合物的逐渐增加：由于在底部平滑步骤中采用较小的工艺压力，因此等离子的能量增加，通过等离子的能量增加能够提高对沉积产生的聚合物的刻蚀速率，从而加强了对聚合物的刻蚀作用，并抑制了刻蚀底部聚合物的逐渐增加；
其二、在深硅刻蚀过程中改善了刻蚀底部的粗糙度：刻蚀过程中残留的聚合物也造成刻蚀底部不平滑，以及刻蚀底部的硅的非均匀刻蚀，并且刻蚀底部的粗糙程度一旦增大，即使通过延长刻蚀步骤的工艺时间将沉积形成的聚合物刻蚀干净，未均匀刻蚀的硅表面依然具有较大的粗糙度，继续刻蚀也依然不能使得刻蚀底部的硅表面变得平滑，通过底部平滑步骤的引入，能够及时去除刻蚀底部残留的聚合物，有效地改善了较高的工艺压力下由于过快刻蚀速率导致的底部不平整现象，保持刻蚀底部的平滑程度，抑制刻蚀底部的粗糙程度的增加，从而在较低的工艺压力下改善了刻蚀底部的粗糙度；
其三、抑制微掩膜甚至硅草的形成：由于底部平滑步骤的引入能够抑制了刻蚀底部聚合物的逐渐增加并且改善刻蚀底部的粗糙度，从而也就抑制了由于刻蚀底部聚合物的逐渐增加所导致的微掩膜甚至硅草的形成；
其四、提高刻蚀速率和刻蚀选择比：在现有技术中为了避免微掩膜甚至硅草的形成，需要在较低的工艺压力下进行深硅刻蚀，由此导致了刻蚀速率和刻蚀选择比的下降，本发明中，由于底部平滑步骤能够有效抑制微掩膜甚至硅草的形成，因此在刻蚀步骤中可以采用较高的工艺压力，并通过采用较高的工艺压力提高了刻蚀速率和刻蚀选择比。
附图说明
图1为现有技术中Bosch工艺的流程图；
图2为现有技术的深硅刻蚀中产生的硅草的电镜图；
图3为本发明实施例提供的深硅刻蚀方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的深硅刻蚀的效果图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例提供的深硅刻蚀方法进行详细描述。
本发明实施例提供了一种深硅刻蚀方法，该方法包括：沉积步骤，生成保护层以对刻蚀侧壁进行保护；刻蚀步骤，对刻蚀底部和刻蚀侧壁进行刻蚀；重复所述沉积步骤和刻蚀步骤至整个深硅刻蚀过程结束。在该深硅刻蚀方法中，还包括底部平滑步骤，该底部平滑步骤为：利用含氟气体执行等离子体处理，以去除刻蚀底部由于沉积产生的聚合物；并且，所述底部平滑步骤采用的工艺压力小于所述刻蚀步骤采用的工艺压力，在整个深硅刻蚀过程中执行所述底部平滑步骤至少一次。
在上述交替循环执行的沉积步骤和刻蚀步骤中，可以在每次执行沉积步骤和刻蚀步骤之后，执行一次上述底部平滑步骤；也可以以一定间隔执行上述底部平滑步骤，例如，在每执行N次沉积步骤和刻蚀步骤之后，执行一次所述底部平滑步骤，N为正整数；另外，根据整个工艺过程的底部粗糙度程度的不同或者刻蚀底部残留的聚合物多少的不同，也可以以非固定的间隔执行上述底部平滑步骤。
其中，可以根据实际刻蚀需要，例如根据刻蚀底部残留的聚合物的多少，对N的大小进行设置，例如，设置N为2，在每执行两次沉积步骤和刻蚀步骤之后执行一次上述底部平滑步骤。例如，设置N为3，则沉积步骤和刻蚀步骤执行三次，底部平滑步骤执行一次。
本发明实施例中，对于用于减小底部粗糙度的底部平滑步骤，优选地在所述刻蚀步骤之后执行所述底部平滑步骤。
下面结合一个具体的示例对本发明实施例提供的深硅刻蚀方法进行说明。请参阅图3，其示出了本发明实施例提供的一种深硅刻蚀方法的流程图，该深硅刻蚀方法包括：
步骤S101、沉积步骤。所述沉积步骤为：生成保护层以对刻蚀侧壁进行保护。
步骤S102、刻蚀步骤。所述刻蚀步骤为：对刻蚀底部和刻蚀侧壁进行刻蚀。
步骤S103、底部平滑步骤。所述底部平滑步骤为：利用含氟气体执行等离子体处理，以去除刻蚀底部由于沉积产生的聚合物；并且，所述底部平滑步骤采用的工艺压力小于所述刻蚀步骤采用的工艺压力。
步骤S104、重复上述沉积步骤、刻蚀步骤和底部平滑步骤至整个深硅刻蚀过程结束。
步骤S105、结束刻蚀。
本发明实施例中，由于底部平滑步骤的引入，及时去除了残留的聚合物，避免了现有技术中较高的工艺压力导致的刻蚀底部的不平滑以及由于残留的聚合物所形成的微掩膜或硅草，因此，可以在刻蚀步骤中采用较高的工艺压力，刻蚀步骤中采用的工艺压力为40～500mT，优选地，采用的工艺压力为50～300mT。通过采用较高的工艺压力，在抑制微掩膜或硅草形成的同时，可以提高刻蚀速率以及刻蚀选择比。
对于本发明实施例提供的底部平滑步骤，所采用的工艺压力为2～50mT。在底部平滑步骤中采用较低的工艺压力下，可以通过含氟气体去除由于刻蚀速率导致的底部不平整现象，因此在较低的工艺压力下可以获得更好的均匀性，同时在较低压力下，等离子的能量更高，对于聚合物的刻蚀作用较强，能够有效抑制聚合物残留导致的微掩膜或硅草的形成。
本发明实施例提供的底部平滑步骤中，所采用的上射频电源功率为50～1000W、下射频电源功率为0～50W，所述含氟气体的流量为5～500sccm。
另外，底部平滑步骤中采用的含氟气体可以是CF4、SF6、NF3、或CHF3中的一种，也可以是其它的含氟气体。含氟气体能够有效的和C（碳）发生反应，因此在底部平滑步骤采用含氟气体能够有效的去除残留的聚合物，并改善刻蚀底部的平滑度。
底部平滑步骤的工艺时间为0.5～10S。一般来说，刻蚀步骤和沉积步骤的工艺时间均为0.5～20S，可以根据刻蚀步骤的工艺时间的长短来调整底部平滑步骤的工艺时间。底部平滑步骤的工艺时间过短会影响底部平滑的效果，工艺时间过长会影响整个深硅刻蚀过程生产效率。
请参阅图4，其示出了本发明实施例提供的深硅刻蚀的效果图，如图4所示，通过本发明实施例提供的深硅刻蚀方法进行深硅刻蚀，其刻蚀底部是平滑的，没有硅草现象的出现。
通过本发明提供的深硅刻蚀方法，其一、在深硅刻蚀过程中抑制刻蚀底部聚合物的逐渐增加：由于在底部平滑步骤中采用较小的工艺压力，因此等离子的能量增加，通过等离子的能量增加能够提高对沉积产生的聚合物的刻蚀速率，从而加强了对聚合物的刻蚀作用，并抑制了刻蚀底部聚合物的逐渐增加；其二、在深硅刻蚀过程中改善了刻蚀底部的粗糙度：刻蚀过程中残留的聚合物也造成刻蚀底部不平滑，以及刻蚀底部的硅的非均匀刻蚀，并且刻蚀底部的粗糙程度一旦增大，即使通过延长刻蚀步骤的工艺时间将沉积形成的聚合物刻蚀干净，未均匀刻蚀的硅表面依然具有较大的粗糙度，继续刻蚀也依然不能使得刻蚀底部的硅表面变得平滑，通过底部平滑步骤的引入，能够及时去除刻蚀底部残留的聚合物，有效地改善了较高的工艺压力下由于过快刻蚀速率导致的底部不平整现象，保持刻蚀底部的平滑程度，抑制刻蚀底部的粗糙程度的增加，从而在较低的工艺压力下改善了刻蚀底部的粗糙度；其三、抑制微掩膜甚至硅草的形成：由于底部平滑步骤的引入能够抑制了刻蚀底部聚合物的逐渐增加并且改善刻蚀底部的粗糙度，从而也就抑制了由于刻蚀底部聚合物的逐渐增加所导致的微掩膜甚至硅草的形成；其四、提高刻蚀速率和刻蚀选择比：在现有技术中为了避免微掩膜甚至硅草的形成，需要在较低的工艺压力下进行深硅刻蚀，由此导致了刻蚀速率和刻蚀选择比的下降，本发明中，由于底部平滑步骤能够有效抑制微掩膜甚至硅草的形成，因此在刻蚀步骤中可以采用较高的工艺压力，并通过采用较高的工艺压力提高了刻蚀速率和刻蚀选择比。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种深硅刻蚀方法，其特征在于，该方法包括：
沉积步骤，生成保护层以对刻蚀侧壁进行保护；
刻蚀步骤，对刻蚀底部和刻蚀侧壁进行刻蚀；
重复所述沉积步骤和刻蚀步骤至整个深硅刻蚀过程结束；
其中，还包括底部平滑步骤，所述底部平滑步骤为：利用含氟气体执行等离子体处理，以去除刻蚀底部由于沉积产生的聚合物；并且，所述底部平滑步骤采用的工艺压力小于所述刻蚀步骤采用的工艺压力，
在整个深硅刻蚀过程中执行所述底部平滑步骤至少一次，且整个深硅刻蚀过程最后一步为所述底部平滑步骤，以保持刻蚀底部的平滑程度。
2.如权利要求1所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，在每执行N次沉积步骤和刻蚀步骤之后，执行一次所述底部平滑步骤，N为正整数。
3.如权利要求2所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，在所述刻蚀步骤之后执行所述底部平滑步骤。
4.如权利要求1所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀步骤中采用的工艺压力为40～500mT。
5.如权利要求4所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述工艺压力为50～300mT。
6.如权利要求1所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述底部平滑步骤中采用的工艺压力为2～50mT。
7.如权利要求1所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述底部平滑步骤中采用的上射频电源功率为50～1000W、下射频电源功率为0～50W，所述含氟气体的流量为5～500sccm。
8.如权利要求1所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述底部平滑步骤中采用的含氟气体为CF4、SF6、NF3、或CHF3中的一种。
9.如权利要求1所述的深硅刻蚀方法，其特征在于，所述底部平滑步骤的工艺时间为0.5～10S。
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