CN104952788B

CN104952788B - 一种斜孔刻蚀方法

Info

Publication number: CN104952788B
Application number: CN201410119631.5A
Authority: CN
Inventors: 周娜; 蒋中伟
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN104952788A

Abstract

本发明涉及一种斜孔刻蚀方法，其包括下述步骤：S1，采用可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率，刻蚀硅片至第一预设深度，用以降低在斜孔侧壁的顶部形成的碗状形貌的厚度；S2，采用第二偏压功率，继续刻蚀硅片至第二预设深度，且第二偏压功率大于第一偏压功率，用以提高刻蚀速率。上述斜孔刻蚀方法可以在较短的时间内刻蚀出顶部碗状形貌较小的斜孔，从而提高了斜孔刻蚀的效率，并改善了斜孔侧壁的形貌。

Description

一种斜孔刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种斜孔刻蚀方法。

背景技术

硅通孔（Through Silicon Via，以下简称为TSV）技术是一种芯片互连技术，其用于实现芯片与芯片之间、晶圆和晶圆之间以及芯片与晶圆之间的线路导通。TSV技术能够使芯片体积在三维方向得到延伸，从而可以减小封装产品的外形尺寸，增大封装产品的结构密度，进而可以在实现更多的功能、更优越的性能的同时，保持更低的成本。

TSV封装工艺一般包括下述工序：①晶圆减薄，②粘结技术，③通孔制作，④电隔离层覆盖，⑤阻挡层清除，⑥金属化。其中，通孔的制作是非常关键的一个工序，制作获得的通孔的侧壁形状一般垂直于通孔的底部或相对于通孔的底部倾斜，分别如图1和图2所示；而根据通孔侧壁形状的不同，可以将TSV封装工艺分为垂直式TSV工艺和倾角式TSV工艺。

具体地，在垂直式TSV工艺中，一般通过博世（Bosch）工艺制作侧壁垂直于底部的通孔，即：在刻蚀过程中快速循环地交替进行刻蚀作业和沉积作业，将硅片1刻蚀至所需的深度，从而获得侧壁与底部垂直的通孔2，如图1所示。

在倾角式TSV工艺中，一般采用常规的刻蚀方法制作侧壁相对于底部倾斜的通孔，即：采用单步工艺的方式一次性完成预设的刻蚀深度，具体地，在刻蚀过程中，同时向反应腔室内通入刻蚀气体和沉积气体，以使刻蚀作业和沉积作业同时进行，并且，通过工艺程序控制刻蚀气体和沉积气体的比例，实现对刻蚀速率与沉积速率之比的控制，从而获得有利于后续沉积工艺的倾角式通孔3，如图2所示。典型的工艺参数可以为：腔室压力为100mT，激励功率为2000W，偏压功率为20W，腔室温度为5℃，刻蚀气体为SF₆，其流量为700sccm，沉积气体为C₄F₈，其流量为100sccm，辅助气体为O₂，其流量为50sccm，在此情况下，可以获得如图3所示的通孔。

但是，在实际应用中，由于刻蚀速率和沉积速率之比不易控制，容易导致通孔顶部区域的刻蚀速率大于沉积速率，进而导致通孔顶部形成碗状（Bowing）形貌；同时，在通孔顶部的开口尺寸较小时，由于掩膜阻挡，通孔顶部会形成流场静止区，这样会降低通孔顶部区域的沉积速率，进一步增大通孔顶部区域的Bowing形貌，如图3所示，还会使通孔侧壁上的粗糙度随之增加。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种斜孔刻蚀方法，其可以在较短的时间内在硅片上刻蚀出碗状形貌的厚度较小的斜孔。

为实现本发明的目的而提供一种斜孔刻蚀方法，包括下述步骤：S1，采用可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率，刻蚀硅片至第一预设深度，用以降低在斜孔侧壁的顶部形成的碗状形貌的厚度；S2，采用第二偏压功率，继续刻蚀硅片至第二预设深度，且所述第二偏压功率大于所述第一偏压功率，用以提高刻蚀速率。

其中，所述第二预设深度大于预设的所述斜孔的目标深度；并且在所述步骤S2之后，还包括步骤S3，自所述硅片的上表面对所述硅片的厚度进行整体减薄，以使所述斜孔的深度达到所述斜孔的目标深度。

其中，对所述硅片减薄的厚度大于或等于斜孔刻蚀过程中形成的碗状形貌的厚度。

其中，步骤S1中，所述第一偏压功率的取值范围为0～10W。

其中，步骤S2中，所述第二偏压功率的取值范围为10～30W。

其中，在步骤S3中，采用物理减薄对所述硅片的厚度进行整体减薄。

其中，在步骤S3中，采用等离子体干法刻蚀工艺减薄的方式对所述硅片的厚度进行整体减薄。

其中，所述等离子体干法刻蚀工艺的工艺参数包括：腔室压力为70mT；激励功率为2500W；偏压功率为50W；工艺气体包括刻蚀气体和辅助气体，其中，所述刻蚀气体的流量为1000sccm；所述辅助气体的流量为50sccm。

其中，所述刻蚀气体为SF₆，所述辅助气体为O₂。

其中，在步骤S1中，刻蚀工艺的参数包括：腔室压力为60mT；激励功率为2000W，第一偏压功率为0W；工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体，其中，刻蚀气体为SF₆，且SF₆的流量为70sccm；沉积气体为C₄F₈，且C₄F₈的流量为10sccm；辅助气体为O₂，且O₂的流量为60sccm；刻蚀时间为200s；在步骤S2中，刻蚀工艺的参数包括：腔室压力为60mT；激励功率为2000W，第二偏压功率为15W；工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体，其中，刻蚀气体为SF₆，且SF₆的流量为70sccm；沉积气体为C₄F₈，且C₄F₈的流量为10sccm；辅助气体为O₂，且O₂的流量为60sccm；刻蚀时间为400s。

其中，在步骤S1及S2中，向工艺腔室内通入刻蚀工艺所需的工艺气体，所述工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体；且在刻蚀过程中，通过调节腔室压力，以及调节刻蚀气体、沉积气体和辅助气体之间的比例，控制所述斜孔侧壁的倾斜角度。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的斜孔刻蚀方法，其将刻蚀过程分为两个步骤完成，其中，步骤S1通过在刻蚀硅片至第一预设深度的过程中，采用可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率，可以增强对侧壁的保护作用，从而可以减小由等离子体中的自由基的各向同性刻蚀而在斜孔侧壁的顶部形成的碗状形貌的厚度。而后，步骤S2继续刻蚀硅片至第二预设深度，并在此过程中通过采用大于第一偏压功率的第二偏压功率，可以提高刻蚀速率，尤其是在垂直方向上的刻蚀速率，从而可以快速获得所需的刻蚀深度，进而可以缩短刻蚀时间，提高工艺效率。由上可知，本发明提供的斜孔刻蚀方法借助上述步骤S1和步骤S2，可以在较短的时间内刻蚀出顶部碗状形貌较小的斜孔，从而在一定程度上改善了斜孔侧壁的形貌。

附图说明

图1为垂直式通孔的示意图；

图2为倾角式通孔的示意图；

图3为根据常规刻蚀方式制作的倾角式通孔的电镜扫描图；

图4为本发明第一实施例提供的斜孔刻蚀方法的流程框图；

图5为图4所示实施例中步骤S1完成后的示意图；

图6为图4所示实施例中步骤S2完成后的示意图；

图7为本发明第二实施例提供的斜孔刻蚀方法的流程框图；

图8为图6所示实施例中步骤S10和S20完成后的示意图；

图9为图6所示实施例中步骤S30完成后的示意图；以及

图10为采用本发明第二实施例提供的斜孔刻蚀方法刻蚀获得的斜孔的电镜扫描图。

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，下面结合附图来对本发明提供的斜孔刻蚀方法进行详细描述。

本发明第一实施例提供的斜孔刻蚀方法，其用于在硅片上刻蚀出倾斜角度小于90°（该倾斜角度优选在70°～85°的范围内）的斜孔。需要说明的是，上述倾斜角度是侧壁与底面之间的夹角的补角，即，倾斜角度等于180°减去侧壁与底面之间的夹角。容易理解，侧壁与底面之间的夹角为钝角。

在刻蚀斜孔之前，首先在硅片表面上涂覆光刻胶，而后通过光刻曝光在硅片上形成具有刻蚀图形的掩膜；然后，在硅片上表面上刻蚀斜孔。该刻蚀过程分为两个步骤，并均采用下述硅片刻蚀工艺刻蚀硅片，二者仅是采用的工艺参数不同。

刻蚀过程的具体为，即：向工艺腔室内通入工艺气体，并开启激励电源（例如射频电源），激励电源向反应腔室施加激励功率，以使反应腔室内的刻蚀气体激发形成等离子体；开启偏压电源，偏压电源向基片施加偏压功率，以使等离子体刻蚀硅片，直至对硅片刻蚀预设深度。工艺参数主要包括工艺气体的种类和流量、激励功率、偏压功率、工艺气压（即，反应腔室的腔室压力）以及刻蚀时间等。另外，上述工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体，优选的，刻蚀气体为SF₆，沉积气体为C₄F₈；辅助气体为氧气，其在刻蚀过程中用于改善斜孔侧壁的粗糙度。激励电源加载的激励功率为2000W。

当完成上述刻蚀过程之后，通过丙酮湿法，或者采用等离子体去胶机去除硅片表面的光刻胶。

下面进一步对上述刻蚀过程的两个步骤进行详细描述。图4为本发明第一实施例提供的斜孔刻蚀方法的流程框图。图5为图4所示实施例中步骤S1完成后的示意图。图6为图4所示实施例中步骤S2完成后的示意图。请一并参阅图4、图5及图6，本发明第一实施例提供的斜孔刻蚀方法具体包括下述步骤：

S1，采用可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率，刻蚀硅片10至第一预设深度，用以降低在斜孔11侧壁的顶部形成的碗状形貌的厚度；

S2，采用第二偏压功率，继续刻蚀硅片10至第二预设深度，且第二偏压功率大于第一偏压功率，用以提高刻蚀速率。

在步骤S1中，可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率为相对于现有技术较小的偏压功率值。在刻蚀硅片10的工艺过程中，沉积速率不受偏压功率大小的影响，而刻蚀速率则受到偏压功率大小的显著影响；具体地，偏压功率小，则刻蚀速率较小；偏压功率大，则刻蚀速率较大。从而，采用较小的偏压功率值为第一偏压功率，可以提高沉积速率与刻蚀速率之比；并且，在刻蚀硅片10的过程中，在保持沉积速率为相应固定值的情况下，减小刻蚀速率，从而增强对斜孔11侧壁的保护作用，降低斜孔11侧壁上由于自由基（一般为氟自由基）的各向同性刻蚀而形成的碗状形貌的厚度。优选地，在本实施例中，第一偏压功率的取值范围为0～10W。

在步骤S2中，采用第二偏压功率，继续刻蚀硅片10至斜孔11的深度达到第二预设深度H，且第二预设深度H等于斜孔11的目标深度L；在此过程中，设置第二偏压功率为较大值，且大于第一偏压功率，可以提高等离子体轰击硅片10的速度和数量，从而可以刻蚀速率，进而可以减小刻蚀至第二预设深度H所需的时间，提高工艺的效率。并且，由于水平方向的刻蚀主要通过自由基的各向同性刻蚀实现，使得在此过程中，水平方向的刻蚀速率不会因第二偏压功率而显著增大，从而使刻蚀速率的提高主要表现为在垂直方向上的刻蚀速率，以及使斜孔11的侧壁不被过刻蚀。优选地，在本实施例中，第二偏压功率的取值范围为10～30W。

在刻蚀斜孔11的过程中，通过调节刻蚀气体、沉积气体和辅助气体之间的比例，可以控制斜孔11的侧壁的倾斜角度，从而使使刻蚀出的斜孔11的侧壁相对于硅片10的上表面偏离工艺所需的角度。此外，还可以通过调节工艺腔室内的压力来控制斜孔11的侧壁的倾斜角度。优选地，在本实施例中，通过调节工艺腔室内的压力，和/或调节刻蚀气体、沉积气体与辅助气体之间的比例，使斜孔11的侧壁相对于硅片10的上表面偏离的角度为70°～85°。

本实施例提供的斜孔刻蚀方法，其将刻蚀过程分为两个步骤完成，其中，步骤S1通过在刻蚀硅片10至第一预设深度的过程中，采用可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率，可以增强对侧壁的保护作用，从而可以减小由等离子体中的自由基的各向同性刻蚀而在斜孔11侧壁的顶部形成的碗状形貌的厚度。而后，步骤S2继续刻蚀硅片10至第二预设深度，并在此过程中通过采用大于第一偏压功率的第二偏压功率，可以提高刻蚀速率，尤其是在垂直方向上的刻蚀速率，从而可以快速获得所需的刻蚀深度，进而可以缩短刻蚀时间，提高工艺效率。由上可知，本实施例提供的斜孔刻蚀方法借助上述步骤S1和步骤S2，可以在较短的时间内刻蚀出顶部碗状形貌较小的斜孔11，从而在一定程度上改善了斜孔11侧壁的形貌。

请参看图7，图7为本发明第二实施例提供的斜孔刻蚀方法的流程框图。与上述第一实施例相比，本实施例提供的斜孔刻蚀方法具体包括下述步骤：

S10，采用可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率，刻蚀硅片10至第一预设深度，用以降低在斜孔11侧壁的顶部形成的碗状形貌的厚度；

S20，采用第二偏压功率，继续刻蚀硅片10至第二预设深度，且所述第二偏压功率大于所述第一偏压功率，用以提高刻蚀速率；如图8所示；

S30，如图9所示，自硅片10的上表面对硅片10的厚度进行整体减薄，以使斜孔11的深度达到斜孔11的目标深度。

与上述第一实施例不同的是，在本实施例中，如图8所示，第二预设深度H’大于斜孔11的目标深度L；优选地，第二预设深度H’与斜孔的目标深度L之间的差值，即在步骤S30中对硅片10减薄的厚度大于或等于斜孔11刻蚀过程中形成的碗状形貌的厚度。

本实施例提供的斜孔刻蚀方法，首先在硅片10上刻蚀出深度超过目标深度L，即具有第二预设深度H’的斜孔11；而后对硅片10进行整体减薄，将超过目标深度的部分去除；使斜孔11顶部的碗状形貌部分被去除，或者完全被去除，从而在对硅片10进行整体减薄后，可以在硅片10上获得具有目标深度L，且碗状形貌较小的斜孔11。

优选地，在步骤S10中，刻蚀工艺的参数包括：腔室压力为60mT；激励功率为2000W，第一偏压功率为0W；工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体，其中，刻蚀气体为SF₆，且SF₆的流量为70sccm；沉积气体为C₄F₈，且C₄F₈的流量为10sccm；辅助气体为O₂，且O₂的流量为60sccm；刻蚀时间为200s。在步骤S20中，刻蚀工艺的参数包括：腔室压力为60mT；激励功率为2000W，第二偏压功率为15W；工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体，其中，刻蚀气体为SF₆，且SF₆的流量为70sccm；沉积气体为C₄F₈，且C₄F₈的流量为10sccm；辅助气体为O₂，且O₂的流量为60sccm；刻蚀时间为400s；在上述工艺参数条件下，刻蚀出的斜孔11的形貌如图10所示；通过对比图10和图3可知，相比现有技术，本实施例提供的斜孔刻蚀方法刻蚀出的斜孔11顶部的碗状形貌明显减小，且斜孔11的侧壁的粗糙度大幅减小。

在本实施例中，采用等离子体干法刻蚀工艺减薄的方式对硅片10的厚度进行整体减薄；优选地，该等离子体干法刻蚀工艺的工艺参数包括：腔室压力为70mT；激励功率为2500W；偏压功率为50W；工艺气体包括刻蚀气体和辅助气体，其中，刻蚀气体为SF₆，其流量为1000sccm；辅助气体为O₂，其流量为50sccm。在上述工艺参数条件下，对硅片10的厚度的减薄的速率可以达到10μm/min。

需要说明的是，在本实施例中，采用等离子体干法刻蚀工艺减薄的方式对硅片10的厚度进行整体减薄，但本发明并不限于此，在实际应用中，还可以采用物理减薄的方式对硅片10的厚度进行整体减薄。

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

1.一种斜孔刻蚀方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1，采用可提高沉积速率与刻蚀速率之比的第一偏压功率，刻蚀硅片至第一预设深度，用以降低在斜孔侧壁的顶部形成的碗状形貌的厚度；

S2，采用第二偏压功率，继续刻蚀硅片至第二预设深度，且所述第二偏压功率大于所述第一偏压功率，用以提高刻蚀速率；

其中，所述第二预设深度大于预设的所述斜孔的目标深度；

S3，采用等离子体干法刻蚀工艺自所述硅片的上表面对所述硅片的厚度进行整体减薄，以使所述斜孔的深度达到所述斜孔的目标深度；

所述等离子体干法刻蚀工艺的工艺参数包括：腔室压力为70mT；激励功率为2500W；偏压功率为50W；工艺气体包括刻蚀气体和辅助气体，其中，所述刻蚀气体为SF6，流量为1000sccm；所述辅助气体为O2，流量为50sccm；以使对所述硅片的厚度的减薄的速率达到10μm/min。

2.根据权利要求1所述的斜孔刻蚀方法，其特征在于，对所述硅片减薄的厚度大于或等于斜孔刻蚀过程中形成的碗状形貌的厚度。

3.根据权利要求1所述的斜孔刻蚀方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一偏压功率的取值范围为0～10W。

4.根据权利要求3所述的斜孔刻蚀方法，其特征在于，步骤S2中，所述第二偏压功率的取值范围为10～30W。

5.根据权利要求1所述的斜孔刻蚀方法，其特征在于，在步骤S1中，刻蚀工艺的参数包括：腔室压力为60mT；激励功率为2000W，第一偏压功率为0W；工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体，其中，刻蚀气体为SF₆，且SF₆的流量为70sccm；沉积气体为C₄F₈，且C₄F₈的流量为10sccm；辅助气体为O₂，且O₂的流量为60sccm；刻蚀时间为200s；

在步骤S2中，刻蚀工艺的参数包括：腔室压力为60mT；激励功率为2000W，第二偏压功率为15W；工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体，其中，刻蚀气体为SF₆，且SF₆的流量为70sccm；沉积气体为C₄F₈，且C₄F₈的流量为10sccm；辅助气体为O₂，且O₂的流量为60sccm；刻蚀时间为400s。

6.根据权利要求1所述的斜孔刻蚀方法，其特征在于，在步骤S1及S2中，向工艺腔室内通入刻蚀工艺所需的工艺气体，所述工艺气体包括刻蚀气体、沉积气体和辅助气体；

且在刻蚀过程中，通过调节腔室压力，以及调节刻蚀气体、沉积气体和辅助气体之间的比例，控制所述斜孔侧壁的倾斜角度。