CN105097488A - 硅片刻蚀方法 - Google Patents

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胡竞之
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Abstract

本发明提供的硅片刻蚀方法，其包括以下步骤：硅片刻蚀步骤，在具有预设厚度的硅片上表面刻蚀斜槽或斜孔，且该预设厚度大于工艺所需的目标厚度；研磨步骤，自硅片上表面研磨硅片，以使硅片的厚度整体减薄至目标厚度。本发明提供的硅片刻蚀方法，其不仅可以避免出现over-hang以及顶部锯齿的现象，而且可以增大刻蚀工艺参数的可调范围，从而可以提高工艺结果的稳定性。

Description

硅片刻蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体加工领域，特别涉及一种硅片刻蚀方法。
背景技术
近年来，随着MEMS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(ThroughSiliconEtch)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技术中最炙手可热工艺之一。在硅片上刻蚀沟槽是一种常见的刻蚀工艺，而针对不同的应用，对沟槽的刻蚀形貌的要求也不同。例如，在封装领域中，通常需要获得精确的斜坡尺寸和优化的沟槽形貌，这就要求能够对刻蚀工艺进行精确控制，而且还要求稳定的刻蚀环境、简单易控的操作以及稳定的设备维护。
现有的一种硅片刻蚀方法采用单步刻蚀的方式一次性完成沟槽的总刻蚀深度。该方法的一个典型的工艺制程为：采用SF6、C4F8和O2混合的气体作为刻蚀气体，其中，SF6的流量为700sccm；C4F8的流量为180sccm；O2的流量为50sccm；腔室压力为150mT；上电极功率为4000W；下电极功率为20W；腔室温度未5℃。
图1A为采用该工艺制程获得的硅片刻蚀形貌的电镜扫描图。图1B为侧壁顶部的电镜扫描图。由图1A和1B可以看出，沟槽侧壁的顶部出现over-hang(即掩膜开口尺寸小于沟槽开口尺寸，如图2所示)以及顶部锯齿的现象，出现该现象的原因在于：
其一，为了获得较高的刻蚀速率，通常会采用较高的下电极功率刻蚀硅片，这使得各向同性刻蚀严重，从而容易出现over-hang以及顶部锯齿的现象。此外，较高的刻蚀速率还会使自晶片表面产生的热量散发缓慢，导致光刻胶掩膜在高温下软化坍塌，这也会形成over-hang现象。
其二，为了获得精确的刻蚀形貌，需要严格控制刻蚀工艺参数，例如，下电极功率的控制范围仅在0～50W之间，这使得刻蚀工艺参数的可调范围极窄，从而不仅容易出现over-hang以及顶部锯齿的现象，而且还会造成工艺结果不稳定，进而给后续制程带来恶劣影响。
另外，对于沟槽侧壁的顶部出现over-hang以及顶部锯齿的现象目前没有较好的补救措施，从而造成产品的良品率很难提升。
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，提出了一种硅片刻蚀方法，其不仅可以避免出现over-hang以及顶部锯齿的现象，而且可以增大刻蚀工艺参数的可调范围，从而可以提高工艺结果的稳定性。
为实现本发明的目的而提供一种硅片刻蚀方法，包括以下步骤：
硅片刻蚀步骤，在具有预设厚度的硅片上表面刻蚀斜槽或斜孔，且所述预设厚度大于工艺所需的目标厚度；
研磨步骤，自所述硅片上表面研磨所述硅片，以使所述硅片的厚度整体减薄至所述目标厚度。
优选的，在所述硅片刻蚀步骤中，刻蚀气体包括CxFy类气体、SF6和O2的混合气体。
优选的，通过调节所述CxFy类气体的流量与SF6和O2的流量总和之间的比例，来调节侧壁的倾斜角度。
优选的，所述CxFy类气体的流量与SF6和O2的流量总和之间的比例在1:10～1:1之间。
优选的，所述CxFy类气体的流量与SF6和O2的流量总和之间的比例在1:5～1:3之间。
优选的，所述CxFy类气体包括C4F8、C5F8和C2F6中至少一种气体。
优选的，在所述硅片刻蚀步骤中，通过调节腔室压力，来调节侧壁倾斜角度和形貌。
优选的，所述腔室压力的取值范围在100～200mT。
优选的，在所述硅片刻蚀步骤中，上电极功率的取值范围在2000～4000W。
优选的，在所述硅片刻蚀步骤中，下电极功率的取值范围在0～100W。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的硅片刻蚀方法，其采用单步刻蚀的方式对厚度大于工艺所需的目标厚度的硅片上表面刻蚀斜槽或斜孔，并在完成刻蚀之后自该硅片上表面研磨硅片，以使硅片的厚度整体减薄至目标厚度。也就是说，虽然在完成硅片刻蚀步骤之后，在侧壁的顶部可能会出现over-hang以及顶部锯齿等缺陷，但是借助后续的研磨步骤，可以磨去侧壁的顶部，即，磨去硅片自其上表面起多于目标厚度的部分，从而可以消除over-hang以及顶部锯齿等缺陷，进而获得笔直平整的侧壁形貌。
而且，由于借助上述研磨步骤可以对刻蚀后的硅片刻蚀形貌进行补偿和调整，这不仅可以增大刻蚀工艺参数的可调范围，从而可以提高工艺结果的稳定性，而且还可以允许在硅片刻蚀步骤中采用较高的下电极功率，从而可以提高刻蚀速率，进而可以提高工艺效率。
附图说明
图1A为采用现有的工艺制程获得的硅片刻蚀形貌的电镜扫描图；
图1B为侧壁顶部的电镜扫描图；
图2为沟槽侧壁的顶部出现over-hang的示意图；
图3为本发明提供的硅片刻蚀方法的流程框图；
图4为本发明提供的硅片刻蚀方法的流程示意图；以及
图5采用发明提供的硅片刻蚀方法获得的沟槽刻蚀形貌的电镜扫描图。
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硅片刻蚀方法进行详细描述。
图3为本发明提供的硅片刻蚀方法的流程框图。图4为本发明提供的硅片刻蚀方法的流程示意图。请一并参阅图3和图4，本发明提供的硅片刻蚀方法包括以下步骤：
硅片刻蚀步骤，在具有预设厚度的硅片上表面刻蚀斜槽或斜孔，且该预设厚度大于工艺所需的目标厚度；
研磨步骤，自硅片上表面研磨硅片，以使硅片的厚度整体减薄至目标厚度。
具体地，在硅片刻蚀步骤中，硅片的预设厚度，即，待刻蚀硅片的厚度大于工艺所需的目标厚度，以为后续的研磨步骤保留待减薄的厚度。刻蚀硅片的工艺具体为：向反应腔室通入刻蚀气体，并开启激励电源(例如射频电源)，激励电源向反应腔室施加上电极功率，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，偏压电源向硅片施加下电极功率，以使等离子体刻蚀硅片，直至对硅片刻蚀预定刻蚀深度。
优选的，刻蚀气体包括CxFy类气体、SF6和O2的混合气体，其中，CxFy类气体包括C4F8、C5F8和C2F6中至少一种气体。通过调节CxFy类气体的流量与SF6和O2流量总和之间的比例，可以调节斜槽或斜孔的侧壁倾斜角度，以获得工艺所需的侧壁倾斜角度。优选的，CxFy类气体的流量与SF6和O2的流量总和之间的比例在1:10～1:1之间；进一步优选的，在1:5～1:3之间。此外，SF6的流量的取值范围可以在300～1000sccm，优选的，在500～700sccm；氧气的流量的取值范围可以在10～100sccm，优选的，在30～70sccm。
此外，还可以通过调节腔室压力，来调节斜槽或斜孔的侧壁倾斜角度和形貌。优选的，腔室压力的取值范围在100～200mT。上电极功率的取值范围在2000～4000W。
在研磨步骤中，可以采用机械研磨的方式研磨刻蚀后的硅片，以使该硅片获得工艺所需的厚度和理想的刻蚀形貌。
借助该研磨步骤，可以允许在刻蚀后的侧壁顶部出现over-hang以及顶部锯齿等缺陷，从而可以允许硅片刻蚀步骤采用较高的下电极功率，进而可以提高刻蚀速率，以避免因粒子能量不足而造成刻蚀时间过长。而且，由于借助上述研磨步骤可以对刻蚀后的硅片刻蚀形貌进行补偿和调整，这不仅可以增大刻蚀工艺参数的可调范围，从而可以提高工艺结果的稳定性。优选的，下电极功率的取值范围可以被扩大至0～100W。
下面对本发明实施例提供的硅片刻蚀方法进行实验，且采用下述工艺参数进行硅片刻蚀步骤，即：上电极功率为2500W；下电极功率为60W；工艺压力为160mT；刻蚀气体采用SF6、C4F8和O2，其中，SF6的流量为800sccm；C4F8的流量为200sccm；O2的流量为60sccm；刻蚀时间为10min。
采用上述实验获得的沟槽刻蚀形貌如图5所示，由图可知，侧壁笔直平整，且其顶部没有出现over-hang以及顶部锯齿等缺陷，因此，采用本发明实施例提供的硅片刻蚀方法，可以获得理想的刻蚀形貌。
本发明实施例提供的硅片刻蚀方法，其采用单步刻蚀的方式对厚度大于工艺所需的目标厚度的硅片上表面刻蚀斜槽或斜孔，并在完成刻蚀之后自该硅片上表面研磨硅片，以使硅片的厚度整体减薄至目标厚度。也就是说，虽然在完成硅片刻蚀步骤之后，在侧壁的顶部可能会出现over-hang以及顶部锯齿等缺陷，但是借助后续的研磨步骤，可以磨去侧壁的顶部，即，磨去硅片自其上表面起多于目标厚度的部分，从而可以消除over-hang以及顶部锯齿等缺陷，进而获得笔直平整的侧壁形貌。
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 (10)

1.一种硅片刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
硅片刻蚀步骤，在具有预设厚度的硅片上表面刻蚀斜槽或斜孔，且所述预设厚度大于工艺所需的目标厚度；
研磨步骤，自所述硅片上表面研磨所述硅片，以使所述硅片的厚度整体减薄至所述目标厚度。
2.如权利要求1所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，在所述硅片刻蚀步骤中，刻蚀气体包括CxFy类气体、SF6和O2的混合气体。
3.如权利要求2所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，通过调节所述CxFy类气体的流量与SF6和O2的流量总和之间的比例，来调节侧壁的倾斜角度。
4.如权利要求2所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，所述CxFy类气体的流量与SF6和O2的流量总和之间的比例在1:10～1:1之间。
5.如权利要求4所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，所述CxFy类气体的流量与SF6和O2的流量总和之间的比例在1:5～1:3之间。
6.如权利要求3所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，所述CxFy类气体包括C4F8、C5F8和C2F6中至少一种气体。
7.如权利要求1所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，在所述硅片刻蚀步骤中，通过调节腔室压力，来调节侧壁倾斜角度和形貌。
8.如权利要求7所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，所述腔室压力的取值范围在100～200mT。
9.如权利要求1所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，在所述硅片刻蚀步骤中，上电极功率的取值范围在2000～4000W。
10.如权利要求1所述的硅片刻蚀方法，其特征在于，在所述硅片刻蚀步骤中，下电极功率的取值范围在0～100W。
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