CN105679700A

CN105679700A - 硅深孔刻蚀方法

Info

Publication number: CN105679700A
Application number: CN201410676110.XA
Authority: CN
Inventors: 钦华林
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing NMC Co Ltd; Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: CN105679700B

Abstract

本发明提供的硅深孔刻蚀方法，其包括以下步骤：沉积步骤，用于在硅孔侧壁沉积一层聚合物；刻蚀过渡步骤，用于排出硅孔内的沉积气体及反应生成物；刻蚀步骤，用于刻蚀硅孔底部的聚合物，同时增加刻蚀深度；沉积过渡步骤，用于排出硅孔内的刻蚀气体及反应生成物；循环进行上述四个步骤，直至达到所需的总刻蚀深度。本发明提供的硅深孔刻蚀方法，其可以避免因产生刻蚀步骤和沉积步骤的进气错位现象而造成的刻蚀剖面侧壁损伤，从而可以改善工艺结果。

Description

硅深孔刻蚀方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种硅深孔刻蚀方法。

背景技术

近年来，随着MEMS器件和系统被越来越广泛地应用于汽车和消费电子领域，以及TSV(ThroughSiliconEtch，通孔刻蚀)在未来封装领域的广阔前景，深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS加工领域及TSV技术中最炙手可热的工艺之一。深硅刻蚀工艺相对于一般的

深硅刻蚀工艺相对于一般的硅刻蚀工艺，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可以达到上百微米，而一般硅刻蚀工艺的刻蚀深度则小于1微米。要刻蚀厚度为几十微米的硅材料，就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。

目前主流的深硅刻蚀工艺为德国RobertBosch公司发明的Bosch工艺或在Bosch工艺上进行的优化。其主要特点为：整个刻蚀过程是刻蚀步骤与沉积步骤的交替循环。其中刻蚀步骤所采用的刻蚀气体为SF₆，并通过采用较高的腔室压力来增加活性自由基，从而有利于获得较高的刻蚀速率和刻蚀选择比(硅基底相对于掩膜)。沉积步骤所采用的沉积气体为C₄F₈，其可以在侧壁沉积一层聚合物保护膜来保护侧壁不被刻蚀，同时通过采用较低的腔室压力来增强刻蚀反应物的运输，从而避免刻蚀剖面侧壁损伤。

但是，在上述刻蚀过程中，随着刻蚀深度的增加，在硅深孔内形成的部分反应物和生成物很难及时排出，残留的反应物和生成物会阻碍朝向硅深孔底部扩散的刻蚀气体或沉积气体，导致刻蚀气体或沉积气体还未来得及到达硅深孔底部本步骤就已结束，同时切换至下一步骤，从而出现了一种错位现象，即：在进行刻蚀步骤时，硅深孔中还存在有沉积气体；在进行沉积步骤时，硅深孔中还存在有刻蚀气体。这种刻蚀步骤和沉积步骤出现的进气错位现象会造成刻蚀剖面侧壁损伤，如图1所示，为采用上述Bosch工艺获得的硅深孔的整体和局部放大图。由图可知，硅深孔的侧壁产生损伤，且顶部不平直，因此，该刻蚀方法的工艺结果不理想。

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，提出了一种硅深孔刻蚀方法，其可以解决刻蚀剖面侧壁不平滑，工艺结果不理想的缺陷。

为实现本发明的目的而提供一种硅深孔刻蚀方法，包括以下步骤：

沉积步骤，用于在硅孔侧壁和底部沉积一层聚合物；

刻蚀过渡步骤，用于排出硅孔内的沉积气体及反应生成物；

刻蚀步骤，用于刻蚀硅孔侧壁和底部的所述聚合物，同时增加刻蚀深度；

沉积过渡步骤，用于排出硅孔内的刻蚀气体及反应生成物；

循环进行上述四个步骤，直至达到所需的总刻蚀深度。

优选的，所述沉积过渡步骤所采用的工艺气体与所述刻蚀步骤所采用的刻蚀气体相同；所述刻蚀过渡步骤所采用的工艺气体与所述沉积步骤所采用的沉积气体相同。

优选的，所述沉积过渡步骤和刻蚀过渡步骤各自所采用的腔室压力、上电极功率、下电极功率和工艺气体的流量分别相对于所述沉积步骤和刻蚀步骤降低，以促进硅深孔内的所述反应生成物排出。

优选的，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，腔室压力的取值范围在5～35mT。

优选的，所述腔室压力的取值范围在10～20mT。

优选的，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，上电极功率的取值范围在500～1500W。

优选的，所述上电极功率的取值范围在500～1000W。

优选的，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，下电极功率为零。

优选的，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，工艺气体的流量的取值范围在20～100sccm。

优选的，所述工艺气体的流量的取值范围在20～50sccm。

优选的，所述沉积过渡步骤的工艺时间为0.1～1s；所述刻蚀过渡步骤的工艺时间为0.1～1s。

优选的，所述沉积过渡步骤的工艺时间为0.5～1s；所述刻蚀过渡步骤的工艺时间为0.5～1s。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的硅深孔刻蚀方法，其通过在每次完成沉积步骤之后，且在进行下一次刻蚀步骤之前，进行一次刻蚀过渡步骤；以及，在每次完成刻蚀步骤之后，且在进行下一次沉积步骤之前，进行一次沉积过渡步骤，可以在沉积步骤与刻蚀步骤相互转换的期间，留出一段缓冲的时间来排出硅孔内的刻蚀气体或沉积气体及反应生成物，从而可以避免因产生刻蚀步骤和沉积步骤的进气错位现象而造成的刻蚀剖面侧壁损伤，进而可以改善工艺结果。

附图说明

图1为采用Bosch工艺获得的硅深孔的整体和局部放大图；

图2为本发明实施例提供的硅深孔刻蚀方法的流程框图；以及

图3为采用本发明实施例提供的硅深孔刻蚀方法获得的硅深孔的整体和局部放大图。

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深孔刻蚀方法进行详细描述。

图2为本发明实施例提供的硅深孔刻蚀方法的流程框图。请参阅图2，硅深孔刻蚀方法应用于在硅基底表面上刻蚀深宽比较大的硅深孔，尤其应用于刻蚀直径小于5μm、且深宽比大于20:1的硅深孔。

该硅深孔刻蚀方法包括以下步骤：

沉积步骤，用于在硅孔侧壁沉积一层聚合物；

刻蚀过渡步骤，用于排出硅孔内的沉积气体及反应生成物；

刻蚀步骤，用于刻蚀硅孔底部的所述聚合物，同时增加刻蚀深度；

沉积过渡步骤，用于排出硅孔内的刻蚀气体及反应生成物；

循环进行上述四个步骤，直至达到所需的总刻蚀深度。

首先需要说明的是，在依次进行上述四个步骤的过程中，上电极电源和下电极电源一般在整个刻蚀过程结束前不会关闭，而仅是在步骤切换时对上电极电源和下电极电源提供的射频功率进行调整，以节省工艺时间。同时，在步骤切换时，除了调整上述上电极功率和下电极功率之外，还需要根据下一步骤的功能对某些工艺参数进行调整，例如工艺气体的种类和流量、腔室压力等等。

具体地，在本发明实施例提供的硅深孔刻蚀方法所采用的各个步骤中，实际起到刻蚀作用的是刻蚀步骤和沉积步骤。其中，刻蚀步骤所采用的刻蚀气体为SF₆，并通过采用较高的腔室压力来增加活性自由基，从而有利于获得较高的刻蚀速率和刻蚀选择比。沉积步骤所采用的沉积气体为C₄F₈，其可以在侧壁沉积一层聚合物用作保护膜来保护侧壁不被刻蚀，同时通过采用较低的腔室压力来增强刻蚀反应物的运输，从而避免刻蚀剖面侧壁损伤。刻蚀步骤和沉积步骤在刻蚀硅基底的整个过程中交替循环，直至达到所需的总刻蚀深度。

刻蚀过渡步骤和沉积过渡步骤是在上述刻蚀步骤和沉积步骤之间增设的过渡步骤，主要用于排出硅孔内的反应生成物。具体来说，在每次完成沉积步骤之后，且在进行下一次刻蚀步骤之前，进行一次刻蚀过渡步骤；以及，在每次完成刻蚀步骤之后，且在进行下一次沉积步骤之前，进行一次沉积过渡步骤。借助刻蚀过渡步骤和沉积过渡步骤，可以在沉积步骤与刻蚀步骤相互转换的期间，留出一段缓冲的时间来排出硅孔内的刻蚀气体或沉积气体及反应生成物，从而可以避免因产生刻蚀步骤和沉积步骤的进气错位现象而造成的刻蚀剖面侧壁损伤，进而可以改善工艺结果。

优选的，沉积过渡步骤所采用的工艺气体与刻蚀步骤所采用的刻蚀气体相同，即，该沉积过渡步骤采用的工艺气体为SF₆，从而为随后一次刻蚀步骤起到了过渡的作用。与之相类似的，刻蚀过渡步骤所采用的工艺气体与沉积步骤所采用的沉积气体相同，即，该刻蚀过渡步骤采用的工艺气体为C₄F₈，从而为随后一次沉积步骤起到了过渡的作用。

在沉积过渡步骤和刻蚀过渡步骤中，二者所采用的腔室压力、上电极功率、下电极功率和工艺气体的流量分别相对于沉积步骤和刻蚀步骤降低，以促进硅深孔内的反应生成物排出。由于沉积过渡步骤和刻蚀过渡步骤仅用于排出硅孔内的刻蚀气体或沉积气体及反应生成物，因而二者所采用的工艺参数应不会影响刻蚀深度。

在沉积过渡步骤和刻蚀过渡步骤中，腔室压力的取值范围在5～35mT，优选在10～20mT；上电极功率的取值范围在500～1500W；优选在500～1000W；下电极功率为零(只是数值为零，但下电极电源未关闭)。工艺气体的流量的取值范围在20～100sccm；优选在20～50sccm；优选为0.5～1s。沉积过渡步骤的工艺时间为0.1～1s；刻蚀过渡步骤的工艺时间为0.1～1s；优选为0.5～1s。腔室压力、上电极功率、下电极功率、工艺气体流量以及工艺时间通过在上述范围内取值，可以促进硅深孔内的反应生成物排出，同时不会影响刻蚀深度。

图3为采用本发明实施例提供的硅深孔刻蚀方法获得的硅深孔的整体和局部放大图。请参阅图3，采用本发明实施例提供的硅深孔刻蚀方法获得的硅深孔，其不仅整个侧壁表面平滑且无损伤，而且侧壁顶部无线宽损失，从而有利于提高器件性能。

综上所述，本发明提供的硅深孔刻蚀方法，其通过在每次完成沉积步骤之后，且在进行下一次刻蚀步骤之前，进行一次刻蚀过渡步骤；以及，在每次完成刻蚀步骤之后，且在进行下一次沉积步骤之前，进行一次沉积过渡步骤，可以在沉积步骤与刻蚀步骤之间相互转换的期间，留出一段缓冲的时间来排出硅孔内的刻蚀气体或沉积气体及反应生成物，从而可以避免因产生刻蚀步骤和沉积步骤出现的进气错位现象而造成的刻蚀剖面侧壁损伤，进而可以改善工艺结果。

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

1.一种硅深孔刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：

沉积步骤，用于在硅孔侧壁和底部沉积一层聚合物；

刻蚀过渡步骤，用于排出硅孔内的沉积气体及反应生成物；

沉积过渡步骤，用于排出硅孔内的刻蚀气体及反应生成物；

循环进行上述四个步骤，直至达到所需的总刻蚀深度。

2.如权利要求1所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，所述沉积过渡步骤所采用的工艺气体与所述刻蚀步骤所采用的刻蚀气体相同；

所述刻蚀过渡步骤所采用的工艺气体与所述沉积步骤所采用的沉积气体相同。

3.如权利要求1所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，所述沉积过渡步骤和刻蚀过渡步骤各自所采用的腔室压力、上电极功率、下电极功率和工艺气体的流量分别相对于所述沉积步骤和刻蚀步骤降低，以促进硅深孔内的所述反应生成物排出。

4.如权利要求3所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，腔室压力的取值范围在5～35mT。

5.如权利要求4所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，所述腔室压力的取值范围在10～20mT。

6.如权利要求3所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，上电极功率的取值范围在500～1500W。

7.如权利要求6所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，所述上电极功率的取值范围在500～1000W。

8.如权利要求3所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，下电极功率为零。

9.如权利要求3所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，在所述沉积过渡步骤和所述刻蚀过渡步骤中，工艺气体的流量的取值范围在20～100sccm。

10.如权利要求9所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，所述工艺气体的流量的取值范围在20～50sccm。

11.如权利要求1所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，所述沉积过渡步骤的工艺时间为0.1～1s；所述刻蚀过渡步骤的工艺时间为0.1～1s。

12.如权利要求11所述的硅深孔刻蚀方法，其特征在于，所述沉积过渡步骤的工艺时间为0.5～1s；所述刻蚀过渡步骤的工艺时间为0.5～1s。