CN110190025A - 一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法 - Google Patents

一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法。具体加工步骤如下：将硅片进行标准清洗；在清洗后的硅片背面制备支撑层；在硅片的正面制备刻蚀掩膜层并进行图形化；将硅片放入硅刻蚀机中进行正面的硅通孔刻蚀，加工至硅材料刻蚀完成；去除硅片正面剩余的掩膜层；去除背面的支撑层材料，并进行标准清洗。该方法通过在硅片背面制备支撑层，解决刻蚀终点时由于硅片背部氦气漏率大导致静电卡盘结构的刻蚀机刻蚀工艺无法正常运行的问题。

Description

一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法
技术领域
本发明涉及一种用于单层硅衬底的通孔刻蚀方法，属于微纳加工领域。
背景技术
硅通孔刻蚀工艺广泛应用于TSV技术，实现互连路径更短、集成度更高的3D集成。硅通孔刻蚀一般采用等离子体干法刻蚀工艺，由深硅刻蚀机加工完成，目前主流的深硅刻蚀机使用静电卡盘来固定、支撑晶片。加工过程中，卡盘和硅片之间存在热传导气体(以氦气为例)，氦气对硅晶片的温度进行有效的调节。刻蚀前需要对卡盘和硅片之间的氦气在腔体内的漏率进行检测，用来评估硅片在卡盘上的吸附效果，检测结果要求低于氦气漏率设置的极限时，工艺才能继续进行。
对于单层硅衬底的通孔刻蚀，由于存在刻蚀均匀性的问题，导致晶片中心和边缘的刻蚀速率有差异，刻蚀速率高的位置优先刻穿。硅片刻穿后，卡盘和硅片间的氦气通过刻穿的通孔漏到腔室，氦气漏率增大至高于设置极限时，工艺自动停止，导致未刻蚀穿的通孔无法继续进行。目前，有专利通过利用真空导热油在加工的硅片底部粘附整片硅培片的方式来解决此问题。由于该工艺加工方案中的加工硅片和培片间存在间隙，导致散热性能差，从而表面的光刻胶等有机掩膜容易发生变质而损坏；另一方面，真空导热油的引入对腔室和硅片带来一定的污染。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，解决了刻蚀过程中部分硅通孔先刻蚀穿透导致整片单层硅衬底无法完成通孔刻蚀的问题，且能保证刻蚀质量，无污染。
本发明的技术解决方案是：
一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，包括如下步骤：
(1)将硅片进行标准清洗；
(2)在清洗后的硅片背面制备支撑层；
(3)在硅片的正面制备刻蚀掩膜层并进行图形化；
(4)将硅片置于静电卡盘结构的刻蚀机中，进行硅通孔刻蚀，硅片正面朝上，加工至通孔刻蚀完成；
(5)去除硅片正面剩余的掩膜层和硅片背面的支撑层；
(6)将处理完成的硅片进行标准清洗。
所述步骤(1)或步骤(6)中，进行标准清洗的过程如下：
(1.1)首先将硅片置于SC-3中，加热至150℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次；
(1.2)将经过步骤(1.1)处理的硅片置于SC-2中，温度80℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次；
(1.3)将经过步骤(1.2)处理的硅片置于SC-1中，温度80℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次，并利用甩干机进行甩干处理。
SC-1的成分以及体积比为NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:5，SC-2的成分以及体积比为HCl:H2O2:H2O＝1:1:5，SC-3的成分以及体积比为H2SO4:H2O2＝5:1。
所述步骤(2)中，支撑层为介质膜层、金属膜层、有机材料膜层或几种材料的复合膜层。
支撑层的厚度为1μm～3μm。
所述步骤(3)中，硅片正面的刻蚀掩膜层为光刻胶、介质膜层、金属膜层或几种材料的复合膜层。
所述步骤(4)中，利用钝化和刻蚀交替进行的Bosch工艺进行硅通孔刻蚀，循环个数为150个，设置钝化和刻蚀的执行时间；随着刻蚀深度逐渐加深，钝化步骤的执行时间保持不变，刻蚀步骤的执行时间线性加长，150个循环执行完成后，将硅片取出并检查通孔的刻蚀情况，计算刻蚀速率；
根据剩余硅材料的厚度设置Bosch工艺的循环个数，钝化步骤的执行时间不变，刻蚀步骤的执行时间保持150个循环完成时的执行时间不变。
所述步骤(5)中，如果硅片正面的掩膜层材料和背面的支撑层材料相同，则利用相同的溶液同时进行去除。
所述步骤(5)中，如果硅片正面的掩膜层材料和背面的支撑层材料不同，则按照先正面后背面的顺序利用相应的溶液去除。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明方法通过在硅片背面制备支撑层，当部分硅通孔先刻蚀完成时，刻蚀气体继续对通孔底部的支撑层进行刻蚀，由于支撑层的刻蚀速率小，整个硅片通孔刻穿时，支撑层仍然能够完整的存在于硅片的底部，阻挡硅片背部的氦气扩散至腔体内，解决了刻蚀终点时由于硅片背部氦气漏率大导致静电卡盘结构的刻蚀机刻蚀停止的问题，能够有效提高刻蚀均匀性。
(2)现有的加工方案中利用导热油粘贴培片，由于硅片存在一定的翘曲，硅培片与加工片之间不可避免的存在间隙，刻蚀过程中产生的热量不能均匀快速的散发掉，刻蚀速率存在差异。另外，粘贴硅片的导热油具有一定的流动性，容易对腔体和硅片造成一定的污染。本发明的加工方法不需要导热油粘贴培片，能够有效避免导热油对硅片和腔体的污染，保证通孔上端和下端侧壁粗糙度的一致性。
附图说明
图1为单层硅衬底通孔刻蚀片结构示意图；
图2为单层硅衬底通孔刻蚀工艺流程图；
图3为Bosch工艺刻蚀硅通孔时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
针对单层硅衬底的通孔刻蚀工艺，由于刻蚀速率存在均匀性的差异，部分硅通孔先刻蚀穿透，硅片背部的氦气从刻蚀穿透的通孔中扩散至腔体内，当腔体检测到的氦气漏率高于设置极限时，设备报警，刻蚀自动停止，单层硅衬底通孔刻蚀无法完成。本发明提供一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，解决刻蚀过程中部分硅通孔先刻蚀穿透导致整片单层硅衬底无法完成通孔刻蚀的问题。
本发明在清洗干净的硅片背面制备支撑层，当部分硅通孔先刻蚀完成时，刻蚀气体继续对通孔底部的支撑层进行刻蚀，由于支撑层的刻蚀速率小，整个硅片通孔刻穿时，支撑层仍然能够完整的存在于硅片的底部，阻挡硅片背部的氦气扩散至腔体内。
单层硅衬底加工片结构示意图如图1所示。图1中为4英寸硅片，硅片厚度为300μm，双面抛光，正面为刻蚀掩膜层，背面为支撑层。其通孔刻蚀工艺流程如图2所示。
具体实施步骤如下：
(1)将硅片进行标准清洗；
将硅片进行标准清洗的过程如下：
(1.1)首先将硅片置于SC-3中，加热至150℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次；
(1.2)将经过步骤(1.1)处理的硅片置于SC-2中，温度80℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次；
(1.3)将经过步骤(1.2)处理的硅片置于SC-1中，温度80℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次，并利用甩干机进行甩干处理。
其中，SC-1的成分以及体积比为NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:5，SC-2的成分以及体积比为HCl:H2O2:H2O＝1:1:5，SC-3的成分以及体积比为H2SO4:H2O2＝5:1。
(2)在清洗后的硅片背面制备支撑层。
支撑层为介质膜层、金属膜层、有机材料膜层或几种材料的复合膜层。支撑层的厚度为1μm～3μm。
具体地，介质膜层为二氧化硅或氮化硅，二氧化硅的生长可以用氧化炉，氧化炉的温度设置为1100℃，氧化时间为24小时，二氧化硅的厚度为2-3μm；二氧化硅的生长也可以用PECVD设备，衬底温度为300℃，采用硅烷和笑气作为反应气体，反应时间为20-30min，二氧化硅厚度为2-3μm。氮化硅的生长采用PECVD设备，衬底温度为300℃，采用硅烷和氨气作为反应气体，反应时间为20-30min，氮化硅厚度为1-2μm。
金属膜层的生长可以用磁控溅射系统，溅射功率为1000-2000W，氩气压力10mTorr，扫描次数5-10次，金属膜层厚度为1-2μm。金属膜层的生长也可以用电子束蒸发系统，溅射功率为200-500W。
有机材料膜层选用光刻胶，可以采用旋涂法制备，光刻胶可以是AZ5214或AZ4620等，光刻胶厚度为2-3μm，甩胶后需要用烘箱或者热板100℃进行坚膜。
(3)在硅片的正面制备刻蚀掩膜层并进行图形化。
刻蚀掩膜层为光刻胶、介质膜层、金属膜层或几种材料的复合膜层。刻蚀掩膜层的厚度根据刻蚀硅层的厚度和刻蚀选择比确定。
若采用光刻胶作为刻蚀掩膜，光刻胶采用AZ4620，光刻胶厚度6-8μm；若采用介质膜作为刻蚀掩膜，介质膜的厚度控制在3μm左右，在介质膜的上面需要旋涂3-4μm的光刻胶，对光刻胶进行图形化并利用干法刻蚀对介质膜进行加工；若采用金属膜作为刻蚀掩膜，可以用磁控溅射系统或电子束蒸发设备蒸镀铝膜，铝膜厚度控制在1-2μm，在铝膜的上面需要旋涂1-2μm的光刻胶，对光刻胶进行图形化并利用干法刻蚀对铝膜进行加工。
(4)将硅片置于静电卡盘结构的刻蚀机中，进行硅通孔刻蚀，硅片正面朝上，加工至通孔刻蚀完成。
利用钝化和刻蚀交替进行的Bosch工艺进行硅通孔刻蚀，循环个数为150个，钝化和刻蚀的执行时间分别设置为1.5s和2.0s；随着刻蚀深度逐渐加深，钝化步骤的执行时间保持1.5s不变，刻蚀步骤的执行时间由2s线性渐变至6s，工艺执行时间如图3所示。150个循环执行完成后，将硅片取出并检查通孔的刻蚀情况，计算刻蚀速率；
根据剩余硅材料的厚度设置Bosch工艺的循环个数，钝化和刻蚀的执行时间分别设置为1.5s和6.0s保持不变。
(5)去除硅片正面剩余的掩膜层和硅片背面的支撑层。
如果硅片正面的掩膜层材料和背面的支撑层材料相同，可以利用相同的溶液同时进行去除。掩膜层和支撑层为光刻胶时，使用有机溶剂去除；二者为介质膜时，使用介质膜腐蚀液(BOE腐蚀液(HF：NH4F：H2O＝3ml:5g:7.83ml))去除；二者为金属膜时，采用相应的金属腐蚀液去除。如果硅片正面的掩膜层材料和背面的支撑层材料不同，按照先正面后背面的顺序利用相应的溶液去除。
(6)将处理完成的硅片进行标准清洗。
本发明通孔刻蚀方法可以解决刻蚀终点硅片背部氦气漏率大导致静电卡盘结构的刻蚀机刻蚀停止的问题，提高刻蚀均匀性，并避免导热油对硅片和腔体的污染，保证通孔上端和下端侧壁粗糙度的一致性。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将硅片进行标准清洗；
(2)在清洗后的硅片背面制备支撑层；
(3)在硅片的正面制备刻蚀掩膜层并进行图形化；
(4)将硅片置于静电卡盘结构的刻蚀机中，进行硅通孔刻蚀，硅片正面朝上，加工至通孔刻蚀完成；
(5)去除硅片正面剩余的掩膜层和硅片背面的支撑层；
(6)将处理完成的硅片进行标准清洗。
2.根据权利要求1所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：所述步骤(1)或步骤(6)中，进行标准清洗的过程如下：
(1.1)首先将硅片置于SC-3中，加热至150℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次；
(1.2)将经过步骤(1.1)处理的硅片置于SC-2中，温度80℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次；
(1.3)将经过步骤(1.2)处理的硅片置于SC-1中，温度80℃,浸泡15min，取出后放入清洗槽中用去离子水清洗20次，并利用甩干机进行甩干处理。
3.根据权利要求2所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：SC-1的成分以及体积比为NH4OH:H2O2:H2O＝1:1:5，SC-2的成分以及体积比为HCl:H2O2:H2O＝1:1:5，SC-3的成分以及体积比为H2SO4:H2O2＝5:1。
4.根据权利要求1所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：所述步骤(2)中，支撑层为介质膜层、金属膜层、有机材料膜层或几种材料的复合膜层。
5.根据权利要求4所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：支撑层的厚度为1μm～3μm。
6.根据权利要求1所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：所述步骤(3)中，硅片正面的刻蚀掩膜层为光刻胶、介质膜层、金属膜层或几种材料的复合膜层。
7.根据权利要求1所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：所述步骤(4)中，利用钝化和刻蚀交替进行的Bosch工艺进行硅通孔刻蚀，循环个数为150个，设置钝化和刻蚀的执行时间；随着刻蚀深度逐渐加深，钝化步骤的执行时间保持不变，刻蚀步骤的执行时间线性加长，150个循环执行完成后，将硅片取出并检查通孔的刻蚀情况，计算刻蚀速率；
根据剩余硅材料的厚度设置Bosch工艺的循环个数，钝化步骤的执行时间不变，刻蚀步骤的执行时间保持150个循环完成时的执行时间不变。
8.根据权利要求1所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：所述步骤(5)中，如果硅片正面的掩膜层材料和背面的支撑层材料相同，则利用相同的溶液同时进行去除。
9.根据权利要求1所述的一种单层硅衬底的通孔刻蚀方法，其特征在于：所述步骤(5)中，如果硅片正面的掩膜层材料和背面的支撑层材料不同，则按照先正面后背面的顺序利用相应的溶液去除。
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