TWI614361B - 一種矽通孔刻蝕裝置 - Google Patents

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Abstract

一種矽通孔刻蝕裝置，包括：反應腔，基座，射頻功率發生裝置和反應氣體供氣系統；所述基座設置在反應腔內， 反應氣體供氣系統供應刻蝕氣體和沉積氣體到反應腔內，射頻功率發生裝置施加射頻功率到反應腔內；待處理基片設置在所述基座上，其特徵在於所述反應氣體供氣系統包括刻蝕氣體供應管道和沉積氣體供應管道，所述刻蝕氣體供應管道通過一個刻蝕氣體閥門連接到第一反應氣體輸入端；所述沉積氣體供應管道通過一個沉積氣體閥門連接到第二反應氣體輸入端；所述刻蝕氣體供應管道聯通到一個刻蝕氣體噴口向反應腔噴入刻蝕氣體，所述沉積氣體供應管道聯通到一個沉積氣體噴口，向反應腔噴入沉積氣體。

Description

一種矽通孔刻蝕裝置
本發明相關於半導體製造技術領域，特別相關於一種深矽（TSV）通孔刻蝕裝置。
近年來，電腦、通訊、汽車電子、航空航太工業和其他消費類產品對微電子封裝提出了更高的要求，即更小、更薄、更輕、高可靠、多功能、低功耗和低成本，需要在矽晶圓上製備出許多垂直互連通孔來實現不同晶片之間的電互連，矽通孔刻蝕工藝逐漸成為微納加工領域的一個重要技術。而隨著微電子機械器件和微電子機械系統（Micro Electromechanical System，MEMS）被越來越廣泛的應用於汽車和電費電子等領域，以及TSV（Through Silicon Via）通孔刻蝕（Through Silicon Etch）技術在未來封裝領域的廣闊前景，深矽刻蝕工藝逐漸成為MEMS製造領域和TSV技術中最炙手可熱的工藝之一。
矽通孔刻蝕工藝是一種採用等離子體乾式蝕刻的深矽刻蝕工藝，相對於一般的矽刻蝕工藝，其主要區別在於：刻蝕深度遠大於一般的矽刻蝕工藝。一般的矽刻蝕工藝的刻蝕深度通常小於1μm，而深矽刻蝕工藝的刻蝕深度則為幾十微米甚至上百微米，具有很大的深寬比。因此，為獲得良好的深孔形貌，需要刻蝕去除深度為幾十甚至上百微米的矽材料，就要求深矽刻蝕工藝具有更快的刻蝕速率，更高的選擇比和更大的深寬比。為了獲得更快的刻蝕速率業界廣泛採用由博世公司（Bosch）發明交替進行刻蝕-沉積步驟的刻蝕方法，要實現博世刻蝕法需要高速交替通入刻蝕氣體和沉積氣體。刻蝕和沉積步驟轉換越快，刻蝕形成的通孔側壁的貝殼紋（scallop）粗糙度越小，所以要獲得更好側壁形貌的通孔需要更快的氣體切換速度。現有氣體切換器件中氣體閥門能夠獲得相應的切換速度，比如小於1秒，甚至能獲得低於0.5秒的切換速度。習知技術中氣體切換管路通常都是通過同一個進氣口通入反應腔的，如習知技術美國專利US6924235揭露了快速切換兩種氣體，並且在不向反應腔供氣時將反應氣體排出到抽真空泵，以維持氣體供應的穩定。 在這種需要快速切換供應氣體的場合共用一跟供氣管道會帶來嚴重的問題：前一個處理步驟遺留在管道末端的氣體會在切換進入下一個處理步驟時進入反應腔，從而影響下一個處理步驟的處理效果。比如前一個處理步驟是刻蝕步驟，管道內殘餘的刻蝕氣體混入沉積氣體會影響刻蝕通孔側壁聚合物的沉積，進而影響通孔側壁形貌。相反的沉積氣體被混入刻蝕步驟也會降低刻蝕步驟中的刻蝕速率。
所以業界需要一種新的刻蝕方法，能夠防止一個處理步驟完成後殘留在氣體管道中的反應氣體會影響下一個處理步驟的處理效果。
本發明解決的問題是防止利用博世法交替通入刻蝕和沉積氣體對矽進行刻蝕時，前一步驟在完成時殘餘在管道末端的氣體會在下一個步驟中被推送入反應腔造成處理效果受影響。
本發明提供一種矽通孔刻蝕裝置，包括：反應腔，基座，射頻功率發生裝置和反應氣體供氣系統；所述基座設置在反應腔內， 反應氣體供氣系統供應刻蝕氣體和沉積氣體到反應腔內，射頻功率發生裝置施加射頻功率到反應腔內；待處理基片設置在所述基座上，其特徵在於所述反應氣體供氣系統包括刻蝕氣體供應管道和沉積氣體供應管道，所述刻蝕氣體供應管道通過一個刻蝕氣體閥門連接到第一反應氣體輸入端；所述沉積氣體供應管道通過一個沉積氣體閥門連接到第二反應氣體輸入端；所述刻蝕氣體供應管道聯通到一個刻蝕氣體噴口向反應腔噴入刻蝕氣體，所述沉積氣體供應管道聯通到一個沉積氣體噴口，向反應腔噴入沉積氣體。所述刻蝕氣體或者沉積氣體噴口位於反應腔頂部或者位於反應腔側壁頂部，用於向待處理基片噴出刻蝕氣體。
第一反應氣體輸入端連接到第一反應氣體，所述第一反應氣體包括SF6 ；所述第二反應氣體輸入端連接到第二反應氣體，所述第二反應氣體包括C4 F8 。
其中第一反應氣體輸入端通過多個閥門或者氣體流量控制器連接到多個刻蝕氣體源。所述第一反應氣體輸入端也可以通過一個多通道閥門連接到一個或多個反應氣源，所述第二反應氣體輸入端通過所述多通道閥門連接到同樣的一個或多個反應氣源。
本發明刻蝕氣體閥門開通時，所述沉積氣體閥門關閉。
本發明還提供一種矽通孔刻蝕裝置，包括：反應腔，基座，射頻功率發生裝置和反應氣體供氣系統；所述基座設置在反應腔內， 反應氣體供氣系統供應刻蝕氣體和沉積氣體到反應腔內，射頻功率發生裝置施加射頻功率到反應腔內；待處理基片設置在所述基座上，其特徵在於所述反應氣體供氣系統包括刻蝕氣體供應管道和沉積氣體供應管道，所述刻蝕氣體供應管道通過一個刻蝕氣體閥門連接到一個共用反應氣體輸入端（10）；所述沉積氣體供應管道通過一個沉積氣體閥門連接到所述共用反應氣體輸入端；所述刻蝕氣體供應管道聯通到一個刻蝕氣體噴口向反應腔噴入刻蝕氣體，所述沉積氣體供應管道聯通到一個沉積氣體噴口，向反應腔噴入沉積氣體，多個反應氣體源通過閥門選擇性的供應反應氣體到所述共用反應氣體輸入端。
請參考圖1理解本發明矽通孔刻蝕裝置結構，本發明矽通孔刻蝕裝置包括等離子反應腔100，反應腔內包括基座120，基座內包括下電極。基座頂部固定有靜電夾盤121，靜電夾盤上設置有待處理基片，一個調節環105圍繞在靜電夾盤121或者基片122週邊，通過對調節環材料和形狀、尺寸的設計可以改善基片邊緣區域的電場分佈，實現對刻蝕均勻性的改善。反應腔100頂部包括絕緣材料製成的絕緣窗實現對反應頂部的密封。絕緣窗上方包括至少一組電感線圈，通過導線連接到一個高頻射頻電源42用於形成並維持高濃度的等離子體，高頻射頻電源輸出13Mhz的射頻電源。一個偏置射頻電源40通過導線連接到一個匹配電路50，匹配電路50內具有可變阻抗，經過匹配電路調節後的射頻能量被輸出到基座內的下電極，通過調節偏置射頻電源調節入射到基片表面的等離子體的能量大小。反應腔下方還包括一個排氣口連接到抽真空泵，抽出反應腔內的反應氣體，排氣口上還設置有氣壓控制擺閥130。反應腔頂部還包括一個反應氣體噴口，該噴口通過第一噴氣管道20和閥門V22連接到至第一反應氣體輸入端12，多個種類的氣源E1、E2、E3分別通過閥門V13、V14、V15和各自的氣體管道連接到第一反應氣體輸入端12。反應腔側壁頂部還包括一個第二反應氣體噴口，該噴口通過第二噴氣管道21通過一個切換閥門V21連接到第二反應氣體輸出端11。多個種類的氣源D1、D2分別通過閥門V11、V12和各自的氣體管道連接到第二反應氣體輸入端11。
本發明第一實施例在工作時通過控制閥門V11、V12來輸出多種氣體，在第二反應氣體輸入端11實現混合。這些混合形成的第二反應氣體可以是沉積氣體，在進入沉積步驟時開通切換閥門V21，使沉積氣體通過第二噴氣管道21從反應腔側壁頂部分佈的多個氣體噴口流入反應腔。在沉積步驟結束時閥門V21關閉，由於閥門已經被關閉，上游第二反應氣體輸入端11處高壓氣體與反應腔內低氣壓互相隔離，所以第二噴氣管道21內的殘餘沉積氣體只有少量會緩慢擴散進反應腔100，在進入下一個沉積步驟前主要殘餘氣體仍然留存在第二噴氣管道21內。在V21關閉的同時，閥門V22開通，刻蝕氣體從第一反應氣體輸入端12快速流入反應腔。完成刻蝕步驟後閥門V22被關閉，沒有來自第一反應氣體輸入端12高壓氣體推動，殘留在噴氣管道20內的刻蝕氣體也只有少量會自由擴散到反應腔，主要刻蝕氣體仍然在噴氣管道20內，直到下一次刻蝕步驟開始時閥門V22再次開通，來自氣源的高壓氣體推動殘餘氣體進入反應腔。
圖2所示是本發明第二實施例，與圖1所示的第一實施例基本相同，不同的是多種刻蝕氣體和沉積氣體V11-V14連接到共有的反應氣體輸入端10，第一噴氣管道20通過切換閥門V22連接到反應氣體輸入端10，第二噴氣管道21通過切換閥門V21連接到反應氣體輸入端10。在進行沉積步驟時V21開通，V11和V12也開通，V13、V14關閉這樣只有與沉積步驟相關的反應氣體D1、D2被通入噴氣管道21。在沉積步驟到刻蝕步驟轉換時，閥門V21關閉，同時V11和V12也關閉，閥門V21、V13、V14開通。在切換過程中沉積步驟和刻蝕步驟共用的反應氣體輸入端10內殘餘的部分氣體會被通入反應腔，可以通過改善氣體管道長度和接入端位置改善。比如縮短V21和V11、V12之間管道距離或者縮短V22和V13、V14間管道長度。閥門V21與反應氣體輸入端10的連接部靠近沉積氣體供應的閥門V11、V12遠離刻蝕氣體閥門V13、V14。這樣仍然能保證前一個處理步驟的殘餘氣體在下一個步驟開始時流入的量遠小於習知技術。
圖3所示為本發明第三實施例，與第一、二實施例具有相同的反應腔結構，在供氣網路部分具有不同的設置。反應氣體D1、D2、E1、E2通過三通閥門V11x、V12x、V13x和V14x選擇性的連接到第一反應氣體輸入端13或者第二反應氣體輸入端14。閥門V22和V21分別連接到第一反應氣體輸入端13和第二反應氣體輸入端14。V11x-V14x具有兩個輸出端，通過閥門的切換可以使一種反應氣體選擇性的聯通到沉積氣體管道或者刻蝕氣體管道，沉積氣體和刻蝕氣體可以根據工藝流程的需要選擇多種氣體成分組合。
本發明中的閥門V11-V14也可以由流量控制器MFC代替，不僅可以實現氣體開關而且能夠控制各種氣體的流量大小。為了獲得穩定的氣體流量也可以如習知技術那樣在第一實施例的第二反應氣體輸入端11上連接一個旁路閥門，使得沉積步驟結束時V21關閉，相應的旁路閥門開通，沉積氣體被通入排氣管道，或者反應區域下方空間。同樣的原理第一反應氣體輸入端12上也可以設置一個旁路開關使得刻蝕氣體在沉積步驟時被直接排放到排氣管道。
本發明除了可以用於圖1所示的電感耦合等離子反應器（ICP）外也可以應用於電容耦合的等離子反應器（CCP），這些反應器類型的選擇屬於公知技術，在此不再贅述。
本發明的刻蝕氣體和沉積氣體噴口除了實施例1-3所述的可以分別設置在通過絕緣材料窗中間和反應腔側壁頂部外也可以兩個氣體噴口設置在同一個位置，或者設置在反應腔其它位置，比如絕緣材料窗外圍的一圈噴口，只要能夠通過兩個獨立的供氣噴口向反應腔供氣的結構均屬於本發明實施結構。
以上之敘述以及說明僅為本創作之較佳實施例之說明，對於此項技術具有通常知識者當可依據以下所界定申請專利範圍以及上述之說明而作其他之修改，惟此些修改仍應是為本創作之創作精神而在本創作之權利範圍中。
10‧‧‧氣體輸入端
11‧‧‧第二反應氣體輸出端
12‧‧‧第一反應氣體輸入端
20‧‧‧第一噴氣管道
21‧‧‧第二噴氣管道
40‧‧‧偏置射頻電源
42‧‧‧高頻射頻電源
50‧‧‧匹配電路
100‧‧‧等離子反應腔
105‧‧‧調節環
120‧‧‧基座
121‧‧‧靜電夾盤
122‧‧‧基片
130‧‧‧氣壓控制擺閥
D1、D2‧‧‧氣源
E1、E2、E3‧‧‧氣源
V11、V12、V13、V14、V15‧‧‧閥門
V21‧‧‧切換閥門
V22‧‧‧閥門
V11x、V12x、V13x、V14x‧‧‧三通閥門
圖1是本發明矽通孔刻蝕裝置第一實施例的結構示意圖； 圖2是本發明矽通孔刻蝕裝置第二實施例的結構示意圖； 圖3是本發明矽通孔刻蝕裝置第三實施例的結構示意圖。
11‧‧‧第二反應氣體輸出端
12‧‧‧第一反應氣體輸入端
20‧‧‧第一噴氣管道
21‧‧‧第二噴氣管道
40‧‧‧偏置射頻電源
42‧‧‧高頻射頻電源
50‧‧‧匹配電路
100‧‧‧等離子反應腔
105‧‧‧調節環
120‧‧‧基座
121‧‧‧靜電夾盤
122‧‧‧基片
130‧‧‧氣壓控制擺閥
D1、D2‧‧‧氣源
E1、E2、E3‧‧‧氣源
V11、V12、V13、V14、V15‧‧‧閥門
V21‧‧‧切換閥門
V22‧‧‧閥門

Claims (10)

  1. 一種矽通孔刻蝕裝置，包括：反應腔，基座，射頻功率發生裝置和反應氣體供氣系統；所述基座設置在反應腔內，反應氣體供氣系統供應刻蝕氣體和沉積氣體到反應腔內，射頻功率發生裝置施加射頻功率到反應腔內，待處理基片設置在所述基座上；其特徵在於：所述反應氣體供氣系統包括刻蝕氣體供應管道和異於所述刻蝕氣體供應管道的沉積氣體供應管道，所述刻蝕氣體供應管道第一端通過一個刻蝕氣體閥門連接到第一反應氣體輸入端；所述沉積氣體供應管道第一端通過一個沉積氣體閥門連接到第二反應氣體輸入端；所述刻蝕氣體供應管道第二端聯通到一個刻蝕氣體噴口向反應腔噴入刻蝕氣體，所述沉積氣體供應管道第二端聯通到一個沉積氣體噴口，向反應腔噴入沉積氣體。
  2. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述刻蝕氣體噴口位於反應腔頂部或者位於反應腔側壁頂部，用於向待處理基片噴出刻蝕氣體。
  3. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述沉積氣體噴口位於反應腔頂部或者位於反應腔側壁頂部，用於向待處理基片噴出刻蝕氣體。
  4. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述第一反應氣體輸入端連接到第一反應氣體，所述第一反應氣體包括SF6。
  5. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述第二反應氣體輸入端連接到第二反應氣體，所述第二反應氣體包括C4F8。
  6. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述第一反應氣體輸入端通過多個閥門或者氣體流量控制器連接到多個刻蝕氣體源。
  7. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述第一反應氣體輸入 端通過一個多通道閥門連接到一個或多個反應氣源，所述第二反應氣體輸入端通過所述多通道閥門連接到所述相同的一個或多個反應氣源。
  8. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述刻蝕氣體閥門開通時，所述沉積氣體閥門關閉。
  9. 如請求項1所述矽通孔刻蝕裝置，其中所述刻蝕氣體閥門或者沉積氣體閥門開通時間小於1秒。
  10. 一種矽通孔刻蝕裝置，包括：反應腔，基座，射頻功率發生裝置和反應氣體供氣系統；所述基座設置在反應腔內，反應氣體供氣系統供應刻蝕氣體和沉積氣體到反應腔內，射頻功率發生裝置施加射頻功率到反應腔內，待處理基片設置在所述基座上；其特徵在於所述反應氣體供氣系統包括刻蝕氣體供應管道和異於所述刻蝕氣體供應管道的沉積氣體供應管道，所述刻蝕氣體供應管道通過一個刻蝕氣體閥門連接到一個共用反應氣體輸入端(10)；所述沉積氣體供應管道通過一個沉積氣體閥門連接到所述共用反應氣體輸入端；所述刻蝕氣體供應管道聯通到一個刻蝕氣體噴口向反應腔噴入刻蝕氣體，所述沉積氣體供應管道聯通到一個沉積氣體噴口，向反應腔噴入沉積氣體，多個反應氣體源通過閥門選擇性的供應反應氣體到所述共用反應氣體輸入端。
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