一种深硅通孔刻蚀方法技术

本发明专利技术提供一种深孔硅刻蚀方法，将待处理硅片设置在等离子体处理室中，硅片表面包括图形化的掩膜层，循环交替进行的刻蚀和沉积步骤，直到形成具有目标深度的通孔，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体到反应腔对硅基片进行刻蚀并形成开口，在沉积步骤中通入氟碳化合物气体对刻蚀形成的开口侧壁进行保护,其特征在于在所述刻蚀步骤和沉积步骤之间还包括排气步骤，在排气步骤中停止通入刻蚀气体或沉积气体。利用本发明专利技术方法能够防止刻蚀通孔弧形侧壁的产生。

【技术实现步骤摘要】
一种深硅通孔刻蚀方法
本专利技术涉及等离子体处理领域，尤其涉及一种深孔硅刻蚀方法以获得更佳的侧壁形貌。
技术介绍
半导体制造
中，在MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统）和3D封装技术等领域，通常需要对硅等材料进行深通孔刻蚀。例如，在晶体硅刻蚀技术中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度达到几百微米、其深宽比甚至远大于30，通常采用深反应离子刻蚀方法来刻蚀体硅形成。所述的硅材料主要是单晶硅。在完成刻蚀后还有向刻蚀形成的孔或槽中填充导体材料如铜，填充方法可以是利用化学气相沉积（CVD）或者物理气象沉积（PVD）过程。由于上述沉积的铜材料是从上向下沉积的，所以刻蚀形成的TSV孔洞开口形状最佳需要梯形开口，或者具有垂直侧壁的开口。现有典型的刻蚀技术是利用交替进行的刻蚀-沉积步骤对硅进行快速刻蚀，这一刻蚀方法又叫Bosch刻蚀法。如美国专利US5501893所描述的Bosch方法采用刻蚀和沉积步骤交替进行的方法实现对单晶硅材料层的快速且垂直向下的刻蚀。如图1a所示刻蚀气体典型的如SF6和沉积气体C4F8交替的通入反应腔中，其中刻蚀气体也可以包括其它气体如O2，沉积气体也可以包括气体氟碳化合物。图1a中在刻蚀步骤A中只有刻蚀气体通入反应腔，沉积气体停止通入反应腔，或者通入的流量小到不会对刻蚀造成影响。在刻蚀步骤完成后刻蚀气体停止通入或者流量减小到不会影响后续的沉积步骤，同时沉积气体开始通入设定的流量进入沉积步骤，如此交替往复进行刻蚀步骤和沉积步骤，直到达到刻蚀深度。其中刻蚀步骤和沉积步骤的时间长度可以根据刻蚀深度的变化而变化，典型的时间长度可以是1-9秒。在采用现有技术Bosch刻蚀法进行蚀刻时，形成的孔洞侧壁呈轻微的弧形（bowing）。如图1b所示的剖面图，刻蚀形成的孔洞在上端和下端都比中间段直径较小。其中最上端开口处的放大图如图1b所示刻蚀材料层结构包括：掩膜层110（如光刻胶PR或者SiO2），掩膜层10下方是待刻蚀的晶体硅材料层100，刻蚀形成孔洞200。这样的开口结构不利于下一步的导电材料沉积，上方较小的开口侧壁会阻挡下方孔洞内导电材料的进一步沉积，很可能会在孔洞进行导电材料填充步骤后，孔洞内仍然存在空腔。这些空腔的存在不仅会恶化导电特性甚至会造成需要导通的线路断开。通过传统Bosch刻蚀法中可调参数的调节无法消除这一不利的侧壁形貌。这就造成采用传统Bosch刻蚀法形成的孔洞在后续加工中带来问题，最终导致整个产品的废弃，造成很大的浪费与损失。所以业界需要一种简单有效的刻蚀方法改进深孔硅刻蚀方法,以消除在Bosch刻蚀法中出现的弧形侧壁。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种深孔硅刻蚀方法用于刻蚀硅基片，所述硅基片上包括一图形化的掩膜层，所述刻蚀方法包括：循环交替进行的刻蚀和沉积步骤，直到形成具有目标深度的通孔，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体到反应腔对硅基片进行刻蚀并形成开口，在沉积步骤中通入氟碳化合物气体对刻蚀形成的开口侧壁进行保护,其特征在于在所述刻蚀步骤和沉积步骤之间还包括排气步骤，在排气步骤中停止通入刻蚀气体或沉积气体，或者通入的刻蚀/沉积气体小于对应刻蚀/沉积步骤中相应刻蚀/沉积气体流量1/3，所述排气步骤时间长度大于0.5秒且小于4秒。最佳的排气步骤时间长度可以小于2秒。其中刻蚀气体包括SF6、O2，沉积步骤中包括气体C4F8。本专利技术刻蚀通孔的目标深度大于30um，在深孔硅刻蚀领域本专利技术能够体现出刻蚀孔侧壁较垂直的优点。其中排气步骤的时间长度随着通孔深度的增加而增加，以提高生产效率，同时改善侧壁形貌。其中排气步骤设置在通孔刻蚀达到到目标深度的1/3之后的刻蚀步骤和沉积步骤之间，在刻蚀通孔开口处目标深度的1/3以内的硅材料层时提高刻蚀效率。所述通孔刻蚀达到第一深度时所述排气步骤只位于排气步骤之后沉积步骤前，通孔刻蚀达到第二深度时所述排气步骤只位于沉积步骤之后刻蚀步骤前，其中第二深度大于第一深度，对应不同深度时的刻蚀通孔可以选择在刻蚀步骤-沉积步骤之间或者沉积步骤-刻蚀步骤之间添加排气步骤，能够更优化的改善侧壁形貌，而且相对每个处理步骤转换中均添加排气步骤的实施例，节约了多余排气步骤的时间。附图说明图1a为现有技术Bosch刻蚀法中刻蚀气体与沉积气体气体流量分布图；图1b为现有技术Bosch刻蚀法形成深硅通孔整体示意图；图2a为利用本专利技术提供的刻蚀方法气体流量示意图；图2b为利用本专利技术提供的刻蚀方法完成时形成深硅通孔整体示意图；具体实施方式以下结合图1～图2，通过优选的具体实施例，详细说明本专利技术。经专利技术人研究发现，采用传统的Bosch刻蚀法时会产生弧形侧壁的通孔的主要原因是：由于TSV的应用场合刻蚀通孔深度非常大，一般大于30um经常会大于100um，所以在刻蚀进行到一定深度后，反应的副产物如SiF4很难通过刻蚀形成的通孔向上扩散，也就无法被反应腔内下方的抽气装置抽走。反应副产物无法排出会导致新的反应气体SF6和C4F8无法以预期的数量到到达反应区域。比如在刻蚀深度超过整个通孔深度预定深度的1/3时，C4F8首先受反应副产物影响，部分气体未到达通孔底部就被抽气装置抽走了。由于侧壁保护不足会造成随着刻蚀深度的增加通孔口径会逐渐变大，虽然每个刻蚀-沉积的周期内通孔口径的变化很细微，但是如图1b所示在宏观上通孔中间出现逐渐膨大的结构。随着刻蚀深度的进一步增大比如超过整体深度的1/2时，刻蚀气体SF6向下扩散也受到影响，这会造成每个刻蚀步骤中刻蚀速率的减小，进而造成通孔的口径逐渐变小。最终形成如图1b所示的弧线侧壁的深硅通孔。所以预防在Bosch刻蚀法中弧形侧壁的出现最有效的解决方法是排出造成这一问题的反应副产物气体。如图2a所示，本专利技术针对上述问题产生的原因提出了本专利技术的改进方法：在传统的刻蚀步骤A和沉积步骤B中添加一个排气步骤C。在排气步骤中前一个处理步骤的气体比如刻蚀气体被排出，同时后一个处理步骤的气体比如沉积气体延迟通入的时间，直到排气步骤完成。在反应腔内残余的刻蚀气体被抽走后，刻蚀形成的通孔内的反应副产物如SiF4会被快速排出反应腔。在反应副产物被排出后即可通入下一步的反应气体C4F8等侧壁保护气体。在从沉积步骤切换回刻蚀步骤时具有相同的过程：沉积气体排出-反应副产物排出-刻蚀气体通入。沉积步骤到刻蚀步骤的转换过程中的排气步骤C所要排出的气体可以是反应副产物如少量SiF4，也可以包括C4F8被高能等离子体分解后产生的CF4等小分子氟碳化合物，也可以是残留在通孔中的沉积气体C4F8。在Bosch刻蚀法中不同反应气体交替循环供应，任何反应副产物或者残留在通孔内的上一个步骤反应气体都可以通过本专利技术方法被排出。本专利技术设置的排气步骤的时间长短必须足够长以保证大部分反应副产物或者上一步的残余反应气体被排出，经专利技术人研究发现0.5秒以上就能保证这些气体被可靠排出。排气时间的长度也不能太长，如时间太长会导致反应腔内气体基本被排空，在得不到上游气体流入补充的情况下气压迅速下降，反应腔内的等离子不能维持在稳定状态，有可能会熄灭。等离子体在反应腔内熄灭会带来一系列问题，如沉积气体会形成大量聚合物沉积在基片100或者掩膜层101的表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深硅通孔刻蚀方法用于刻蚀硅基片，所述硅基片上包括一图形化的掩膜层，所述刻蚀方法包括循环交替进行的刻蚀和沉积步骤，直到形成具有目标深度的通孔，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体到反应腔对硅基片进行刻蚀并形成开口，在沉积步骤中通入氟碳化合物气体对刻蚀形成的开口侧壁进行保护,其特征在于在所述刻蚀步骤和沉积步骤之间还包括排气步骤，在排气步骤中停止通入刻蚀气体或沉积气体，所述排气步骤时间长度大于0.5秒且小于4秒。

【技术特征摘要】
1.一种深硅通孔刻蚀方法用于刻蚀硅基片，所述硅基片上包括一图形化的掩膜层，所述刻蚀方法包括循环交替进行的刻蚀和沉积步骤，直到形成具有目标深度的通孔，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体到反应腔对硅基片进行刻蚀并形成开口，在沉积步骤中通入氟碳化合物气体对刻蚀形成的开口侧壁进行保护,其特征在于在所述刻蚀步骤和沉积步骤之间还包括排气步骤，在排气步骤中停止通入刻蚀气体或沉积气体，所述排气步骤时间长度大于0.5秒且小于4秒，所述通孔刻蚀达到第一深度时所述排气步骤只位于刻蚀步骤之后沉积步骤前，所述第一深度大于目标深度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：严利均，黄秋平，许颂临，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31