[發明專利]一種深孔硅刻蝕方法

有效

• 申請號: 201010280087.4
• 申請日: 2010-09-14
• 公開（公告）號: CN102398887A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 凱文·皮爾斯
• 申請（專利權）人: 中微半導體設備(上海)有限公司
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 王潔

技術領域

本發明屬于半導體制造技術領域，具體涉及深孔硅(through?silicon?Via，TSV)刻蝕技術，尤其涉及一種深孔硅刻蝕中側壁保護層的形成方法。

背景技術

半導體制造技術領域中，在MEMS(Micro-Electro-Mechanical?Systems，微機電系統)和3D封裝技術等領域，通常需要對硅等材料進行深通孔刻蝕。例如，在體硅刻蝕技術中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度達到幾百微米、其深寬比遠大于10，通常采用深反應離子刻蝕方法來刻蝕體硅形成。

圖1所示為現有技術深反應離子刻蝕方法示意圖。現有技術中，TSV的深反應離子刻蝕通常采用美國專利US5501893提出的Bosch工藝進行。如圖1所示，其中，12為襯底硅，11為掩膜層，13為聚合物層；掩膜層11通常為SiO₂或者Si₃N₄，主要在刻蝕過程起掩膜作用。具體深反應離子刻蝕方法包括以下步驟：(1)刻蝕步驟，通常用Ar、O₂、SF₆的混合氣體進行等離子體刻蝕，；(2)聚合物沉積步驟，通常用Ar和C₄F₈的混合氣體在孔洞內側面形成氟碳聚合物層，其厚度一般在納米級，有時也稱作該聚合物層為鈍化層，為使孔洞底部基本不形成氟碳聚合物層，該步驟中一般采用相對較低較的RF(Radio?Frequency，射頻)頻率；(3)刻蝕步驟和聚合物沉積步驟交替進行，直到通孔刻蝕完成，在刻蝕步驟中，由于孔洞的內表面、尤其是孔洞內側面沉積聚合物，垂直等離子刻蝕時，入射的離子不會對其內側面聚合物造成破壞側壁得以被保護，而垂直方向入射的離子會將孔洞底部的聚合物破壞使刻蝕反應得以向下繼續，從而保證了整個孔洞刻蝕過程的各向異性。特別是在刻蝕過程中，采用電容耦合等離子體源(Capacitive?Coupled?Plasma，CCP)技術，可以加快在垂直方向的刻蝕速度，各向異性特性更好。因此通過以上所述深反應離子刻蝕技術刻蝕TSV時，具有刻蝕速度快(一般能達到5-8μm/min以上)、側壁垂直度范圍在90±3度內、掩膜層與孔洞之間的底切(undercut)小于0.1μm的特點。在刻蝕步驟中少量氧氣的添加不能在側壁形成足夠的保護層所以刻蝕步驟會在側壁形成凹坑，然后在下一個聚合物沉積步驟中被聚合物保護，每個刻蝕和沉積步驟交替的周期都會在側壁形成一個凹坑，多個這種凹坑形成扇形側壁，降低深通孔的側壁的光滑度。由于刻蝕過程是等向性的，每個刻蝕步驟都會在側壁形成凹坑，凹坑的深度與向下刻蝕的深度接近。為了防止側壁凹坑的深度過大造成下一步處理步驟(如導體沉積)困難，所以采用傳統Bosch流程的刻蝕方法每個刻蝕步驟的刻蝕深度只能控制在1um。

在聚合物沉積步驟中形成的用于側壁保護的聚合物的厚度和成分可以進行選擇，既不不能太薄無法對下一步刻蝕步驟中的側壁進行保護又不至于太厚影響下一步的刻蝕效果。但是傳統Bosch刻蝕方法存在一個無法解決的問題前幾個循環形成的側壁保護聚合物(位于刻蝕開口的上端)在不停的刻蝕-聚合物沉積的交替過程中會被逐漸破壞。刻蝕開口上端的刻蝕形狀無法得到保證。為了解決聚合物在長期刻蝕中容易被破壞的問題現有技術提出了一些解決方案，有在刻蝕進行到一定時間后再進行一次額外的聚合物沉積步驟以強化側壁的保護。也有在刻蝕進行到一定時候利用大量O2將側壁的聚合物氧化分解掉，進一步的將刻蝕形成的溝槽或通孔側壁暴露出來的晶體硅氧化形成SiO2。但是用氧氣分解聚合物并形成側壁保護的過程不僅時間長而且氧化硅形成的條件不易控制。氧氣要與側壁及底部的硅快速反應，除了要形成等離子體外，還需要額外的光線如紫外線(UV)照射或者加熱來使氧更有活性。由于需要使氧原子向晶體硅內擴散形成氧化硅，所以即使形成了氧化硅保護層，其厚度也不易控制，且過程緩慢。

綜上所述現有技術需要有效的方案實現在刻蝕速率與保護方面的平衡，使得深孔硅刻蝕能在向下刻蝕過程中側壁能夠獲得持續、有效的保護。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，避免深貴通孔刻蝕過程中通孔側壁光滑度降低、刻蝕效率降低的問題。