一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法

专利名称：一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法
技术领域：
本发明属于半导体制造技术，具体涉及一种反应离子刻蚀(Reactive IonEtching, RIE)方法，尤其涉及一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法。
背景技术：
半导体制造技术领域中，经常需要在硅衬底或者其它硅材料上构图刻蚀形成孔 洞，现有技术中，通常都是采用干法的RIE刻蚀技术、通过含F元素的气体产生F等离子 (Plasma)来刻蚀硅材料，例如，在 MEMS ((Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系 统)和3D封装技术等领域，通常需要进行体硅刻蚀形成深度达到几百微米的深硅通孔 (Through-Sil icon-Via, TSV)，深硅通孔的刻蚀采用SF6和O2的混合气体来刻蚀。现有技术反应离子刻蚀硅的方法过程中，一般都在含F气体中加入另外一种用于 与硅反应形成钝化层(Passivation)的气体，如C02、C0、02、N2等，这是为了等离子刻蚀硅的 过程中有良好的各项异性特性；以与硅反应形成钝化层的气体是CO2为例，产生的氧等离子 和C等离子可以分别和硅孔洞的硅反应生成薄层的SiC或者SiO2钝化层，同时产生的F等 离子在大功率条件下垂直轰击底部的钝化层或Si，可以对孔洞底部的Si形成快速刻蚀，而 在孔洞的侧壁，F等离子没有垂直方向的动能的作用，F等离子对钝化层的刻蚀速率很慢， 因此，在整个刻蚀过程中，横向刻蚀速率慢，具有良好的各向异性的特点。图1所示为现有技术的反应离子刻蚀硅的气体流量控制方法示意图。如图1所示， 等离子反应刻蚀的机台MFC (Mass Flow Control，大流量控制器)控制气体流量，刻蚀开始 时，功率设定在预定值，MFC控制同时向腔体中通入CO2和SF6,刻蚀过程中，CO2和SF6分别 保持预订的流量，刻蚀结束时，关断功率，同时，MFC控制停止向腔体中通入CO2 *SF6。以上 过程中，CO2和SF6的气体流量是同时导通或者同时关断的。然后，我们发现，采用图1所示的方法进行TSV刻蚀时，会具有明显的底切 (Undercut)效应和碗形效应(Bowing)，这些都是由于对侧壁的横向刻蚀造成的。进过分 析，进一步发现，如图1所示，在Tl时刻关闭气体流量时，等离子并不会马上消除，这是由于 等离子一定条件下具有一定寿命(Lifetime)，不同的等离子寿命不相同。图1中虚线所示 为残余的等离子减少的过程，它是一个渐变减少的过程。在T2时刻，氧等离子归为0，在T3 时刻F等离子归为0，可以明显发现，F等离子的寿命长于氧等离子的寿命，在T2至T 3时 间段，刻蚀机台的腔中的F等离子与硅孔洞表面的硅反应。由于T2至T3时间段，不存在氧、 碳、氮等用于钝化的等离子，不会在硅孔洞的侧壁生成SiO2等钝化层，F等离子单独作用于 Si时，刻蚀速率比较快，特别是在侧壁的刻蚀速率，因此在T2至T3时间段，F等离子对Si 的刻蚀各向同性的特性比较明显，对侧壁的刻蚀必然会造成底切效应和碗形效应。现有技术中，为减少MFC关闭后的残余的F等离子、以避免底切效应和碗形效应， 主要采用了以下两种方法(1)在MFC关闭后，采用高真空泵抽取残余的F等离子；(2)在 MFC关闭后，向腔体中通入Ar或N2等其它气体，把残余的F等离子从腔室中的硅孔洞的表 面带走。然而，第(1)种方法一般需要关闭反应离子刻蚀机台，等离子会完全熄灭，而硅的孔洞的刻蚀通常是需要多个图1所示的过程完成的，这样需要重新启动机台、设置参数，会 大大降低刻蚀的效率；第(2)种方法中通入了其它气体，容易对工艺造成波动，并且还需要 高真空泵将气体抽走，刻蚀的效率降低，并难于维持后续过程射频的稳定。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，避免由于残余的F等离子的刻蚀效果造成的底切效 应和碗形效应。为解决以上技术问题，本发明提供的用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法，采用的刻 蚀气体包括第一气体和第二气体，所述第一气体为含氟元素的气体，所述第二气体为用于 与硅反应形成钝化层的气体，其特征在于，刻蚀过程结束时，先停止通入第一气体再停止通 入第二气体。作为较佳技术方案，刻蚀过程开始时，先通入第二气体再通入第一气体。根据本发 明提供的反应离子刻蚀方法，其中，所述第一气体为SF6、CF4、CHF4、NF3之一。所述第二气体 为C02、CO、02、N2之一或者C02、CO、02、N2任意组合的混合气体。所述第二气体为C02、CO或 者CO2与CO的混合气体，所述与硅反应形成的钝化层为硅氧化合物或者碳硅化合物；所述 第二气体为O2时，所述与硅反应形成的钝化层为硅氧化合物；所述第二气体为N2时，所述与 硅反应形成的钝化层为硅氧化合物。根据本发明提供的反应离子刻蚀方法，其中，在第三时刻停止通入第一气体，在第 四时刻停止通入第二气体，第三时刻和第四时刻的时间差等于F等离子与第二气体产生的 等离子的寿命差；较佳地，第三时刻和第四时刻的时间差大于F等离子与第二气体产生的 等离子的寿命差。具体地，第三时刻和第四时刻的时间差的范围为2-10秒。所述停止通入 第二气体可以通过逐渐减少气体流量的方式，停止通入所述第二气体。刻蚀过程开始时，在 第一时刻通入第二气体，在第二时刻通入第一气体，第一时刻和第二时刻的时间差的范围 为2-10秒。根据本发明提供的反应离子刻蚀方法，其中，所述第一气体的气体流量参数范围 为100sccm-650sccm，所述第二气体的气体流量参数范围为200sccm-750sccm。所述第一气 体和第二气体的流量比为1 1.2。所述刻蚀气体还包括Ar。反应离子刻蚀过程中，气压 范围为350毫托到600毫托，射频功率为1000瓦，射频频率为60兆赫兹。。反应离子刻蚀 方法用于刻蚀硅形成深硅通孔，所述深硅通孔的刻蚀采用定态深硅刻蚀工艺。本发明的技术效果是，通过先停止通入第一气体再停止通入第二气体，延长第二 气体的通入时间，从而可以使整个过程中，残余的F等离子和第二气体所产生的等离子共 同存在，第二气体所产生的等离子可以与侧壁Si反应产生薄层钝化层，阻止残余F等离子 对侧壁Si的刻蚀，从而可以减小底切效应和碗形效应。


图1是现有技术的反应离子刻蚀硅的气体流量控制方法示意图；图2是本发明提供的反应离子刻蚀方法的第一实施例气体流量控制方法示意图；图3是本发明提供的反应离子刻蚀方法的第二实施例气体流量控制方法示意图；图4是本发明提供的反应离子刻蚀方法的第三实施例气体流量控制方法示意图5是本发明提供的反应离子刻蚀方法的第四实施例气体流量控制方法示意图；图6是本发明提供的反应离子刻蚀方法的第五实施例气体流量控制方法示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步 的详细描述。该实施方式中，以反应离子刻蚀形成TSV为例，TSV深度达到50-200 μ m，通过定 态深硅刻蚀工艺(Steady-state deep silicon etch process)的方法完成，该发明的反应 离子刻蚀方法集中在刻蚀的气体流量的控制，因此，反应离子刻蚀方法的其它参数设置，例 如，射频(RF)功率、气压、真空度等等不受本发明限制。在该实施例方式中，刻蚀过程中，气 压的范围为350毫托(mTorr)到600毫托(mTorr)，射频功率为1000W，射频频率为60MHz。 在定态深硅刻蚀工艺中是通过多刻蚀步骤完成TSV刻蚀的，在该实施例中，“刻蚀过程结束” 并不是仅指整个TSV刻蚀过程的结束，也可以指其中的某段刻蚀过程的结束。刻蚀的气体 包括含F元素的气体和用于与硅反应形成钝化层的气体，含F元素的气体可以为SF6、CF4, CHF3或NF3，用于与硅反应形成钝化层的气体可以为C02、CO、02、N2等。其中，CO2在反应离 子刻蚀过程中，可以形成C等离子和氧等离子，C等离子和氧等离子可以分别与Si反应生 成碳硅化合物(如SiC)和硅氧化合物(如SiO2) ；CO在反应离子刻蚀过程中，可以形成C 等离子和氧等离子，C等离子和氧等离子可以分别与Si反应生成碳硅化合物和硅氧化合 物；O2在反应离子刻蚀过程中，可以形成氧等离子，氧等离子可以与Si反应生成硅氧化合 物；N2在反应离子刻蚀过程中，可以形成N等离子，N等离子可以与Si反应生成硅氮化合物 (如Si3N4)。以上碳硅化合物、硅氧化合物、硅氮化合物均为钝化层，其“钝化”的概念是因 为F等离子对碳硅化合物、硅氧化合物或硅氮化合物等刻蚀时，其刻蚀速率明显慢于F等离 子对Si的刻蚀速率。具体气体的种类不受本发明限制，只要包括含F元素的气体(用于产 生F等离子对Si进行刻蚀)和用于与硅反应形成钝化层的气体即可，例如，也可以是SF6、 C02、O2三种气体的混合。当然，在具体过程中，也还可以选择通入惰性气体(如Ar)。较佳 地，在该实施方式中采用SF6气体和CO2气体混合作为刻蚀气体。以下结合各种气体流量控 制方法实施例来说明该反应离子刻蚀方法实施方式。图2所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第一实施例气体流量控制方法示 意图。如图2所示，在tl时刻，通过MFC控制，同时通入一定流量的SF6气体和CO2气体，SF6 气体和CO2气体的气体流量通过刻蚀机台预先设定的参数确定，SF6气体的流量范围可以是 200sccm-750sccm(Standard cubiccentimeter per minute,每分钟标准毫升)，SF6 气体的 流量范围可以是100sccm-650sccm，SF6气体和CO2气体的流量比为1 1. 2。在tl至t2 时段，SF6气体流量恒定在预先设定的值上，CO2气体流量恒定在预先设定的值上，在此过程 中，CO2产生的C等离子或氧等离子与Si反应生成的SiC和SiO2钝化层能大大减缓F等离 子对孔洞侧壁的刻蚀速率，但是孔洞底部的Si-O-C被加速后的等离子体轰击，钝化层无法 形成并阻止含氟刻蚀气体与底部的硅反应，所以刻蚀能够在垂直方向上向下继续而侧壁的 钝化层没有被大量离子轰击所以侧壁得到有效保护，因此具有良好的各向异性刻蚀特性。 在t2时刻，该分段刻蚀过程结束，先通过MFC停止流入SF6气体，SF6气体流量归为0，但是， 在该时刻，CO2气体继续通入。在t3时刻，停止通入CO2气体，CO2气体流量归为0。在t2时刻后，反应离子刻蚀机台的腔室中的F等离子(包括吸附在硅孔洞表面的F等离子)会慢 慢几乎归零(如图中虚线所示)，在t3时刻后，反应离子刻蚀机台的腔室中的氧等离子或C 等离子也会慢慢几乎归零(如图中虚线所示)，在该实施例中，在t4时刻同时几乎归0。t2 至t4时间段定义为F等离子的寿命，t3至t4时间段定义为氧等离子或C等离子的寿命，F 等离子的寿命长于氧等离子或C等离子的寿命，t2与t3时间段也即F等离子的寿命与C、 氧等离子寿命的差值。t2至t3时间段范围可以是2-10秒。通过以上所述方法，可以使残 余的F等离子和0、C等离子在t2至t4时间段中共同存在，0、C等离子与侧壁Si反应产生 薄层钝化层，可以阻止残余F等离子对侧壁Si的刻蚀，从而可以减小底切效应和碗形效应。图3所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第二实施例气体流量控制方法示 意图。对比图2和图3所示，该实施例与图2所示实施例的主要区别在于，MFC对于CO2关 断的控制方式，从t2时刻开始，CO2气体流量开始减少，但是直到t3时刻，CO2气体流量才归 为0。通过上述方式，SF6停止通入以后，还有CO2气体继续通入，只是以缓变的方式归为0， 通过这种方法，也可以使残余的F等离子和0、C等离子在t2至t4时间段中共同存在，0、C 等离子与侧壁Si反应产生薄层钝化层，可以阻止残余F等离子对侧壁Si的刻蚀，从而可以 减小底切效应和碗形效应。图4所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第三实施例气体流量控制方法示 意图。对比图2和图4所示，该实施例与图2所示实施例的主要区别在于，停止通入CO2的 时间点t3的选择。由于该实施例中t2至t3时间段范围相对较长，t 2至t 3时间段大于 F等离子的寿命与C、氧等离子寿命的差值，C、氧等离子至t 5时刻才归为0。通过这种方 法，同样可以使残余的F等离子和0、C等离子在t 2至t 4时间段中共同存在，0、C等离子 与侧壁Si反应产生薄层的钝化层，可以阻止残余F等离子对侧壁S i的刻蚀，从而可以减 小底切效应和碗形效应。需要指出的是，在t 4至t 5时刻之间，由于存在微量的0、C等离 子，其可以与Si反应生成薄层的钝化层，该钝化层可以用于下一硅刻蚀步骤中。这是因为， 在下一硅刻蚀步骤中，也将重复图4所示的气体流量控制过程，SF6和CO2气体是同时导通 的，如果Si表面预先存在钝化层，则可以减缓t 1时刻的F等离子对侧壁的刻蚀速率。由上 可知，与图3所示实施例相比，该实施例能进一步减小底切效应和碗形效应。在需要多次执 行上述刻蚀步骤以达到所需刻蚀深度的刻蚀流程中，本发明防止底切的效果就更明显，因 为如果没有本发明的应用从第一个刻蚀步骤到最后一个刻蚀步骤，每个刻蚀步骤之间都会 存在一定时间由于F离子寿命比钝化气体离子寿命长而产生底切，这样多次的底切会对整 个刻蚀孔洞的形状造成很大的影响。而采用本发明后大大减轻并基本消除了底切的产生。图5所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第四实施例气体流量控制方法示 意图。对比图2和图5，该实施例与图2所示实施例的主要区别在于，在刻蚀过程开始时，在 先于tl时刻的tlO时刻，通过MFC控制先通入一定流量的CO2气体，然后在tl时刻，通过 MFC控制通入一定流量的SF6气体。在t 10至t 1时间段，只存在0、C等离子，0、C等离子 通过与Si反应生成SiC和Si02钝化层；当tl时刻SF6气体导通时，由于其Si表面已经存 在钝化层，可以减缓t 1时刻的F等离子对侧壁刻蚀速率。由上可知，与图2所示实施例相 比，能进一步减小底切效应和碗形效应。图6所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第五实施例气体流量控制方法示 意图。对比图4和图6所示，该实施例与图4所示实施例的主要区别在于，在先于t 1时刻的t 10时刻，通过MFC控制先通入一定流量的CO2气体，再在t 1时刻，通过MFC控制通入 一定流量的SF6气体。因此，在tlO至tl时间段，只存在0、C等离子，0、C等离子通过与Si 反应生成SiC和SiO2钝化层；当tl时刻SF6气体导通时，由于其Si表面已经存在钝化层， 可以减缓tl时刻的F等离子对侧壁刻蚀速率。由上可知，与图4所示实施例相比，能进一 步减小底切效应和碗形效应。 在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应 当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
权利要求
一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法，采用的刻蚀气体包括第一气体和第二气体，所述第一气体为含氟元素的气体，所述第二气体为用于与硅反应形成钝化层的气体，其特征在于，刻蚀过程结束时，先停止通入第一气体再停止通入第二气体。
2.根据权利要求1所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，刻蚀过程开始时，先通入第 二气体再通入第一气体。
3.根据权利要求1或2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第一气体包括SF6、 cf4、chf4、nf3 之一。
4.根据权利要求1或2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第二气体为C02、 CO、02、N2之一或者ω2、CO、02、N2任意组合的混合气体。
5.根据权利要求4所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第二气体为C02、C0、或 者CO2与CO的混合气体时，所述与硅反应形成的钝化层为硅氧化合物或者碳硅化合物。
6.根据权利要求4所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第二气体为O2时，所述 与硅反应形成的钝化层为硅氧化合物。
7.根据权利要求4所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第二气体为N2时，所述 与硅反应形成的钝化层为硅氧化合物。
8.根据权利要求1所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，在刻蚀过程结束时，在第三 时刻停止通入第一气体，在第四时刻停止通入第二气体，第三时刻和第四时刻的时间差大 于等于F等离子与第二气体产生的等离子的寿命差。
9.根据权利要求8所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，第三时刻和第四时刻的时 间差的范围为2-10秒。
10.根据权利要求1所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，通过逐渐减少气体流量的 方式，停止通入所述第二气体。
11.根据权利要求2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，刻蚀过程开始时，在第 一时刻通入第二气体，在第二时刻通入第一气体，第一时刻和第二时刻的时间差的范围为 2-10 秒。
12.根据权利要求1所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第一气体的气体流量 参数范围为100sccm-650sccm，所述第二气体的气体流量参数范围为200sccm-750sccm。
13.根据权利要求13所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第一气体和第二气 体的流量比为1 1.2。
14.根据权利要求1或2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体还包括Ar。
15.根据权利要求1或2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，反应离子刻蚀过程中， 气压范围为350毫托到600毫托，射频功率为1000瓦，射频频率为60兆赫兹。
16.根据权利要求1或2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，反应离子刻蚀方法用 于刻蚀硅形成深硅通孔，所述深硅通孔的刻蚀采用定态深硅刻蚀工艺。
17.根据权利要求1或2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述第一气体和第二 气体的流量控制通过大流量控制器实现。
18.根据权利要求1或2所述的反应离子刻蚀方法，其特征在于，该刻蚀方法包括多个 刻蚀过程，直到达到刻蚀所需深度。
全文摘要
本发明提供一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法，属于半导体制造技术领域。在该反应离子刻蚀方法中，采用的刻蚀气体包括含氟元素的气体和与硅反应形成钝化层的气体，刻蚀过程结束时，先停止通入氟元素的气体再停止通入与硅反应形成钝化层的气体。通过该方法刻蚀硅形成的孔洞，具有相对较小的底切效应和碗形效应。
文档编号C23F1/12GK101928941SQ200910053598
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者吴万俊, 安东炫, 崔在雄, 李柯奋 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司