一种深硅通孔刻蚀方法
【专利摘要】本发明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，通入第一反应气体对硅片进行刻蚀形成具有底切形貌的开口到第一深度。然后进入交替进行刻蚀和侧壁保护的主刻蚀阶段，在完成主刻蚀阶段后形成具有基本垂直侧壁形貌的侧壁。
【专利说明】一种深硅通孔刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本发明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。
【背景技术】
[0002]半导体制造【技术领域】中，在MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems,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，深娃通孔(Through-Silicon-Via, TSV)的深度达到几百微米、其深宽比甚至远大于10，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。
[0003]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。在采用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1a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10 (如光刻胶PR)，掩膜层10下方是待刻蚀的晶体硅材料层20，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。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种深孔硅刻蚀方法使刻蚀形成的孔洞形貌更适合于后续的导电材料填充。所述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:第一刻蚀阶段，以所述图形化的掩膜层为掩膜刻蚀硅基片形成第一深度的开口，所述开口两侧侧壁的间距从顶部向下逐渐减小，在第一刻蚀阶段结束后进入主刻蚀阶段，所述主刻蚀阶段包括交替进行的刻蚀和沉积步骤，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体对硅基片进行刻蚀，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，所述主刻蚀阶段刻蚀硅基片从所述第一深度到第二深度，同时使所述第一深度处的侧壁间距增大。
[0005]其中所述图形化的掩膜层具有第一关键尺寸，在完成主刻蚀阶段后所述掩膜层具有第二关键尺寸，所述第二关键尺寸大于所述第一关键尺寸，第一关键尺寸选自4-6um，第二关键尺寸选自7-8um。[0006]第一刻蚀阶段的刻蚀气体包括SF6、C4F8、02。所述第一深度的开口上端侧壁间的间距大于所述第一关键尺寸。
[0007]其中所述的主刻蚀阶段刻蚀的第二深度大于30um。主刻蚀阶段中的刻蚀步骤通入的刻蚀气体选自SF6和NF3之一。
[0008]所述第一深度开口的侧壁间距小于1.1倍的开口上端侧壁间的间距，其中第一深度大于Ium小于6um。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1a为现有技术中刻蚀形成深硅通孔的整体剖面示意图；
[0010]图1b为现有技术中刻蚀形成深硅通孔上端的局部放大示意图；
[0011]图2为利用本发明提供的刻蚀方法在刻蚀中间过程中形成的深硅通孔上端局部放大示意图；
[0012]图3为利用本发明提供的刻蚀方法在刻蚀完成时深硅通孔上端的局部放大示意图；
[0013]图4为利用本发明提供的刻蚀方法完成刻蚀时深硅通孔上端局部的剖面图。【具体实施方式】
[0014]以下结合图2?图4，通过优选的具体实施例，详细说明本发明。
[0015]如图2所示，相对于现有技术本发明在刻蚀过程中首先进行侧壁形貌的预修正刻蚀，在进行后续的深孔硅刻蚀前先刻蚀形成一个底切形貌(undercut)，该底切带有合适尺寸，在掩膜层下表面向孔洞两侧形成具有一定深度的侧向刻蚀。掩膜层10在开口处的侧壁处具有距离D1，也就是掩膜层此时的CD尺寸为D1，刻蚀形成的孔洞的上端也就是紧贴掩膜层的开口两侧侧壁距离为D20，其中D20大于D1。具体D20大于Dl的数值可以根据整体加工工艺作调整，D20-D1的差值至少大于Ium以保证能补偿抵消后续刻蚀中形成的形貌偏移。比如D20-D1的差值可以是大于Ium小于6咖，最优的可以是2-4um。该深度的选择以能够与后续主要刻蚀阶段形成的bowing侧壁形貌相开口突出的深度相抵消为宜。在完成底切形貌的刻蚀后在硅基片上形成一个具有一定深度的开口，这个深度可以根据需要调整刻蚀工艺来选择，一般要足够大如大于2um，形成的开口在上端接触掩膜层处的两侧侧壁间距大于上方的掩膜层开口距离。开口两侧侧壁的间距从上到下逐渐减小，到底部附近的第一深度Hl处具有一个第一间距D21。在刻蚀形成底切形貌时可以采用很多种刻蚀工艺，主要是使用SF6作为刻蚀气体也可以采用NF3等刻蚀气体，其它氟碳化合物如C4F8和02作为辅助刻蚀气体。如采用上述气体在50毫托气压下，通入IOOOsccm的SF6气体，150sccm的C4F8气体以及50SCCm的02气体，上述反应气体通入反应腔后点燃等离子体，持续10秒就能形成图2所示的底切形貌。除了上述刻蚀工艺，其它很多刻蚀工艺都能够用来形成所述底切形貌如:(I)气压设定为IOOmT,通入500sccm流量的SF6气体和920sccm的02同时通入200sccm的C4F8气体持续15秒；(2)气压为150mt，通入1500sccm流量的SF6气体，和800sccm的C4F8气体以及600sccm的02持续15秒；(3)维持150mT气压，通入500sccm的 SF6、800sccm 的 02 和 900sccm 的 C4F8 维持 15s。
[0016]在形成图2中所示的底切形貌后就进入主刻蚀步骤，采用传统的深硅通孔刻蚀法如Bosch刻蚀法向下刻蚀，交替的利用刻蚀气体向下进行等向性刻蚀一定深度，然后在用碳氟化合物对整个刻蚀形成的孔洞侧壁进行保护，随后进入下一个刻蚀-侧壁保护的循环，直到刻蚀达到所需要的深度为止。其中刻蚀和沉积步骤可以在2秒以内完成一次交替以减小侧壁的粗糙程度。图2中孔洞200侧壁实际上包括大量交替刻蚀形成的凹凸交替的微小条纹，由于对本发明方法不造成影响所有图中未示出。如图2所示在以光刻胶为掩膜刻蚀下方硅的过程中光刻胶上的图形开口距离从最初的D1，也就是关键尺寸Dl (criticaldimension)开始向下刻蚀，由于工艺需要，在向下刻蚀过程中开口距离需要逐渐增大为如图3所示的最后刻蚀完成状态的D2。其中开始时Dl可以是5um，到刻蚀完成时D2可以是7um，这就要求在刻蚀过程中在掩膜层10表面的形成的聚合物沉积层不能太厚，所以刻蚀气体中C4F8的气体含量不能很高。在掩膜层10表面上聚合物层不厚的同时也会造成刻蚀形成的孔洞侧壁保护的聚合物层也不会很厚，所以会存在部分侧壁被刻蚀的现象。在刻蚀从孔洞200上部开口向下延伸过程中，上方的掩膜层开口的距离也在从Dl逐渐向D2扩展。这会造成在刻蚀上部硅材料层时掩膜开口小所以相应的刻蚀形成的孔洞直径较小，在随后进行进一步刻蚀时掩膜开口变大，相应的形成的孔洞值径变大。最终在刻蚀过程中形成了上部开口直径小而下部开口直径大这种希望看到的侧壁形貌。在应用本发明方法后，由于对侧壁形貌进行了预修正，形成了图2所示的底切形貌的开口，所以在主刻蚀步骤是在图2所示的第一深度Hl处开始向下刻蚀，在开始刻蚀时第一深度处侧壁间距仍然是D21。随着刻蚀的进行直到第二深度处整个刻蚀完成。由于上方的掩膜层在长时间的刻蚀过程中关键尺寸是在变大的，所以主刻蚀阶段仍然会出现弧形(bowing)侧壁的现象，所述弧形侧壁形貌与第一步刻蚀中形成的底切形貌互相补偿，直到完成刻蚀时会使第一深度处的侧壁间距达到D22，D22大于前述D21，而且D22与上方和下方的侧壁间距的大小接近。所以开口侧壁整体形貌基本呈垂直向下，不会对后续沉积步骤造成不亮影响。由于上述弧形侧壁形貌是逐渐形成的，所以只有在刻蚀深度足够大的时候才会比较明显，本发明刻蚀深度可以达到大于lOOum，甚至更大。当然深度大于30um时就能观测到上述弧形侧壁，通过刻蚀工艺参数的调节也可以应用本发明放止后续填充阶段的填充不完全问题。
[0017]如图3所示是才用本发明完成刻蚀时结构示意图。图4为实际应用本发明方法刻蚀获得的材料层剖面图。从图3或4可知本:发明在进行第一步形成底切形貌后再进行传统的刻蚀两者对硅材料层200的作用叠加可以消除现有技术刻蚀孔洞200开口端向内延伸的部分，这样就能防止在后续的导电材料填充过程中填充材料中形成空腔的结果。由于所述底切刻蚀形成的步骤采用传统的深孔硅刻蚀气体，而且进行的时间很短只有10秒左右，而且相对现有的系统硬件没有额外要求，所以采用本发明能够在基本不增加额外成本和时间的前题下利用简单的方法实现对侧壁形貌的修正。
[0018]本发明可以应用于电容耦合(CCP)型等离子处理装置或者电感耦合型(ICP)等离子处理装置
[0019]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一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 第一刻蚀阶段，以所述图形化的掩膜层为掩膜刻蚀硅基片形成第一深度(Hl)的开口，所述开口两侧侧壁的间距从顶部向下逐渐减小，且在第一深度处具有第一侧壁间距(D21)， 在第一刻蚀阶段结束后进入主刻蚀阶段，所述主刻蚀阶段包括交替进行的刻蚀和沉积步骤，在刻蚀步骤中通入刻蚀气体对硅基片进行刻蚀，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，所述主刻蚀阶段，所述开口从所述第一深度刻蚀到第二深度，同时使所述第一深度处的第一侧壁间距增大到第二间距(D22)。
2.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述图形化的掩膜层在第一刻蚀阶段具有第一关键尺寸，在完成主刻蚀阶段后所述掩膜层具有第二关键尺寸，所述第二关键尺寸大于所述第一关键尺寸。
3.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段的刻蚀气体包括SF6、C4F8、02。
4.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述的主刻蚀阶段刻蚀的第二深度大于 30um。
5.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀阶段中的刻蚀步骤通入的刻蚀气体选自SF6和NF3之一。
6.如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段形成的第一深度开口上端侧壁间的间距(D20)大于所述第一关键尺寸(Dl) Ium以上。
7.如权利要求6所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段形成的第一深度开口上端侧壁间的间距大于所述第一关键尺寸，且差值大于Ium小于6um。
8.如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于所述第一关键尺寸选自4-6um，第二关键尺寸选自7-8um。
9.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一深度开口的下段侧壁间距小于1.1倍的开口上端侧壁间的间距。
10.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一深度大于2um。
【文档编号】H01L21/768GK103811408SQ201210445649
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月8日 优先权日:2012年11月8日
【发明者】黄秋平, 许颂临 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司