一种深硅刻蚀方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种深硅刻蚀方法。

背景技术：

随着MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems)被越来越广泛的应用于汽车和消费电子领域，以及硅通孔(Through Silicon Etch，简称TSV)刻蚀技术在未来封装领域的广阔前景，干法等离子体深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS加工领域及TSV技术中的主流工艺之一。

深硅刻蚀工艺相对于一般的硅刻蚀工艺的主要区别在于：其一，深硅刻蚀工艺的刻蚀深度一般在几十微米甚至上百微米，其远大于一般的硅刻蚀工艺的小于1微米的刻蚀深度；其二，为了刻蚀厚度为几十微米以上的硅片，深硅刻蚀工艺则需要更快的刻蚀速率、更高的选择比及更大的深宽比。

深硅刻蚀工艺按照刻蚀形貌一般包括深孔刻蚀工艺、深槽可以工艺和柱形刻蚀工艺等几大类型。深硅刻蚀工艺可采用Bosch工艺，如图1所示，在Bosch工艺中，整个刻蚀过程为沉积步骤101与刻蚀步骤102的交替循环，直至达到所需要的刻蚀深度。其中，沉积步骤101；沉积步骤101所采用的工艺气体通常为C₄F₈(四氟化碳)，C₄F₈在等离子状态下分解成离子态CF_x⁺基、CF_x^-基和F-基，其中CF_x⁺基和CF_x^-基与硅表面反应，形成nCF₂高分子钝化膜，如下反应式(1)和式(2)所示。

C₄F₈+e^-→CF_x⁺+CF_x^-+F^-+e^- (1)

CF_x^-→nCF₂ (2)

刻蚀步骤102所采用的工艺气体通常为SF₆(六氟化硫)，由SF₆气体电离产生F自由基以及S_xF_y等离子体，首先，F自由基与nCF₂反应刻蚀掉钝化膜，并生成挥发性气体CF₂，这一过程中，虽然F自由基参与反应并起到了一定作用，但实际上起主要作用的是S_xF_y等离子体对钝化膜的轰击。之后进行Si基材刻蚀，对Si基材的刻蚀主要是以F自由基和Si反应生成SiF_x，属于化学刻蚀，同时S_xF_y离子对Si有物理轰击作用，与F自由基刻蚀相比，S_xF_y离子的物理轰击对Si刻蚀的贡献小，因此这一过程中，起主要作用的是F自由基，如下反应式(3)、(4)、(5)所示。

SF₆+e^-→S_xF_y⁺+S_xF_y^-+F^-+e^- (3)

nCF₂⁺+F^-→CF_x^-→CF₂↑ (4)

Si+F^-→SiF_x (5)

在上述柱形刻蚀工艺过程中发现以下问题：随着刻蚀深度地逐渐增加，产生的刻蚀副产物的排出速度逐渐降低，该刻蚀副产物与参与反应的S_xF_y离子和F自由基相碰撞的概率大大增加，这会导致参与反应的离子的自由程降低，因此，离子所具有的能量降低，离子愈发难以深入刻蚀最底部参与反应，这样，对于主要以S_xF_y离子的轰击作用为主的对沉积产生的nCF₂高分子钝化膜的刻蚀，刻蚀深度越深，到达柱形最底部的离子的密度越少且能量越小，所以轰击效果显著降低，导致残留的钝化膜难以及时清除，在后续的沉积过程中不断累积，最终经过多次沉积和刻蚀交替循环后，会形成类似的“微掩膜”(micro-mask)，严重时甚至会形成硅草，如图2a和图2b所示。同时，随着刻蚀深度地不断增加，对Si基材起主要刻蚀作用的F自由基在柱形最底部的浓度逐渐降低，这导致硅柱整体刻蚀速率逐渐降低。

为解决上述刻蚀工艺中出现的硅草现象，目前采用以下两种方式：第一种，采用较高的上射频功率和下射频功率。随着刻蚀深度加深，气压逐渐降低，使得粒子获得较大的自由程，使其具有较大的能量去刻蚀沉积产生的钝化膜，这在一定程度上减弱了刻蚀深度逐渐加深对离子能量带来的不利影响，能够有效解决硅草问题，但射频功率受功率源等硬件限制，存在一定的使用上限。

第二种，在完成一个沉积/刻蚀循环后，在下一循环开始前，引入一步“底部平滑”步骤。在较低的工艺压力下，在工艺腔室中引入一定流量的含F气体，对沉积的钝化膜进行刻蚀，避免由于钝化膜残留导致的硅草现象的出现。

然而，采用上述两种方法虽然能够解决硅草现象的出现，但是在刻蚀图形的底部增加了刻蚀作用,其会带来其他技术问题：如图3所示，因为在刻蚀底部硅草的同时,刻蚀图形的顶部比刻蚀图形的底部受到的横向等离子体轰击能量更强，因此，会使得刻蚀图形的形貌成正梯形，因而造成刻蚀图形的顶部的直径尺寸损伤较为严重，即造成线宽损失严重。

技术实现要素：

本发明提供一种深硅刻蚀方法，可以降低刻蚀图形顶部的线宽损失。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种深硅刻蚀方法，其包括刻蚀步骤和沉积步骤，所述刻蚀步骤和所述沉积步骤交替循环直至刻蚀到预设深度，在所述沉积步骤中，通入沉积气体和由碳元素和氢元素组成的第一辅助气体进行沉积。

优选地，在每个循环的所述沉积步骤和所述刻蚀步骤之间，还包括：过渡步骤；在所述过渡步骤中，通入刻蚀气体和第二辅助气体进行刻蚀，所述第二辅助气体含碳元素和氟元素。

优选地，所述第二辅助气体中的碳元素和氟元素的原子个数比小于0.5。

优选地，所述第一辅助气体为C₂H₄。

优选地，所述第二辅助气体为CHF₃。

优选地，所述沉积步骤、所述刻蚀步骤和所述过渡步骤的工艺压强均随着刻蚀深度的增加在一定范围内逐渐降低。

优选地，在所述沉积步骤、所述刻蚀步骤和所述过渡步骤中，所述工艺压强的初始值的范围为50mT～200mT，结束值的范围为10mT～30mT。

优选地，在所述沉积步骤、所述刻蚀步骤和所述过渡步骤中，所述工艺压强的初始值的范围为50mT～80mT，结束值的范围为10mT～20mT。

优选地，所述沉积步骤的工艺参数包括：所述沉积气体为C₄F₈，C₄F₈的气流量范围为100sccm～200sccm，C₂H₄的气流量的范围为50sccm～100sccm；激励功率的范围为1000W～2000W；偏压功率为0W；工艺时间2s～3s。

优选地，所述过渡步骤的工艺参数包括：所述刻蚀气体为SF₆，SF₆的气流量范围为100sccm～200sccm，CHF₃的气流量的范围为50sccm～100sccm；激励功率的范围在1000W～2000W；偏压功率的范围为30W～50W；工艺时间1s～2s。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的深硅刻蚀工艺，由于在沉积步骤中还通入了碳元素和氢元素组成的第一辅助气体，这样，第一辅助气体离化后产生碳粒子、碳氢粒子，而不可能产生氟基，因此，极大提升了单位体积内碳元素和氟元素的含量比例，可有效地提高刻蚀图形的侧壁上钝化膜的生成效率，因而可使生成在刻蚀图形顶部的侧壁上的钝化膜抵挡离子的横向轰击，从而可以降低刻蚀图形顶部的线宽损失；而且还由于该碳粒子需要与沉积气体离化后的F基、硅表面反应生成钝化膜，即需要消耗掉沉积气体离化后的F基，因此，能够更有效地降低F基浓度，从而减小F基对刻蚀图形顶部的侧壁上钝化膜的影响，进一步地降低刻蚀图形顶部的线宽损失。

附图说明

图1为典型的Bosch工艺的流程图；

图2a为采用图1所示刻蚀工艺进行工艺之后的第一种刻蚀图形的电镜扫描图；

图2b为采用图1所示刻蚀工艺进行工艺之后的第二种刻蚀图形的电镜扫描图；

图3为现有的刻蚀工艺进行工艺之后的刻蚀图形的电镜扫描图；

图4为本发明实施例1提供的深硅刻蚀方法的流程图；

图5为本发明实施例2提供的深硅刻蚀方法的流程图；

图6为采用本发明实施例2提供的刻蚀工艺进行工艺之后的刻蚀图形的电镜扫描图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例提供的深硅刻蚀方法进行详细描述。

实施例1

图4为本发明实施例1提供的深硅刻蚀方法的流程图，其包括刻蚀步骤102和沉积步骤101，刻蚀步骤102和沉积步骤101交替循环直至刻蚀到预设深度，在沉积步骤101中，通入沉积气体和由碳元素和氢元素组成的第一辅助气体进行沉积。

由于在沉积步骤101中还通入了碳元素和氢元素组成的第一辅助气体，这样，第一辅助气体离化后产生碳粒子、碳氢粒子，而不可能产生氟基，因此，极大提升了单位体积内碳元素和氟元素的含量比例，可有效地提高刻蚀图形的侧壁上钝化膜的生成效率，因而可使生成在刻蚀图形顶部的侧壁上的钝化膜抵挡离子的横向轰击，从而可以降低刻蚀图形顶部的线宽损失；而且还由于该碳粒子需要与沉积气体离化后的F基、硅表面反应生成钝化膜，即需要消耗掉沉积气体离化后的F基，因此能够更有效地降低F基浓度，从而可减小F基对刻蚀图形顶部的侧壁上钝化膜的影响，进一步地降低刻蚀图形顶部的线宽损失。

在本实施例中，优选地，刻蚀步骤102和沉积步骤101的工艺压强均随着刻蚀深度的增加在一定范围内逐渐降低，由于刻蚀步骤102和沉积步骤101的工艺压强均随着刻蚀深度的增加在一定范围内逐渐降低，使得粒子获得较大的自由程，使其具有较大的能量去轰击沉积产生的聚合物，这在一定程度上减弱了刻蚀深度逐渐加深对离子能量带来的不利影响，能够有效解决硅草问题，同时并不会对选择比产生影响。

综上所述，本发明实施例提供的深硅刻蚀工艺，在保证硅柱底部没有硅草的基础上，降低硅柱顶部的线宽损失，能够获得较为垂直且底部平滑的刻蚀形貌，同时并不会对选择比产生影响。

需要在此说明的是，在本实施例中，本发明并限制第一辅助气体，只要由碳元素和氢元素组成的气体即可。

还需要说明的是，本发明采用刻蚀步骤102和沉积步骤101的工艺压强均随着刻蚀深度的增加在一定范围内逐渐降低，来避免产生硅草现象，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他工艺方法来避免硅草现象的产生，因此，可以在保证硅柱底部没有硅草的基础上，降低硅柱顶部的线宽损失，能够获得较为垂直且底部平滑的刻蚀形貌。

实施例2

图5为本发明实施例2提供的深硅刻蚀方法的流程图，请参阅图5，本发明实施例提供的深硅刻蚀方法与上述实施例1提供的深硅刻蚀方法相类似，同样包括沉积步骤101和刻蚀步骤102，由于沉积步骤101和刻蚀步骤102在上述实施例1中已经进行了详细地描述，在此不再赘述。

下面仅描述本实施例与上述实施例1的不同点。具体地，在本实施例中，在每个循环的沉积步骤101和刻蚀步骤102之间，还包括：过渡步骤103，通入刻蚀气体和第二辅助气体进行刻蚀，所述第二辅助气体含碳元素和氟元素。

由于在刻蚀过程中，刻蚀图形的侧壁上沉积的钝化膜的厚度可能分布不均匀，钝化膜的厚度较薄的区域很可能容易被横向刻蚀开(即该区域的硅表面外露)，在此情况下，借助含有碳元素和氟元素的第二辅助气体在被离化后能够及时地与外露的硅表面发生反应生成钝化膜，及时对刻蚀图形的硅侧壁进行保护，以能够获得较为垂直的刻蚀形貌。

在此说明的是，过渡步骤103必须要加在沉积步骤101与刻蚀步骤102之间，因为该过渡步骤103的前提是在沉积步骤101中刻蚀图形的侧壁上已经累积了相当的钝化膜，只有这样，过渡步骤103才能实现既刻蚀钝化膜，同时又在外露的硅表面生成钝化膜进行保护，这是因为只有在刻蚀图形的侧壁上积累一定的钝化膜之后，借助第二辅助气体才能够及时与被横向刻开的硅表面暴露点反应形成钝化膜，从而与沉积步骤形成的钝化膜组成厚度均匀的保护层。相反，若过渡步骤103设置在刻蚀步骤之后，则不会达到保护效果，这是因为在经过刻蚀步骤后，刻蚀图形的侧壁上钝化膜已经非常薄弱，硅暴露面积较大，过渡步骤103中的第二辅助气体来不及完成与较大面积的硅表面反应，刻蚀图形的侧壁就会被刻蚀气体刻蚀。

优选地，由于针对硅的刻蚀，氟基起主要作用，因此，为了避免对硅刻蚀速率的影响，借助碳元素和氟元素的原子个数比小于0.5(即小于沉积气体为C₄F₈碳元素和氟元素的原子个数比)，可以避免第二辅助气体与硅表面发生反应生成钝化膜时影响氟基的含量，进而影响刻蚀速率。

另外，优选地，过渡步骤103的工艺压强随着刻蚀深度的增加在一定范围内逐渐降低，这样，在沉积步骤101、过渡步骤103和刻蚀步骤102的工艺压强均随着刻蚀深度的增加在一定范围内逐渐降低的情况下，基于上述实施例1相同的工作原理，可以最大程度地避免硅草现象的发生。

在本实施例中，优选地，第一辅助气体为C₂H₄。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，第一辅助气体还可以为CH₄、CH₃CH₃、C₂H₂中的一种或者和C₂H₄中多种的混合后的气体。

优选地，第二辅助气体为CHF₃。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，第二辅助气体还可以为CF₄；或者，第二辅助气体为CHF₃和CF₄混合后的气体。

优选地，在沉积步骤101、刻蚀步骤102和过渡步骤103中，工艺压强的初始值的范围为50mT～200mT，结束值的范围为10mT～30mT，这样，适用的柱形刻蚀工艺的单位面积开口率的可调范围较大。

进一步优选地，在沉积步骤101、刻蚀步骤102和过渡步骤103中，工艺压强的初始值的范围为50mT～80mT，结束值的范围为10mT～20mT，这样，可以适用于单位面积开口率较小的的柱形刻蚀工艺。

具体地，沉积步骤101的工艺参数包括：沉积气体为C₄F₈，C₄F₈的气流量范围为100sccm～200sccm，C₂H₄的气流量的范围为50sccm～100sccm；激励功率的范围为1000W～2000W；偏压功率为0W；工艺时间2s～3s。

过渡步骤103的工艺参数包括：刻蚀气体为SF₆，SF₆的气流量范围为100sccm～200sccm，CHF₃的气流量的范围为50sccm～100sccm；激励功率的范围在1000W～2000W；偏压功率的范围为30W～50W；工艺时间1s～2s。

下面通过实现证明本发明实施例提供的深硅刻蚀工艺。具体地，沉积步骤101的工艺参数包括：工艺压强自60mT逐渐降低至15mT；激励功率为1200W；偏压功率为0W，C₄F₈的气流量为200sccm；C₂H₄的气流量为50sccm；工艺温度为20℃；工艺时间为2s。

过渡步骤103的工艺参数包括：工艺压强自60mT逐渐降低至15mT；激励功率为1500W；偏压功率为30W；SF₆的气流量为100sccm；CHF₃的气流量为100sccm；工艺温度为20℃；工艺时间为1s。

刻蚀步骤102的工艺参数包括：工艺压强自60mT逐渐降低至15mT；激励功率为1500W；偏压功率为30W；SF₆的气流量为200sccm；工艺温度为20℃；工艺时间为2.5s。

重复上述沉积步骤101、过渡步骤103和刻蚀步骤102共200次。

图6为采用上述刻蚀工艺进行工艺之后的刻蚀图形的电镜扫描图，请参阅图6，可以看出：刻蚀图形为硅柱，硅柱侧壁形貌垂直且平滑，因此，不仅有效降低了硅柱顶部的线宽损失，而且硅柱底部没有硅草。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。