刻蚀形成硅通孔的方法与流程

本发明涉及等离子体刻蚀方法，尤其硅通孔（TSV，即Through-Silicon Via）的等离子体刻蚀方法。

背景技术：

典型的硅通孔制作工艺通常包括多个步骤：（a）在硅基片的硅材料层上形成光刻胶图案；（b）以光刻胶图案为掩模，等离子体刻蚀硅材料层，以在硅材料层内初步形成硅通孔；（c）去除残余的光刻胶图案；（d）在无掩模保护的状态下，全局等离子体刻蚀硅材料层，以减薄硅通孔使其达到预定的高度。

上述的每一步骤都需要在特定的处理装置中执行。比如，步骤（a）通常在一光刻设备中执行；步骤（b）通常在一电感耦合等离子（ICP，Inductive Coupled Plasma）处理装置中执行；步骤（c）通常在一灰化（ashing）装置中执行；步骤（d）通常在另一等离子体处理装置中执行。也就是说，在整个硅通孔制作过程中，硅基片需要在上述不同的处理装置之间来回传送。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种刻蚀形成硅通孔的方法，该方法中的多个（本发明中，在未作特别说明时，“多个”均指的是两个或更多）相邻步骤〈这些相邻步骤（如前面列举的步骤（b）至步骤（d））在现有技术中原本需要在不同处理装置中完成〉在同一处理装置中实施，从而减少了硅基片在硅通孔制作过程中被转移的次数。

根据本发明的一个方面，提供一种在硅基片的背面刻蚀形成硅通孔的方法，包括：

将硅基片以背面朝上的方式放置于等离子体刻蚀装置的反应腔中，所述硅基片背面的硅材料层的上方形成有光刻胶图案；

以所述光刻胶图案为掩模，刻蚀下方的硅材料层，以初步形成硅通孔；

去除残余的光刻胶图案；

全局刻蚀所述硅材料层；

将硅基片移出所述反应腔。

可选的，所述反应腔内至少包括：与供气装置相连的进气区、待处理的硅基片所在的处理区，所述进气区与处理区之间设置有气体聚焦环，所述气体聚焦环的中央设置有开口，所述开口作为气体自所述进气区流通至所述处理区的通道；

所述开口的大小在硅基片的处理过程中可调节；

在所述全局刻蚀阶段所述开口的尺寸小于在所述初步形成硅通孔阶段或所述去除残余的光刻胶图案阶段所述开口的尺寸。

可选的，用于支撑硅基片的基座的周缘设置有可在竖直方向上升降的边缘环；

所述气体聚焦环的所述开口的大小可通过下面方法来调节：

需要较大的开口尺寸时，使所述边缘环保持在所述基座；

需要较小的开口尺寸时，使所述边缘环升高至某一高度，以使得所述边缘环可遮盖所述开口的一部分空间。

可选的，用于支撑硅基片的基座的周缘设置有可在竖直方向上升降的边缘环；

在所述初步形成硅通孔阶段或所述去除残余的光刻胶图案阶段，所述边缘环保持在所述基座；

在所述全局刻蚀阶段，所述边缘环保持在一明显高于基座的高度。

可选的，所述边缘环在全局刻蚀阶段中的高度比在初步形成硅通孔阶段或所述去除残余的光刻胶图案阶段中的高度高5mm-15mm。

可选的，最终形成的硅通孔大致呈上宽下窄的锥形或梯形。

可选的，以灰化的方法去除残余的光刻胶图案。

可选的，初步形成硅通孔的步骤、去除残余的光刻胶图案的步骤，以及全局刻蚀硅材料层的步骤均以等离子体刻蚀的方式来实施。

根据本发明的另一个方面，提供一种等离子体刻蚀形成硅通孔的方法，包括：

将硅基片放置于等离子体刻蚀装置的反应腔中，所述硅基片的硅材料层上方形成有光刻胶图案；所述反应腔内至少包括：与供气装置相连的进气区、待处理的硅基片所在的处理区，所述进气区与处理区之间设置有气体聚焦环，所述气体聚焦环的中央设置有开口，所述开口作为气体自所述进气区流通至所述处理区的通道；所述开口的大小在硅基片的处理过程中可调节；

在所述气体聚焦环的所述开口保持在第一尺寸的状态下，等离子体刻蚀所述硅材料层，以在所述硅材料层内初步形成硅通孔；

去除残余的光刻胶图案；

在所述气体聚焦环的所述开口保持在第二尺寸的状态下，全局刻蚀所述硅材料层，所述第二尺寸小于所述第一尺寸；

将硅基片移出所述反应腔。

可选的，用于支撑硅基片的基座的周缘设置有可在竖直方向上升降的边缘环；

所述气体聚焦环的所述开口的大小可通过下面方法来调节：

需要较大的开口尺寸时，使所述边缘环保持在所述基座；

需要较小的开口尺寸时，使所述边缘环升高至某一高度，以使得所述边缘环可遮盖所述开口的一部分空间。

根据本发明的又一个方面，提供一种等离子体刻蚀形成硅通孔的方法，包括：

将硅基片放置于等离子体刻蚀装置的反应腔中，所述硅基片的硅材料层上方形成有光刻胶图案；所述反应腔内设置有用于放置硅基片的基座，以及环绕硅基片设置的、可升降的边缘环；

在所述边缘环保持在基座处的状态下，等离子体刻蚀所述硅材料层，以在所述硅材料层内初步形成硅通孔；

去除残余的光刻胶图案；

在所述边缘环保持在一明显高于基座的高度的状态下，全局等离子体刻蚀所述硅材料层；

将硅基片移出所述反应腔。

可选的，所述边缘环在全局等离子体刻蚀步骤中的高度比在初步形成硅通孔步骤中的高度高5mm-15mm。

附图说明

图1与图2是本发明一实施例的硅通孔刻蚀装置的结构示意图；

图3是本发明另一实施例的硅通孔刻蚀装置的结构示意图；

图4至图7是本发明一实施例的刻蚀形成硅通孔的方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明等离子体刻蚀形成硅通孔的方法与硅通孔刻蚀装置进行说明。需强调的是，这里仅是示例型的阐述，不排除有其它利用本发明的实施方式。

作为一种较常见的高深宽比结构，硅通孔通常具有较大的深度（几百至上千微米），因而通常会采用刻蚀速率较快的电感耦合等离子（ICP）处理装置来实施主要的刻蚀步骤。硅通孔制作工艺的主要刻蚀步骤通常包括：局部等离子体刻蚀以初步形成硅通孔的步骤〈相当于前面所说的步骤（b）〉与全局等离子体刻蚀的步骤〈相当于前面所说的步骤（d）〉。

在上述的局部刻蚀前，通常会预先在待刻蚀的硅材料层上形成图形化的光刻胶层或硬掩膜层（该图形化的光刻胶层或硬掩膜层可被称为光刻胶图案或硬掩膜图案）。在局部刻蚀过程中，利用该图形化的光刻胶层或硬掩模层作为掩模，然后以合适的工艺气体产生等离子体并将其用到未被掩模保护的硅材料区域，从而刻蚀出硅通孔。由于通常需要图形化的光刻胶层或硬掩膜层来作为保护层，上述局部刻蚀步骤/制程在本发明的说明书中根据需要有时也会被称为图形刻蚀步骤/制程，或者掩模刻蚀步骤/制程。

在初步刻蚀出硅通孔之后，通常还需要再执行不需要掩模的全局刻蚀〈也可称之为无图形刻蚀（blanket etching）〉制程以对所形成的硅通孔进行减薄以最终形成所希望深度的硅通孔。

若利用针对掩模刻蚀制程而设计或配置的等离子体刻蚀装置，执行上述全局刻蚀制程，通常会发生基片边缘区域的刻蚀速率明显快于中央区域的情形，这将造成整个基片范围内各硅通孔结构在被减薄深度、顶部特征尺寸和底部特征尺寸等各方面的不一致，进而影响产品良率。因而，通常会在不同的刻蚀装置中分别实施上述掩模刻蚀和全局刻蚀制程；但这会造成成本的增加（因为需要购置两台不同的刻蚀装置）。

针对上述缺陷，本发明在硅通孔刻蚀装置中的反应腔内设置一开口宽度可调节的气体聚焦环，在不同的应用场景（如，全局刻蚀制程或掩模刻蚀制程）中该气体聚焦环的开口宽度可进行适应性调整，从而使得在不同的应用场景中其均可保证或改善刻蚀的均匀性。

图1与图2是本发明一实施例中的硅通孔刻蚀装置的结构示意图。该硅通孔刻蚀装置典型地为一电感耦合等离子处理装置，如图1和图2所示，其包括由各个壁围成的、气密的反应腔10。反应腔10顶部具有绝缘盖板11，底部设置有用于夹持待处理基片W的基座14。

与设置于反应腔外的供气装置（图中未示；其可包括气体源、进气管道与流量控制装置等）相连的进气口12设置在反应腔10的侧壁上，以供工艺气体进入反应腔10。在其它实施例中，进气口也可设置在绝缘盖板11上。

排气口（图中未示）通常可设置在反应腔10的底壁上。排气口可与反应腔外的排气装置（如，泵）相连，以在抽气装置的作用下使得反应后的工艺气体可持续排出，从而使得反应腔可维持在特定的气压范围内；反应后生成杂质的持续排出也可避免或降低基片遭受污染的风险。

绝缘盖板11上设置有电感耦合线圈13，该线圈13通过匹配器（图中未示）与射频源（图中未示）连接。通过在线圈13中通入射频电流产生交变的磁场，进而在反应腔10内感生出电场，将工艺气体电离生成等离子体。因而，这里的线圈13、匹配器与射频源等可被统称为等离子体产生装置。

进气口12的下方设置有内径为ΦD1的气体聚焦环16（内径ΦD1即气体聚焦环16中央区域设置的开口的宽度或直径）。气体聚集环16可由铝合金材料制成。气体聚焦环16根据其内径大小可对进气口12附近的工艺气体及其等离子体分布进行约束。

气体聚焦环16的设置使得自进气口12进入的气体以及由该气体电离产生的等离子体与中性基（radical）都必须经气体聚焦环16的开口才能到达基片表面，实现对基片的处理加工。反应后的气体以及部分来不及参与反应的气体都会自基座14周边的通道向下自排气口排出。由上述对气体流通路径的分析，可大体将反应腔10的内部空间划分为三个区域：（1）位于气体聚焦环16上方的进气区；（2）位于气体聚焦环16与基片W之间的处理区；（3）位于基片W下方的排气区。

覆盖环15设于基片W的周围，用于保护基座14免受等离子体轰击而损伤。同样设置在基片W周围、并可升降的边缘环17位于覆盖环15上方。边缘环17可为由例如陶瓷等绝缘材料制成。边缘环17具有较小（相对于气体聚焦环16的内径ΦD1而言）的内径ΦD2。在图示的实施例中，边缘环17的内径ΦD2小于基片W的直径，因而，部分边缘环17会延伸到基片W的正上方。在其它实施例中，边缘环17的内径ΦD2也可稍大于基片W的直径，这样，边缘环17即便在降至最低位置处时，也不会遮盖到基片W。

边缘环17的升降由驱动单元18驱动。驱动单元18对边缘环17的驱动以及整个刻蚀流程中的过程控制，均由一控制装置（图中未示）来控制。当需要进行全局刻蚀制程时，在控制装置的控制下，驱动单元18使边缘环17接近气体聚焦环16（如图2所示状态）。由于边缘环17内径较小，气体聚焦环16所通过的工艺气体和等离子体被限制在边缘环17范围内，由此可阻止或抑制等离子体接触基片周缘，降低基片边缘的刻蚀速率。当需要进行掩模刻蚀制程时，在控制装置的控制下，驱动单元18会使边缘环17接近基座14表面（如图1所示状态），气体聚焦环16使得工艺气体及等离子体能够在较大范围内扩散下降。

在其它实施例中，边缘环17的外径可小于或大致等于气体聚焦环16的内径ΦD1，这样，边缘环17在上升至气体聚焦环16高度时，边缘环17将不再停止于气体聚焦环16的下表面，而能够进一步进入至气体聚焦环16的开口内。在全局刻蚀制程中，将边缘环17维持在气体聚焦环16的开口内或该位置的附近，同样可实现较佳的工艺结果。

图3是本发明另一实施例中的硅通孔刻蚀装置的结构示意图。如图3所示，该硅通孔刻蚀装置包括反应腔20。反应腔20上方具有绝缘盖板21，绝缘盖板21通常为陶瓷介电材料。反应腔侧壁靠近顶部处设有用于向反应腔20内部输入工艺气体的进气口22。反应腔20底部设置有用于夹持待处理基片W的基座24（通常可为静电夹盘）。在绝缘盖板21的外侧上方配置电感耦合线圈23，通过图中未示出的射频源向线圈23提供射频电流在反应腔20内感生出电场，以此对由进气口22引入到腔室内的工艺气体进行电离并产生等离子体，以对基片W进行刻蚀等处理。此外，本实施例中，进气口22是形成在反应腔20的侧壁靠近绝缘盖板处，但在其他实施例中其也可以是形成于绝缘盖板中，本发明并不加以限制。

在基片W外周侧环绕设有环组件。如图所示，环组件可包括至少两个部分：聚焦环25a和边缘环25b。聚焦环25a围绕基片W的外周缘而固定设置，其内径大于基片W的外径，以在基片W周围提供一个相对封闭环境的同时防止对基片W边缘区域的遮蔽。边缘环25b以可移动/可升降地方式设置在聚焦环25a之上，其截面形状可以是矩形或梯形，但其内径大于聚焦环25a的内径（在图中所示实施例中，聚焦环25a的内径大致与基座24的外径相当，边缘环25b的内径明显大于基座24的外径）。因此，边缘环25b内周缘至基片W的最小水平距离要大于聚焦环25a内周缘至基片W的水平距离。当边缘环25b截面形状为矩形时，该矩形的宽度约为腔室20半径的1/4至2/3，能够达到更好的等离子体调节的效果。聚焦环25a和边缘环25b均为例如陶瓷等绝缘材料制成。边缘环25b通过支撑杆26定位于聚焦环25a的表面之上。支撑杆26较佳为沿边缘环25b的周向均匀分布为多个，如三个。每个支撑杆26的一端与边缘环25b固定连接，另一端连接驱动单元27。本实施例中，驱动单元27设于反应腔20外部，其可包含电机、气缸等设备，用于使支撑杆26与边缘环25b在垂直方向升降以使边缘环25b接近或远离基片W。具体来说，驱动单元27驱动边缘环25b在垂直方向上的第一位置和第二位置之间移动，并根据需要将边缘环25b定位于第一位置或第二位置。与前面图1与图2所对应的实施例相类似，驱动单元27对边缘环25b的驱动以及整个刻蚀流程中的过程控制，均由一控制装置（图中未示）来控制。

当边缘环25b定位于第一位置时，其接触聚焦环25a，配合该聚焦环25a共同调节基片附近的工艺气体及其等离子体的分布。具体来说，该两个部分形成一个整体的环组件，并以聚焦环25a起到主要的等离子体收敛作用，如图中实线箭头所示，边缘环25b对基片边缘的遮蔽作用非常小甚至未产生遮蔽作用，因此当边缘环25b定位于第一位置时，可进行掩模刻蚀制程，基片W表面附近的等离子体密度不易受到边缘环25b的影响，基片W边缘区域所刻蚀出的硅通孔的剖面形貌得以保证。

较佳的，如图所示，聚焦环25a具有主体部（未标示）和突出部251，该突出部251以狭窄的环形结构突出于在主体部的上表面，环绕于基片W的外周侧。边缘环25b可移动地设置在聚焦环25a的突出部251的外周侧，当其定位于第一位置时，其下表面与聚焦环25a的主体部的上表面接触，由此边缘环25b嵌入聚焦环25a，其突出于聚焦环25a的部分更少，对基片边缘等离子体的遮蔽作用也更小。更佳的，边缘环25b的上表面与突出部251的上表面平齐，如此在进行硅通孔的掩模刻蚀制程时，边缘环25b完全不对基片W边缘区域的等离子体密度产生影响。

当边缘环25b定位于第二位置时，其距离聚焦环25a主体部上表面约5~15mm，如图3中虚线箭头所示，可以有效的阻挡反应腔内的自由基对基片边缘的刻蚀，起到遮蔽或者说抑制等离子体接触基片W周缘的作用。此时通过边缘环25b能够减小基片边缘处的工艺气体及等离子体分布，降低基片边缘处的刻蚀速率，进而保证了整个基片表面的刻蚀均匀性。因此，当边缘环25b定位于第二位置时，可较佳地进行全局刻蚀制程。

为防止基片W在等离子体处理过程中飞出，突出部251可突出于基片上表面1~3mm，用于阻挡基片飞出。在其它实施例中，聚焦环25a也可以不设置突出部但整个上表面突出于基片W上表面1~3mm以防止基片飞出。

此外，反应腔20内还可进一步包括气体聚集环28，其水平设置于进气口22的下方，根据其内径大小可对进气口22附近的工艺气体及其等离子体分布进行约束。气体聚集环28可由铝合金材料制成。反应腔20内还包括绝缘环29，其环绕于基座24。聚焦环25a固定设置于绝缘环29之上并覆盖绝缘环29的上表面，由此绝缘环29可起到固定和支撑聚焦环25a的作用。其中，绝缘环29的横截面形状可以是L形或矩形，本发明并不加以限制。绝缘环29的内侧壁与基座24的外侧壁尽可能的紧密贴合，防止等离子体侵入至基座24的表面上，保护基座24免受损伤。绝缘环29可采用陶瓷或石英等绝缘材料形成。

说明一点，将边缘环25b抬升至气体聚集环28处（即边缘环25b的上表面紧贴气体聚集环28的下表面），同样可实现较佳的全局刻蚀效果。其工作的机理类似于图2实施例，这里不再赘述。

图4是依据本发明一个实施例的等离子体刻蚀形成硅通孔的方法的流程图。该方法中的相邻多个步骤可在同一等离子体处理装置中被连续执行，从而可减少基片在整个硅通孔制作过程中被转移的次数。

可先执行如图4中所示的步骤S1：形成光刻胶图案。可利用惯常使用的光刻系统来实现。形成光刻胶图案的过程通常可包括：以旋涂的方式在基片的整个表面形成一光刻胶层；对该光刻胶层进行曝光、显影，以形成具有开口的光刻胶图案。

通常都是在硅基片的正面已形成好各半导体层310（如图5所示）与各功能元件（图中未示；可以是晶体管等）后，才会开始在硅基片的背面形成硅通孔的工艺。在一个具体实施例中，如图5所示，可在硅材料层300的背面形成光刻胶图案342，光刻胶图案342内具有开口345，开口345的位置与待形成的硅通孔的位置相对应。

执行如图4中所示的步骤S2：掩模刻蚀以初步形成硅通孔。可在前面实施例所给出的任一硅通孔刻蚀装置中来实施该步骤。为获得较佳的硅通孔图案，可将对应的硅通孔刻蚀装置调节为针对掩模刻蚀制程的掩模刻蚀模式。刻蚀形成硬掩膜层图案的过程中，作为掩模的光刻胶图案通常不会被完全损耗而通常会残留一部分。

该掩模刻蚀以初步形成硅通孔的具体过程通常可包括：将硅基片以背面朝上的方式放置于刻蚀装置的反应腔中，并使该刻蚀装置处于掩模刻蚀模式；而后，在合适的反应腔环境条件（包括温度、气压等）下，通入工艺气体用以刻蚀硅材料层，从而形成初步的硅通孔。在该步骤中，通入的工艺气体的成分为针对硅材料层而设计，并对作为掩模的光刻胶图案具有极低的刻蚀速率；例如，在一个实施例中，选定的工艺气体对光刻胶图案与硅材料层的刻蚀选择比可为1:10或更低。本步刻蚀结束时，光刻胶图案通常不被完全消耗，而会残留一部分。

说明一点，“初步形成硅通孔”这一表述中，“初步”的含义仅在于表示该步骤所形成的硅通孔并不是最终的硅通孔，其在后续步骤还会被进一步加工处理（例如，以全局刻蚀的方式被整体减薄（步骤S6））。也就是说，这里的“初步”丝毫没有要限定这里所形成的硅通孔的形貌的意思。

为方便后续的填充，这里所形成的硅通孔的截面可以是上宽下窄的锥形、梯形或不规则形状。

本步刻蚀结束所获得的初步的硅通孔305的形貌可如图6中所示。

执行如图4中所示的步骤S3：去除残留的光刻胶图案。

传统的去除光刻胶的方法通常为灰化（ashing），采用的装置通常为专用的灰化装置。将表面附着有光刻胶的基片放入该专用的灰化装置内，而后通入灰化气体（如氧气），其中的部分灰化气体被电离为等离子体（plasma）、中性基（radical）等。对光刻胶灰化起作用的主要是中性基，等离子体的存在反而可能损伤已形成的半导体层与功能元件，因而，专用的灰化装置中通常设置过滤元件以拦截等离子体，而只允许灰化气体携带中性基到达光刻胶。

在本发明的一个实施例中，可不采用上述专用的灰化装置，而是继续利用上述用于完成初步硅通孔刻蚀的硅通孔刻蚀装置来执行灰化制程。即，在上述硅通孔刻蚀装置的反应腔内完成步骤S2（刻蚀以初步形成硅通孔）后，并不将硅基片移出该反应腔，而是继续利用该硅通孔刻蚀装置执行灰化制程（即，步骤S3）。具体过程可包括：通入灰化气体（如氧气）至该反应腔；利用等离子体产生装置将至少部分灰化气体电离，以形成中性基与等离子体等；使携带中性基与等离子体的灰化气体流动至硅基片背面，实现对残留光刻胶图案的灰化。灰化过程中存在的等离子体同样可抵达硅基片背面，从而可能对硅基片背面产生腐蚀作用。但是，由于硅基片背面此刻并不存在功能元件与真正起作用的半导体层，因而，硅基片背面的损伤或者缺陷并无大碍。更何况，后续对硅基片背面的减薄步骤也会同时消除该缺陷。

利用上述硅通孔刻蚀装置来实施上述灰化制程时，可令其维持在针对掩模刻蚀制程的掩模刻蚀模式，以减少刻蚀模式切换的频率。

去除残留的光刻胶图案这一步骤结束后，所获得的器件结构可如图7所示。

最后，执行如图4中所示的步骤S4：全局刻蚀以减薄硅通孔。

在一个实施例中，可继续将硅基片保持在该硅通孔刻蚀装置的该反应腔内，以完成该全局刻蚀以减薄硅通孔的步骤。为获得较佳的刻蚀形貌，可将对应的硅通孔刻蚀装置调节为针对全局刻蚀制程的全局刻蚀模式。在该步骤中，通入的工艺气体的成分为针对硅材料层而设计。

本步刻蚀结束所获得的硅通孔的深度已符合设计要求。

在上述实施例中，步骤S2到步骤S4均在同一硅通孔刻蚀装置内执行，降低了基片在加工过程中被转移的次数，从而可降低成本、提高效率。

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。