形成垂直孔的刻蚀方法及其结构与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种形成垂直孔的刻蚀方法及其结构。

背景技术：

随着半导体技术的发展，集成电路的特征尺寸不断缩小，器件互联密度不断提高。传统的二维封装已经不能满足业界的需求，因此现有技术中发展了硅通孔技术(tsv，throughsiliconvia)，其优势在于可实现短距离互联，高密度集成以及低成本，从而逐渐引领了封装技术发展的趋势。

与以往的ic封装键合和使用凸点的叠加技术不同，硅通孔技术通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间的互联，tsv能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。

目前为止，半导体后段封装所使用的刻孔工艺通常为干法刻蚀，干法刻蚀又分为三种：物理性、化学性、物理化学性。物理性刻蚀又称为溅射刻蚀，纯用物理撞击，可以做到各向异性刻蚀，但不能进行选择性刻蚀并且容易对器件产生伤害，如图1和图2所示为激光刻蚀形成tsv孔的扫描电镜图，其中图1显示为扫描电镜下激光刻蚀形成tsv孔的顶部表面形态，图2显示为图1的tsv孔的剖面形态，激光刻蚀可实现通孔的快速各向异性刻蚀，但是会在孔壁产生毛刺，同时由于激光刻蚀的能量高，容易对通孔后面的半导体器件产生伤害，造成产品良率降低。

化学性刻蚀是利用等离子体中的化学活性原子团与被刻蚀材料发生化学反应，而实现刻蚀目的，由于刻蚀的核心还是化学反应(只是不涉及溶液的气体状态)，因此刻蚀的效果和湿法刻蚀有些近似，具有较好的选择性，但是各向异性较差，且制程时间长、成本高。基于此，人们对上述两种极端过程进行折中，得到广泛应用的物理性化学刻蚀技术，兼具异性和选择性好的优点，但是也同样具有制程时间长、成本高的问题。

形成通孔的另一个要求是，需要形成的孔壁光滑无毛刺，为此，提出了形成通孔的bosch工艺，其通过刻蚀步骤与沉积步骤交替循环直至实现所需的刻蚀深度，如图3所示为使用bosch工艺形成的贝壳型通孔，此工艺下通孔的侧壁光滑度较高，但是需要较长的制程时间以及较高的成本。

为此有必要研究一种形成垂直孔的刻蚀方法，该刻蚀方法可在有效缩短形成垂直孔的制程时间，降低制程成本的同时获得孔壁光滑的垂直孔，另外，在形成垂直通孔时，该刻蚀方法还可有效避免伤害垂直通孔后的器件表面，以提高产品的良率。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形成垂直孔的刻蚀方法及其结构，用于解决现有技术中形成垂直孔的方法需要较长的制程时间、较高的制造成本或获得的垂直孔壁粗糙度高或形成垂直通孔时容易伤害垂直通孔后的器件表面的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种形成垂直孔的刻蚀方法，所述方法至少包括以下步骤：

s1：提供一半导体基板，所述半导体基板具有形成所述垂直孔的刻蚀区域；

s2：激光刻蚀步骤：预设激光刻蚀深度和激光刻蚀宽度，对所述半导体基板进行激光刻蚀，以在所述刻蚀区域形成具有第一宽度与第一深度的第一凹槽，所述第一凹槽包含粗糙的侧壁和底部；

s3：等离子体刻蚀步骤：预设等离子体刻蚀深度和等离子体刻蚀宽度，对所述第一凹槽的侧壁和底部进行等离子体刻蚀，以形成具有第二宽度与第二深度的第二凹槽，同时去除所述第一凹槽侧壁和底部的粗糙结构，以使所述第二凹槽包含光滑的侧壁和底部。

优选地，所述刻蚀方法还包括s4：重复执行由步骤s2至步骤s3组成的刻蚀周期，直至对所述刻蚀区域的刻蚀深度达到目标要求，其中，每个所述刻蚀周期中的所述激光刻蚀都是以相同的圆心进行刻蚀。

进一步地，重复执行由步骤s2至步骤s3组成的刻蚀周期1次。

进一步地，在进行第二个所述刻蚀周期时，预设所述激光刻蚀宽度小于第一个所述刻蚀周期形成的所述第二宽度。

进一步地，在进行第二个所述刻蚀周期时，预设所述激光刻蚀宽度等于第一个所述刻蚀周期的预设激光刻蚀宽度。

优选地，步骤s2与步骤s3之间，还包括对所述半导体基板的清洗步骤，以去除所述激光刻蚀步骤中产生的颗粒。

优选地，所述半导体基板上设有定位标记，在进行步骤s2时，激光刻蚀设备自动通过所述定位标记对准所述刻蚀区域。

优选地，所述半导体基板包含由硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅组成的群组中的至少一种。

优选地，所述激光刻蚀的激光源包含由波长473nm的激光源、波长532nm的激光源、波长556nm的激光源、波长635nm的激光源、波长671nm的激光源组成的群组中的至少一种。

优选地，所述等离子体刻蚀包含由反应性离子刻蚀(rie)和高密度等离子体刻蚀(hdp)组成的群组中的至少一种。

进一步地，所述垂直孔包含由通孔和盲孔组成的群组中的一种。

另外，本发明还提供一种采用如上所述的形成垂直孔的刻蚀方法制作的垂直孔结构。

如上所述，本发明的形成垂直孔的刻蚀方法及其结构，具有以下有益效果：通过先进行激光刻蚀步骤，再进行等离子体刻蚀步骤，且不需要进行光刻工艺，整体上缩短了刻蚀形成垂直孔的制程时间、降低了制造成本，同时还能保证获得的垂直孔内表面光滑，满足后续工艺要求；另外在激光刻蚀时，激光设备通过自我对准的方式与所述刻蚀区域对准，可提高工艺精度和使工艺操作简单、方便；最后，经过重复执行多个刻蚀周期后，形成的所述垂直通孔呈现宽度依次减小的结构，该结构与器件背面的金属层m接触面积小，且等离子体刻蚀能快速反应，所以对垂直通孔后的器件表面的伤害小，可有效提高产品良率。

附图说明

图1显示为现有技术中的激光刻蚀形成tsv孔的孔的顶部表面扫描电镜图。

图2显示为图1所示的激光刻蚀形成tsv孔的孔的剖面扫描电镜图。

图3显示为现有技术术中的bosch工艺形成贝壳型通孔的通孔侧面扫描电镜图。

图4显示为本发明的形成垂直孔的刻蚀方法的第一实施例的工艺流程图。

图5～图7显示为本发明的形成垂直孔的刻蚀方法的第一实施例的形成阶段示意图。

图8显示为本发明的形成垂直孔的刻蚀方法的第二实施例的工艺流程图。

图9～图14显示为本发明的形成垂直孔的刻蚀方法的第二实施例的形成阶段示意图。

图15显示为本发明的形成垂直孔的刻蚀方法在cmos图像传感器中的应用示意图。

元件标号说明

1半导体基板

11刻蚀区域

2第一凹槽

w1第一宽度

d1第一深度

21第一凹槽侧壁

22第一凹槽底部

3第二凹槽

w2第二宽度

d2第二深度

31第二凹槽侧壁

32第二凹槽底部

4垂直孔

5第三凹槽

w3第三宽度

d3第三深度

51第三凹槽侧壁

52第三凹槽底部

6第四凹槽

w4第四宽度

d4第四深度

61第四凹槽侧壁

62第四凹槽底部

7电路区

m金属层

s11～s13步骤

s21～s24步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图4至图15。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种形成垂直孔的刻蚀方法，所述方法至少包括以下步骤：

s1：提供一半导体基板，所述半导体基板具有形成所述垂直孔的刻蚀区域；

s2：激光刻蚀步骤：预设激光刻蚀深度和激光刻蚀宽度，对所述半导体基板进行激光刻蚀，以在所述刻蚀区域形成具有第一宽度与第一深度的第一凹槽，所述第一凹槽包含粗糙的侧壁和底部；

s3：等离子体刻蚀步骤：预设等离子体刻蚀深度和等离子体刻蚀宽度，对所述第一凹槽的侧壁和底部进行等离子体刻蚀，以形成具有第二宽度与第二深度的第二凹槽，同时去除所述第一凹槽侧壁和底部的粗糙结构，以使所述第二凹槽包含光滑的侧壁和底部。

为理解本发明，将在下列的描述中列举较佳的实施例，以便阐释本发明提出的技术方案。

实施例一

下面以图4所示的工艺流程并结合图5至图7所示的形成阶段示意图为实施例一，说明本发明提供的一种形成垂直孔的刻蚀方法，所述方法包括以下步骤：

如图4及图5所示，首先进行步骤1)s11，提供一半导体基板1，所述半导体基板1具有形成所述垂直孔的刻蚀区域11。

作为示例，所述半导体基板1包含由硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅组成的群组中的至少一种。可以理解的，所述半导体基板1也可以包含其他材质的材料，只要后续的激光刻蚀与等离子体刻蚀可以有效刻蚀均可。

如图4及图6所示，然后进行步骤2)s12，激光刻蚀步骤：预设激光刻蚀深度和激光刻蚀宽度，对所述半导体基板1进行激光刻蚀，以在所述刻蚀区域11形成具有第一宽度w1与第一深度d1的第一凹槽2，所述第一凹槽2包含粗糙的第一凹槽侧壁21和第一凹槽底部22。

作为示例，所述激光刻蚀的激光源包含由波长473nm的激光源、波长532nm的激光源、波长556nm的激光源、波长635nm的激光源、波长671nm的激光源组成的群组中的至少一种。

优选地，在所述半导体基板1设有定位标记，在进行本步骤时，激光刻蚀设备可自动通过所述定位标记对准所述刻蚀区域1，以提高工艺精度和使工艺操作简单、方便。

如图4及图7所示，接着进行步骤3)s13，等离子体刻蚀步骤：预设等离子体刻蚀深度和等离子体刻蚀宽度，对所述第一凹槽2的第一凹槽侧壁21和第一凹槽底部22进行等离子体刻蚀，以形成具有第二宽度w2与第二深度d2的第二凹槽3，同时去除所述第一凹槽侧壁21和底部22的粗糙结构，以使所述第二凹槽3包含光滑的第二凹槽侧壁31和第二凹槽底部32。

作为示例，在步骤12)与步骤13)之间，还包括对所述半导体基板1的清洗步骤，以去除所述激光刻蚀步骤中产生的颗粒。可选用纯水、丙酮、异丙醇、弱碱或弱酸溶液对所述半导体基板1进行清洗，也可使用其他具有清洗功能且不会腐蚀所述半导体基板1的其他溶液进行清洗。

作为示例，所述等离子体刻蚀包含由反应性离子刻蚀(rie)和高密度等离子体刻蚀(hdp)组成的群组中的至少一种。

经过步骤13)后，对所述刻蚀区域11的刻蚀深度达到目标要求，从而形成所述垂直孔4。根据具体情况，所述垂直孔4可以刻蚀为包含由通孔和盲孔组成的群组中的一种，当需要制作盲孔时，如图7所示，所述垂直孔4不穿透所述刻蚀区域11，经过等离子体刻蚀步骤去除了激光刻蚀步骤中在所述第一凹槽侧壁21和第一凹槽底部22的粗糙结构，从而形成侧壁和底部光滑的垂直孔4；当需要制作通孔时，所述垂直孔4穿透所述刻蚀区域11。本实施例提供的一种形成垂直孔的刻蚀方法，通过使用各向异性的激光刻蚀方法，由于激光刻蚀的高速率，可快速在半导体基板1上形成具有一定深度的第一凹槽2，然后结合等离子体刻蚀，去除激光刻蚀时在第一凹槽侧壁21和第一凹槽底部22产生的粗糙结构，整体上缩短了刻蚀垂直孔的制程时间、降低了制造成本，同时还可保证获得的垂直孔内表面光滑，满足后续工艺要求。另外激光刻蚀时，通过自我对准的方式与所述刻蚀区域对准，可提高工艺精度和使工艺操作简单、方便。

实施例二

下面以图8所示的工艺流程并结合图9至图14所示的形成阶段示意图为实施例二，说明本发明提供的另一种形成垂直孔的刻蚀方法，所述方法包括以下步骤：

如图8及图9所示，首先进行步骤1)s21，提供一半导体基板1，所述半导体基板1具有形成所述垂直孔的刻蚀区域11。

如图8及图10所示，然后进行步骤2)s22，激光刻蚀步骤：预设激光刻蚀深度和激光刻蚀宽度，对所述半导体基板1进行激光刻蚀，以在所述刻蚀区域11形成具有第一宽度w1与第一深度d1的第一凹槽2，所述第一凹槽2包含粗糙的第一凹槽侧壁21和第一凹槽底部22。

如图8及图11所示，接着进行步骤3)s23，等离子体刻蚀步骤：预设等离子体刻蚀深度和等离子体刻蚀宽度，对所述第一凹槽2的第一凹槽侧壁21和第一凹槽底部22进行等离子体刻蚀，以形成具有第二宽度w2与第二深度d2的第二凹槽3，同时去除所述第一凹槽侧壁21和第一凹槽底部22的粗糙结构，以使所述第二凹槽3包含光滑的第二凹槽侧壁31和第二凹槽底部32。

如图8所示，接着进行步骤4)s24，重复执行由步骤2)至步骤3)组成的刻蚀周期，直至对所述刻蚀区域11的刻蚀深度达到目标要求，其中，每个所述刻蚀周期中的所述激光刻蚀都是以相同的圆心进行刻蚀。

便于理解起见，以下描述以重复执行由步骤2)至步骤3)组成的刻蚀周期为1次为例进行详细描述。

如图8及图12所示，接着进行步骤2)s22，激光刻蚀步骤：预设激光刻蚀深度和激光刻蚀宽度，对所述半导体基板1进行激光刻蚀，以在所述刻蚀区域11形成具有第一宽度w3与第一深度d3的第三凹槽5，所述第三凹槽5包含粗糙的第三凹槽侧壁51和第三凹槽底部52。

如图12所示，在进行本刻蚀周期时，预设所述激光刻蚀宽度小于上一个所述刻蚀周期形成的所述第二凹槽3的第二宽度w2。作为一优选示例，在进行本刻蚀周期时，预设所述激光刻蚀宽度等于上一个所述刻蚀周期的预设激光刻蚀宽度。

如图8、图13所示，接着进行步骤3)s23，等离子体刻蚀步骤：预设等离子体刻蚀深度和等离子体刻蚀宽度，对所述第三凹槽5的第三凹槽侧壁51和第三凹槽底部52进行等离子体刻蚀，以形成具有第四宽度w4与第四深度d4的第四凹槽6，同时去除所述第三凹槽侧壁51和第三凹槽底部52的粗糙结构，以使所述第四凹槽6包含光滑的第四凹槽侧壁61和第四凹槽底部62。

如图13所示，通过执行上述两次刻蚀周期，达到对所述刻蚀区域11的刻蚀深度的目标要求，从而在所述半导体基板1中形成垂直盲孔4。

如图14所示，通过执行上述两次刻蚀周期，达到穿透所述刻蚀区域11的目标要求，从而在所述半导体基板1中形成垂直通孔4，所述垂直通孔4与金属层m接触。所述垂直通孔4呈同心圆结构，垂直通孔4远离金属层m的部分宽度较大，靠近金属层m的部分宽度较小。当重复执行多个所述刻蚀周期后，形成的所述垂直通孔将呈现宽度依次减小的结构，该结构与器件背面的金属层m接触面积小，且等离子体刻蚀能快速反应所述刻蚀区域11已经穿透，所以对垂直通孔4后的器件表面(金属层m)的伤害小，可有效提高产品良率。

通过以上描述，阐述了本发明提出的形成垂直孔的刻蚀方法，在使用过程中，可根据实际情况选择刻蚀周期的次数。本方法可应用在所有半导体器件领域，例如，可有效运用在cmos图像传感器的制作工艺中，如图15所示，本方法可有效运用在cmos图像传感器的电路区7，通过本方法可形成与电路区7中的金属层m互通的垂直孔4，以形成电极的互联结构。

综上所述，本发明提供一种形成垂直孔的刻蚀方法及其结构，所述方法至少包括以下步骤：s1，提供一半导体基板，所述半导体基板具有形成所述垂直孔的刻蚀区域；s2，激光刻蚀步骤：预设激光刻蚀深度和激光刻蚀宽度，对所述半导体基板进行激光刻蚀，以在所述刻蚀区域形成具有第一宽度与第一深度的第一凹槽，所述第一凹槽包含粗糙的侧壁和底部；s3，等离子体刻蚀步骤：预设等离子体刻蚀深度和等离子体刻蚀宽度，对所述第一凹槽的侧壁和底部进行等离子体刻蚀，以形成具有第二宽度与第二深度的第二凹槽，同时去除所述第一凹槽侧壁和底部的粗糙结构，以使所述第二凹槽包含光滑的侧壁和底部。本发明通过先进行激光刻蚀步骤，再进行等离子体刻蚀步骤，且不需要进行光刻工艺，整体上缩短了刻蚀形成垂直孔的制程时间、降低了制造成本，同时还能保证获得的垂直孔内表面光滑，满足后续工艺要求；另外在激光刻蚀时，激光设备通过自我对准的方式与所述刻蚀区域对准，可提高工艺精度和使工艺操作简单、方便；最后，经过重复执行多个刻蚀周期后，形成的所述垂直通孔呈现宽度依次减小的结构，该结构与器件背面的金属层m接触面积小，且等离子体刻蚀能快速反应，所以对垂直通孔后的器件表面的伤害小，可有效提高产品良率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。