深反应离子刻蚀方法及其气体流量控制装置制造方法及图纸

一种深反应离子刻蚀方法，属于半导体制造技术领域。该方法包括交替进行的刻蚀步骤和聚合物沉积步骤，所述刻蚀步骤所采用的第一工艺条件与聚合物沉积步骤所采用的第二工艺条件之间的转换通过渐变转换方式实现。使用该发明专利技术的深反应离子刻蚀方法刻蚀的深通孔的侧壁具有良好的光滑度，并且刻蚀效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制造
，具体涉及反应离子刻蚀(Reactive Icon Etching, RIE)技术，尤其涉及一种深反应离子刻蚀(De-coupled RIE，DRIE)方法及其气体 流量控制装置。
技术介绍
半导体制造
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，在体硅刻蚀技术 中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度达到几百微米、其深宽比大于10，通常采 用深反应离子刻蚀方法来刻蚀体硅形成。图1所示为现有技术深反应离子刻蚀方法示意图。现有技术中，TSV的深反应离 子刻蚀通常采用美国专利US5501893提出的Bosch工艺进行。如图1所示，其中，12为衬底 硅，11为掩膜层，13为聚合物层；掩膜层11通常为SiO2或者Si3N4，主要在刻蚀过程起掩膜 作用。具体深反应离子刻蚀方法包括以下步骤(1)刻蚀步骤，通常用41~、02、3&的混合气体 进行等离子体刻蚀，；⑵聚合物沉积步骤，通常用Ar和C4F8的混合气体在孔洞内侧面形成 氟碳聚合物层，其厚度一般在纳米级，有时也称作该聚合物层为钝化层，为使孔洞底部基本 不形成氟碳聚合物层，该步骤中一般采用相对较低较的RF(Radic) Frequency，射频)频率；刻蚀步骤和聚合物沉积步骤交替进行，直到通孔刻蚀完成，在刻蚀步骤中，由于孔洞的 内表面、尤其是孔洞内侧面沉积聚合物，垂直等离子刻蚀时，入射的离子不会对其内侧面聚 合物造成破坏侧壁得以被保护，而垂直方向入射的离子会将孔洞底部的聚合物破坏使刻蚀 反应得以向下继续，从而保证了整个孔洞刻蚀过程的各向异性。特别是在刻蚀过程中，采用 电容耦合等离子体源(Capacitive Coupled Plasma, CCP)技术，可以加快在垂直方向的刻 蚀速度，各向异性特性更好。因此通过以上所述深反应离子刻蚀技术刻蚀TSV时，具有刻蚀 速度快(一般能达到5-8 μ m/min以上)、侧壁垂直度范围在90士3度内、掩膜层与孔洞之间 的底切(undercut)小于0. 1 μ m的特点。图2所示为现有技术的气体流量控制装置的示意图。如图2所示，该气流控制装 置用于图1所示深反应离子刻蚀。101为反应离子刻蚀的腔室，其中形成等离子体，目标刻 蚀的晶圆置于腔室101中，102为通Ar气体的管路，103为通O2气体的管路，104为通SF6 气体的管路，105为通C4F8气体的管路，107为MFC (Mass Flow Control，流量控制器)，MFC 107和腔室101的之间的管路上，每个管路上分别设置一个气阀。首先MFC恒定设置每个 管路流过的气体流量，MFC恒定打开，管路102中通入定量的Ar气体，管路103中通入定量 的O2气体，管路104中通入定量SF6气体，管路105中通入定量的C4F8气体。刻蚀步骤和 聚合沉积步骤的气体变化通过管路上的气阀实现。图3所示为图1所示刻蚀步骤和聚合物沉积步骤两个过程的气体流量变换示意 图。采用图1所示深反应离子刻蚀技术刻蚀TSV时，均在同一刻蚀机台上完成，刻蚀步骤和 聚合物沉积步骤是两个不同的过程，刻蚀步骤采用的第一种工艺条件和聚合物沉积步骤采用的第二种工艺条件也在刻蚀过程中交替变换。气流流量是工艺条件中的一个因素(还 包括气压、射频功率等因素)。如图3所示，15为刻蚀步骤的气体流量，16为聚合物沉积步 骤的气体流量。例如，刻蚀步骤的气体流量参数可设置为02 IOOsccm, Ar IOOOsccm, SF6 lOOsccm，总共气体流量为1200SCCm，02、Ar与SF6的气体流量是同步瞬间关断与开启的； 聚合物沉积步骤的气体流量参数可设置为Ar IOOOsccm, C4F8 500sCCm，总共气体流量为 1500sccm,Ar与C4F8的气体流量是同步瞬间关断与开启的。为实现图3所示的气体流量变 换控制，结合图2所示，通过图2所示的气体流量控制装置，MFC 107预先设定好每个管路 通过的气体流量参数，每个管路的气体流量与开启通过管路上的阀门分别控制实现。例如 在Tl时刻，管路102、105上的阀门都关闭，腔室101中停止通入聚合物沉积步骤的其它气 体，沉积步骤停止；在T2时刻，管路102、103，104上的阀门都开启，腔室101中通入刻蚀步 骤的气体(Ar、02和SF6)；在T 3时刻，管路102,103,104上的阀门都关闭，腔室101中停 止供应刻蚀步骤的气体。以上步骤交替进行，实现图3所示的方波气体流量图形。同时需 要指出的是，其它工艺条件因素(如气压、射频功率)是和气体流量同步瞬间转换的。由以上所述可知，在刻蚀步骤中少量氧气的添加不能在侧壁形成足够的保护层所 以刻蚀步骤会在侧壁形成凹坑，然后在下一个聚合物沉积步骤中被聚合物保护，每个刻蚀 和沉积步骤交替的周期都会在侧壁形成一个凹坑，多个这种凹坑形成扇形侧壁，降低深通 孔的侧壁的光滑度。以上的工艺条件转变过程具有不连续的特点，在两个步骤之间交替处 存在反应气体切换和等离子功率等重新调节的过程，Tl至T2时间段实际上是不进行任何 作用的，这样降低了深反应离子刻蚀的效率。在电容耦合型(CCP)等离子反应腔中由于本 身等离子电离率比较低，只有现有技术US5501893中所采用的电感耦合型反应腔的电离率 的约1/100，为了获得合适的等离子密度就需要跟多的气体分子供应到反应腔中，所以采用 电容耦合型的(CCP)的气压可以达到300-800mtorr，而电感耦合型的只有约10_50mtorr。 在气体切换过程中由于CCP反应腔中气压高，在抽气能力一定情况下要比电感型反应腔多 花约10多倍的时间将原有气体排空，将下一步骤用的气体送入并达到反应所需的气压。这 一切换时间可以至少达到2秒以上，严重影响了整体的刻蚀速度。而且在刻蚀深度增加时 会出现反应速度降低的的情况，这就需要随着刻蚀深度的增加调节刻蚀参数如气流大小， 功率大小等，由于上述现有技术中的MFC是以预定气体流量参数设置的无法作相应的调 节。综上所述现有技术需要有效的方案实现在刻蚀速率与侧壁光滑度方面的平衡，特别是 应用在CCP反应腔上。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，避免深反应离子刻蚀形成深通孔过程中通孔侧壁光 滑度降低、刻蚀效率降低的问题。为解决以上技术问题，本专利技术提供的深反应离子刻蚀方法包括多个交替进行刻蚀 周期每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤和一个聚合物沉积步骤，刻蚀步骤中供应刻蚀气体与 聚合物沉积步骤供应沉积气体之间存在重叠，其中重叠时间大于整个刻蚀周期的20%。其 中刻蚀和聚合物沉积气体的供气量通过调节气体流量控制器(MFC)来实现两个气体的交 替。本专利技术适用于电容耦合型等离子反应腔。根据本专利技术提供的深反应离子刻蚀方法，其中，所述深反应离子刻蚀方法用于对体硅材料刻蚀形成深通孔。所述刻蚀步骤采用的气体包括SFf^n O2，还可以包括Ar。所述 刻蚀步骤气体流量的参数范围为300SCCm-1600SCCm，所述刻蚀步骤中的的功率的参数范围 为900瓦-4500瓦，所述刻蚀步骤的气压的参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深反应离子刻蚀方法，包括多个循环进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤和侧壁保护步骤，其特征在于：　　所述刻蚀步骤供应刻蚀反应气体，侧壁保护步骤供应侧壁保护气体，其中刻蚀气体和侧壁保护气体供应时间存在重叠，在从刻蚀步骤到侧壁保护步骤转换的重叠时间内刻蚀气体逐渐减少同时侧壁保护气体逐渐增加，其中重叠时间大于刻蚀周期时间的２０％。

【技术特征摘要】
一种深反应离子刻蚀方法，包括多个循环进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤和侧壁保护步骤，其特征在于所述刻蚀步骤供应刻蚀反应气体，侧壁保护步骤供应侧壁保护气体，其中刻蚀气体和侧壁保护气体供应时间存在重叠，在从刻蚀步骤到侧壁保护步骤转换的重叠时间内刻蚀气体逐渐减少同时侧壁保护气体逐渐增加，其中重叠时间大于刻蚀周期时间的20％。2.根据权利要求1所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述深反应离子刻蚀方 法用于对体硅材料刻蚀形成深通孔。3.根据权利要求2所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括SF6和O2。4.根据权利要求3所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述侧壁保护步骤采用 的气体包括氟碳化合物，02，CO, C02, N2之一。5.根据权利要求5所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀步骤中气体流 量的参数范围为300SCCm-1600SCCm，功率的参数范围为900瓦-4500瓦，气压的参数范围为 300-800 毫托。6.根据权利要求3所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述氟碳化合物气体包 括 C4F8。7.根据权利要求6所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述侧壁保护气体的气 体流量的参数范围为100-400SCCm，功率的参数范围为1000瓦-4500瓦，气压的参数范围为 300-800 毫托。8.根据权利要求1所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所述深反应离子刻蚀方 法用于对硅材料刻蚀形成深通孔。9.根据权利要求8所述的深反应离子刻蚀方法，其特征在于，所刻蚀步骤使用的气体 包括CF4、SF6、NF3中的一种。10.根据权利要求8...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹志尧，吴万俊，刘鹏，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]