大深宽比TSV通孔分步刻蚀和侧壁修饰方法技术

本发明专利技术公开了一种大深宽比TSV通孔分步刻蚀和侧壁修饰方法，首先在P型单晶硅晶圆表面用PE?CVD方法淀积一层SiO2，并在SiO2表面涂光刻胶，曝光显影，露出需要刻蚀的二氧化硅窗口；然后用等离子干法刻蚀方法在露出的窗口处进行二氧化硅层的刻蚀，一直刻蚀至单晶硅晶圆表面；最后进行优化的多步Bosch刻蚀工艺。本发明专利技术不引入K+污染，不经高温工艺处理，具有通孔尺寸占用芯片面积小、经济效益高，与IC工艺兼容，不仅能制作出高密度、大深宽比通孔，减少通孔侧壁“扇贝”尺寸、提高侧壁平整度，降低后续侧壁绝缘工艺难度，还能提升击穿电压，增加TSV立体集成器件可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种大深宽比TSV通孔分步刻蚀和侧壁修饰方法，首先在P<100>型单晶硅晶圆表面用PE?CVD方法淀积一层SiO2，并在SiO2表面涂光刻胶，曝光显影，露出需要刻蚀的二氧化硅窗口；然后用等离子干法刻蚀方法在露出的窗口处进行二氧化硅层的刻蚀，一直刻蚀至单晶硅晶圆表面；最后进行优化的多步Bosch刻蚀工艺。本专利技术不引入K+污染，不经高温工艺处理，具有通孔尺寸占用芯片面积小、经济效益高，与IC工艺兼容，不仅能制作出高密度、大深宽比通孔，减少通孔侧壁“扇贝”尺寸、提高侧壁平整度，降低后续侧壁绝缘工艺难度，还能提升击穿电压，增加TSV立体集成器件可靠性。【专利说明】大深宽比TSV通孔分步刻蚀和侧壁修饰方法
本专利技术涉及微电子
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技术介绍
目前常用TSV通孔制作技术主要采用ICP刻蚀技术Bosch工艺实现大深宽比TSV通孔的制作。“U.S.PatentN0.5501893”专利中写道:Bosch工艺是利用钝化、刻蚀交替进行的方法进行深孔刻蚀。首先用C4F8沉积一层聚合物用于侧壁保护，然后用SF6再将聚合物与硅同时刻蚀掉。钝化、刻蚀步骤高速交替循环，最终达到各向异性的刻蚀效果。但此方法的缺点是:传统的Bosch工艺使用的SF6具有各向同性刻蚀特性，所以刻蚀过程中会横向刻蚀侧壁，从而形成微小弧度结构。经过后续数次钝化、刻蚀步骤循环，最终会形成“扇贝型”侧壁。此外，由于采用静态过程参数控制Bosch工艺，所以会造成TSV通孔上部“扇贝”结构较大，中部逐渐缩小，底部最小特征，严重影响侧壁整体平整度(参见图1)，这将对后续通孔侧壁绝缘、阻挡层/种子层制作、通孔金属化工艺产生严重影响，并造成漏电增加、耐压降低，影响立体集成器件性能和可靠性。为了解决这一问题，有相续文献研究了基于KOH湿法腐蚀形成TSV通孔和热氧化法修饰侧壁减少TSV通孔侧壁“扇贝”结构技术。KOH湿法腐蚀技术在“硅通孔互连技术的开发与应用(《中国集成电路》2007年第三期)”中介绍道:Κ0Η湿法腐蚀是利用(111)晶面自停技术形成TSV通孔。但该方法存在两个主要问题:一是由于(111)晶面和(100)晶面固有夹角的存在，TSV通孔开口会随着腐蚀深度变大而增大，使该类TSV通孔占用面积过大，经济型差；二是该工艺使用KOH作为附属液容易引入K+污染，会对CMOS工艺线造成K+污染。“一种TSV通孔形成方法和通孔修正方法(N0.201010250521) ”专利中提出用生长热氧层来消除侧壁“扇贝”结构的方法。其原理是:首先在高温(>1000°c)环境下对具有“扇贝”结构的TSV通孔进行较长时间热处理，确保氧气和侧壁“扇贝”结构充分反应，使“扇贝”结构尽可能多的氧化为Si02，然后再用HF酸漂洗去除Si02，进而减小“扇贝结构”。但此方法缺点是:一是需要较长时间的高温工艺，无法用于完成金属化工艺后的Via-last TSV工艺；二是对于SOI材料而言，利用HF酸腐蚀氧化TSV侧壁氧化的“扇贝”结构时会同时腐蚀掉埋氧层，造成TSV通孔结构在顶层硅和硅基底间形成空洞结构，后续绝缘层、阻挡层、种子层容易在此处断裂，形成隐患，基于SOI材料的器件无法采用此方法；三是对于较小孔径的TSV通孔，由于液体表面张力效应，HF酸无法进入深达数十微米通孔内部，去氧化层步骤难于实现。
技术实现思路
为了避免现有通孔制造技术不能获得较高密度、较大深宽比和较高侧壁平整度，并影响侧壁绝缘特性及器件性能的不足，本专利技术专利提出优化的多步Bosch刻蚀工艺方法，进行大深宽比TSV通孔刻蚀和侧壁修饰。与KOH湿法腐蚀法与高温热氧法相比，本专利技术方法不引入K+污染，不经高温工艺处理，具有通孔尺寸占用芯片面积小、经济效益高，与IC工艺兼容，适用于SOI材料器件立体集成应用和所有TSV工艺流程的特点。不仅能制作出高密度、大深宽比通孔，减少通孔侧壁“扇贝”尺寸、提高侧壁平整度，降低后续侧壁绝缘工艺难度，还能提升击穿电压，增加TSV立体集成器件可靠性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:I)在P〈100>型单晶硅晶圆表面用PE CVD方法淀积一层I μ m~5 μ m SiO2,并在SiO2表面涂光刻胶，曝光显影，露出需要刻蚀的二氧化硅窗口，所述的窗口图形为圆孔，孔直径5 μ m~30 μ m。2)用等离子干法刻蚀方法在露出的窗口处进行二氧化硅层的刻蚀，一直刻蚀至单晶娃晶圆表面。3)进行优化的多步Bosch刻蚀工艺，刻蚀气体使用SF6,钝化气体使用C4F8,刻蚀机台Bias、Source功率值、气体流量值、刻蚀/钝化时间比在以下每一步骤变化时均在初始值的基础上变化，所述初始值为单步Bosch刻蚀工艺参数的设定值，具体工艺步骤如下:步骤1.刻蚀通孔顶部时，C4F8流量增加初始值的1/6~1/3，SF6流量减少初始值的1/6~1/3 ;在初始值的基础上，增加钝化时间ls~2s，减少刻蚀时间lsis，Bias为初始值，Source功率值减少初始值的1/6~1/5 ;此步骤作业时间为10mirTl5min ；步骤2.刻蚀通孔中部时，气体流量值、刻蚀/钝化时间比、Source功率值改为初始值，Bias功率值增加初始值的1/5~1/4 ;此步骤作业时间20mirT30min ；步骤3.刻蚀通孔底部时，在初始值的基础上增大1/6~1/3SF6流量，减少1/6~1/3C4F8流量，增加刻蚀间ls~2s，减少钝化时间Isls ；Bias功率值增加初始值的1/4~1/2，Source功率值增加初始值的1/6~1/5 ;此步骤作业时间10mirTl5min ；步骤4.通孔刻蚀深度达到要求后，停止钝化气体C4F8保护，通入各向同性刻蚀气体SF6, SF6气体流量100sccnTl50sccm，Bias、Source功率值为初始值；此步骤作业时间30s~lmin。本专利技术的有益效果是:由于传统Bosch工艺会造成通孔顶部“扇贝”大，中部逐渐缩小，底部最小特征，所以本专利技术提出的多步优化的Bosch刻蚀工艺采用动态参数控制，随着刻蚀深度的增加，工艺参数也会相应的变化，在保证可加工高密度、深宽比约10:1的TSV通孔的同时，将TSV通孔侧壁“扇贝”结构减少到小于70nm，从而降低后续侧壁绝缘工艺的难度，解决TSV通孔顶部漏电大、耐压低问题，提升TSV通孔整体耐压(>70V)特性、减小漏电，提升立体集成器件性能。与KOH湿法腐蚀法相比，该专利技术不会引入K+污染，由于不存在各向异性腐蚀中(111)晶面和(100)晶面固有夹角，所以通孔开口不会随着刻蚀深度增加而变大，比KOH湿法腐蚀更加节省芯片面积，更具有经济效益。与高温热氧法相比，该专利技术不经高温工艺处理，避免了高温热氧法后续HF去氧化层难于实现并会对SOI材料结构造成工艺隐患的缺点，具有与传统IC工艺兼容，适用于SOI材料器件立体集成应用和所有TSV工艺流程的特点。【专利附图】【附图说明】图1是传统Bosch刻蚀工艺示意图，其中，Ca)为传统Bosch刻蚀工艺刻蚀通孔顶部示意图， (b)为传统Bosch可是工艺刻蚀通孔中部与底部示意图。图2是优化的多步Bosch刻蚀工艺流程示意图，其中，1-Si衬底，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大深宽比TSV通孔分步刻蚀和侧壁修饰方法，其特征在于包括下述步骤：1）在P型单晶硅晶圆表面用PE?CVD方法淀积一层1μm~1.5μm?SiO2，并在SiO2表面涂光刻胶，曝光显影，露出需要刻蚀的二氧化硅窗口，所述的窗口图形为圆孔，孔直径5μm~30μm；2）用等离子干法刻蚀方法在露出的窗口处进行二氧化硅层的刻蚀，一直刻蚀至单晶硅晶圆表面；3）进行优化的多步Bosch刻蚀工艺，刻蚀气体使用SF6，钝化气体使用C4F8，刻蚀机台Bias、Source功率值、气体流量值、刻蚀/钝化时间比在以下每一步骤变化时均在初始值的基础上变化，所述初始值为单步Bosch刻蚀工艺参数的设定值，具体工艺步骤如下：步骤1.刻蚀通孔顶部时，C4F8流量增加初始值的1/6~1/3，SF6流量减少初始值的1/6~1/3；在初始值的基础上，增加钝化时间1s~2s，减少刻蚀时间1s~2s，Bias为初始值，Source功率值减少初始值的1/6~1/5；此步骤作业时间为10min~15min；步骤2.刻蚀通孔中部时，气体流量值、刻蚀/钝化时间比、Source功率值改为初始值，Bias功率值增加初始值的1/5~1/4；此步骤作业时间20min~30min；步骤3.刻蚀通孔底部时，在初始值的基础上增大1/6~1/3SF6流量，减少1/6~1/3C4F8流量，增加刻蚀间1s~2s，减少钝化时间1s~2s；Bias功率值增加初始值的1/4~1/2，Source功率值增加初始值的1/6~1/5；此步骤作业时间10min~15min；步骤4.通孔刻蚀深度达到要求后，停止钝化气体C4F8保护，通入各向同性刻蚀气体SF6，SF6气体流量100sccm~150sccm，Bias、Source功率值为初始值；此步骤作业时间30s~1min。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：单光宝，刘松，孙有民，蔚婷婷，李翔，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所，
类型：发明
国别省市：