[发明专利]一种深孔硅刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及深孔硅(through silicon Via，TSV)刻蚀技术，尤其涉及一种深孔硅刻蚀中侧壁保护层的形成方法。

背景技术

半导体制造技术领域中，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、其深宽比远大于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Ar、O₂、SF₆的混合气体进行等离子体刻蚀，；(2)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(Radio Frequency，射频)频率；(3)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5-8μm/min以上)、侧壁垂直度范围在90±3度内、掩膜层与孔洞之间的底切(undercut)小于0.1μm的特点。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。由于刻蚀过程是等向性的，每个刻蚀步骤都会在侧壁形成凹坑，凹坑的深度与向下刻蚀的深度接近。为了防止侧壁凹坑的深度过大造成下一步处理步骤(如导体沉积)困难，所以采用传统Bosch流程的刻蚀方法每个刻蚀步骤的刻蚀深度只能控制在1um。

在聚合物沉积步骤中形成的用于侧壁保护的聚合物的厚度和成分可以进行选择，既不不能太薄无法对下一步刻蚀步骤中的侧壁进行保护又不至于太厚影响下一步的刻蚀效果。但是传统Bosch刻蚀方法存在一个无法解决的问题前几个循环形成的侧壁保护聚合物(位于刻蚀开口的上端)在不停的刻蚀-聚合物沉积的交替过程中会被逐渐破坏。刻蚀开口上端的刻蚀形状无法得到保证。为了解决聚合物在长期刻蚀中容易被破坏的问题现有技术提出了一些解决方案，有在刻蚀进行到一定时间后再进行一次额外的聚合物沉积步骤以强化侧壁的保护。也有在刻蚀进行到一定时候利用大量O2将侧壁的聚合物氧化分解掉，进一步的将刻蚀形成的沟槽或通孔侧壁暴露出来的晶体硅氧化形成SiO2。但是用氧气分解聚合物并形成侧壁保护的过程不仅时间长而且氧化硅形成的条件不易控制。氧气要与侧壁及底部的硅快速反应，除了要形成等离子体外，还需要额外的光线如紫外线(UV)照射或者加热来使氧更有活性。由于需要使氧原子向晶体硅内扩散形成氧化硅，所以即使形成了氧化硅保护层，其厚度也不易控制，且过程缓慢。

综上所述现有技术需要有效的方案实现在刻蚀速率与保护方面的平衡，使得深孔硅刻蚀能在向下刻蚀过程中侧壁能够获得持续、有效的保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，避免深贵通孔刻蚀过程中通孔侧壁光滑度降低、刻蚀效率降低的问题。