一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法與流程

本發明涉及半導體設備制造領域中的硅晶體各向異性刻蝕深度的方法，具體涉及一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法。

背景技術：

博世刻蝕（Bosch Process）廣泛應用于TSV （through silicon via）制造領域，主要由于Bosch Process的高硅刻蝕率、掩膜的選擇性，用于3-D集成電路、3-D包裝應用。然而，特別是在高壓刻蝕工藝如深孔硅的刻蝕中，在刻蝕孔側壁上從頂部到底部鈍化的不均勻性。當刻蝕氣體及沉積氣體快速交換時，由于沉積氣體具有極低的停留時間，沉積率在通道頂部較高，隨著刻蝕通孔的向下延伸，只有較少的沉積氣體能夠到達底部。因此，在Bosch Process中，會由于鈍化層分布不一致，很容易地在通道側壁形成具有類似孔、洞或條紋形狀，使得側壁粗糙不平。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法，通過對被刻蝕硅在每次刻蝕前進行兩次鈍化，并且第一鈍化步驟是在高壓條件下進行，第二鈍化步驟是在低壓高偏置功率的條件下進行；通過第一鈍化步驟能夠確保聚合物快速地分布在被刻蝕硅的開口側壁上，通過第二鈍化步驟能夠確保聚合物均勻地分布在被刻蝕硅的開口底部。本發明公開的一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法，通過在每次刻蝕錢進行兩次鈍化，能夠確保聚合物均勻分布在被刻蝕硅的開口側壁、底部，從而確保刻蝕后的硅側壁不會出現條紋狀或洞狀的粗糙面，提高了刻蝕后的硅的側壁光滑度。

為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法，該方法包含多個重復執行的刻蝕周期，每個刻蝕周期包括：

S1，刻蝕步驟，對硅進行刻蝕，在硅表面形成開口；

S2，第一鈍化步驟，在所述開口內充入聚合物氣體，對該開口進行第一次鈍化；

在第一鈍化步驟內，所述等離子處理裝置內的上述混合氣體具有所述第二氣壓處的同時，該等離子處理裝置施加一個第二偏壓功率后進行第一次鈍化處理，使得所述開口側壁上部的聚合物多于開口底部的聚合物；

S3，第二鈍化步驟；

在第二鈍化步驟內，上述混合氣體具有第三氣壓的同時，所述等離子處理裝置施加一個第三偏壓功率，使得所述開口側壁底部的聚合物能夠多于開口頂部的聚合物；

其中，第二氣壓大于所述第三氣壓，第二偏壓功率小于第三偏壓功率；

S4，重復執行步驟S1-S3，直至對硅的刻蝕深度達到目標要求。

所述步驟S1包含：

將等離子處理裝置內充滿處理氣體，采用第一氣壓、第一偏壓功率，利用所述處理氣體在硅表面進行刻蝕形成所述開口。

所述第一鈍化步驟周期的時長大于所述第二鈍化步驟周期的時長。

所述混合氣體中稀釋氣體用于促進該混合氣體中聚合物氣體擴散及均勻地分布在所述開口的內壁及底部，并促進所述第一鈍化步驟、所述第二鈍化步驟的進行。

所述混合氣體中聚合物氣體為碳氟化物氣體。

所述第三偏壓功率為脈沖偏置功率，該第三偏壓功率能夠允許高的尖峰偏置功率并保持平均功率。

所述第二氣壓設置的范圍是90mT-160mT；所述第二偏壓功率的范圍是0-10W；

所述第三氣壓設置的范圍是60mT-90mT；所述第三偏壓功率設置的范圍 是50-200W。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

本發明公開的一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法，通過對被刻蝕硅在每次刻蝕前進行兩次鈍化，并且第一鈍化步驟是在高壓條件下進行，第二鈍化步驟是在低壓高偏置功率的條件下進行；通過第一鈍化步驟能夠確保聚合物快速地分布在被刻蝕硅的開口側壁上，通過第二鈍化步驟能夠確保聚合物均勻地分布在被刻蝕硅的開口底部。本發明公開的一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法，通過在每次刻蝕錢進行兩次鈍化，能夠確保聚合物均勻分布在被刻蝕硅的開口側壁、底部，從而確保刻蝕后的硅側壁不會出現條紋狀或洞狀的粗糙面，使得刻蝕后的硅頂部至底部的均勻性更好。

附圖說明

圖1為本發明一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法的整體流程示意圖。

圖2為本發明一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法的裝置示意圖。

圖3為本發明一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法的實施例示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。

本發明公開的一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法采用如圖2所示的電感耦合型等離子處理裝置。該電感耦合型等離子處理裝置包括一個反應腔100，反應腔內包括一個基座120，基座內包括下電極。基座上方包括靜電夾盤121，待處理的硅晶片122設置在靜電夾盤121上。一個具有較低頻率（如2Mhz~400Khz）的射頻電源40通過一個匹配器50連接到下電極。反應腔100頂部包括一個絕緣材料制成的頂板，一個電感線圈70設置在絕緣材料頂板上方展開。一個射頻電源60通過匹配電路80連接到電感線圈70的，電感線圈70的另一端接地。一個供氣噴頭90通過一個閥門95與反應氣源設備110相連接。電感線圈70可以是漸開線形或者同心圓形，或者是內外分區的多種線圈形狀的組合等等。射頻電流從線圈70的輸入端流入電感線圈從另一端流入接地端。

如圖1所示，一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法，該方法包含多個重復執行的刻蝕周期，每個刻蝕周期包括：

S1，刻蝕步驟，對硅進行刻蝕，在硅表面形成開口。

將等離子處理裝置內充滿處理氣體，采用第一氣壓、第一偏壓功率，利用處理氣體在硅表面進行刻蝕形成開口。

本發明中，待刻蝕硅晶片122通過靜電夾盤121設置在基座120上。處理氣體通過反應氣源設備110、閥門95及供氣噴頭90充入反應腔100內，通過射頻電源40為硅晶片122表面進行刻蝕提供第一氣壓、第一偏置功率。在本步驟中，硅晶片122的表面經刻蝕后形成一個開口。

本實施例中，第一氣壓設置為120mT、第一偏置功率設置為80W、刻蝕氣體為SF6混合稀有氣體（例如He氣等）對硅晶片122進行刻蝕。

S2，第一鈍化步驟，在開口內充入聚合物氣體，對該開口進行第一次鈍化。

等離子處理裝置將聚合物氣體與稀釋氣體混合后，將混合氣體充入開口內。本發明中，將聚合物氣體與稀釋氣體形成的混合氣體通過反應氣源設備110、閥門95及供氣噴頭90充入反應腔100內。

本發明中，混合氣體中聚合物氣體為碳氟化物氣體。混合氣體中稀釋氣體用于促進該混合氣體中聚合物氣體擴散及均勻地分布在開口的內壁及底部，并促進步驟S2的第一鈍化步驟、步驟S3的第二鈍化步驟的進行。

在第一鈍化步驟內，等離子處理裝置對上述氣體施加第二氣壓進行第一次鈍化處理，確保聚合物均勻分布在開口內的側壁上。

本發明中，步驟S2還包含：在第一鈍化步驟內，等離子處理裝置內的上述混合氣體具有第二氣壓處的同時，該等離子處理裝置施加一個第二偏壓功率后進行第一次鈍化處理，使得開口側壁上部的聚合物多于開口底部的聚合物。

本發明中，第二氣壓的范圍是90mT-160mT；第二偏壓功率的范圍是0-10W。采用上述鈍化電壓，能夠實現對步驟S1中形成的開口的側壁快速地覆蓋混合氣體中的聚合物，提高了鈍化效率。

S3，第二鈍化步驟。

在第二鈍化步驟內，等離子處理裝置對上述混合氣體施加第三氣壓。在第二鈍化步驟內，上述混合氣體具有第三氣壓的同時，等離子處理裝置施加一個第三偏壓功率，使得開口側壁底部的聚合物能夠多于開口頂部的聚合物；

其中，第二氣壓大于第三氣壓，第二偏壓功率小于第三偏壓功率。

本步驟中，繼續將聚合物氣體與稀釋氣體形成的混合氣體通過反應氣源設備110、閥門95及供氣噴頭90充入反應腔100內。本發明中，第三氣壓的范圍是60mT-90mT；第三偏壓功率的范圍是50-200W。

在該步驟中，雖然第三氣壓低于第二氣壓，使得混合氣體分布在硅晶片122的開口內壁速度變慢，但是由于在第三氣壓、第三偏壓功率的共同作用下，能夠增加聚合物的向下移動效率，使得更多聚合物均勻分布在硅晶片122的開口底部上。

本發明中，第三偏壓功率為脈沖偏置功率，該第三偏壓功率能夠允許較高的尖峰偏置功率并保持平均功率。

本發明中，第一鈍化步驟T1的時長大于第二鈍化步驟T2的時長。由于第一鈍化步驟T1的鈍化效率高于第二鈍化步驟T2的鈍化效率，因此，為了提高鈍化的整體效率，要求第一鈍化步驟T1的時長大于第二鈍化步驟T2的時長。

S4，重復執行步驟S1-S3，直至對硅的刻蝕深度達到目標要求。

等離子處理裝置在開口內充入處理氣體，并采用第一氣壓、第一偏壓功率在開口內進行蝕刻，將開口的深度加深。

本發明中，當第一次的步驟S2-S3完成，說明第一次鈍化完成，則可以再次將處理氣體通過反應氣源設備110、閥門95及供氣噴頭90充入反應腔100內，通過射頻電源40、刻蝕提供第一氣壓、第一偏置功率，在硅晶片122的開口內進行再次刻蝕。

當再次執行步驟S1的刻蝕后，硅晶片122的開口深度變大，則需要重復執行步驟S2-S3，對硅晶片122的開口新形成的深度進行再次鈍化，確保硅晶片122的開口側壁、底部都能夠均勻覆蓋聚合物。隨即對硅晶片122的開口再次進行如步驟S1的刻蝕，直至硅晶片122的開口深度達到目標要求為止。

本發明的一個實施例中，在第一次鈍化步驟中，第二氣壓為120mT、第二偏置功率為10W，將聚合物C4F8氣體與稀釋氣體He形成的混合氣體充入反應腔110內進行第一次鈍化。在第二次鈍化步驟中，第三氣壓為90mT、第三偏置功率為80W，將聚合物C4F8氣體與稀釋氣體He形成的混合氣體充入反應腔110內進行第二次鈍化。在刻蝕過程中，第一氣壓設置為120mT、第一偏置功率設置為80W對硅晶片122進行刻蝕。

如圖3所示，經本發明公開的一種在高寬比硅刻蝕中用于提高側壁刻蝕效果的方法，從硅晶片122的刻蝕效果中可知，通過在每次刻蝕錢進行兩次鈍化，能夠確保聚合物均勻分布在被刻蝕硅的開口側壁、底部，從而確保刻蝕后的硅側壁不會出現條紋狀或洞狀的粗糙面，使得刻蝕后的硅頂部至底部的均勻性更好。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。