一種深硅刻蝕工藝的制作方法

本發明屬于微電子加工技術領域，具體涉及一種深硅刻蝕工藝。

背景技術：

干法等離子體深硅刻蝕工藝逐漸成為MEMS加工領域和TSV技術中最炙手可熱的工藝之一。所謂深硅刻蝕工藝是指刻蝕深度要求一般為幾十微米甚至達到上百微米的刻蝕工藝，而一般的硅刻蝕工藝是指刻蝕深度要求小于1微米的刻蝕工藝。

目前，主流的深硅刻蝕工藝為Bosch工藝，其通過刻蝕步驟與沉積步驟的交替循環直至實現所需的刻蝕深度。典型的工藝配方包括：第一，沉積步驟的工藝參數，其工藝壓強Pressure為15mT，激勵功率SRF為1200W，偏壓功率BRF為0W，工藝氣體為C₄F₈，氣體流量為100sccm，工藝溫度為20℃，工藝時間為4s；第二，刻蝕步驟的工藝參數，其藝壓強Pressure為30mT，激勵功率SRF為2500W，偏壓功率BRF為20W；工藝氣體為SF₆，氣體流量為200sccm，工藝溫度為20℃，工藝時間為6s。采用上述典型工藝配方會發現：如圖1所示，單次刻蝕步驟在深度刻蝕過程中同時會對刻蝕槽10的側壁刻蝕，造成刻蝕槽10的側壁上出現凹槽11，稱之為扇貝效應(即，Scallop)，單次刻蝕步驟的刻蝕深度約為500nm左右，而凹槽11的尺寸約為300nm，造成刻蝕槽10側壁的粗糙度較高，不能滿足后續需要填充金屬或者介質材料的工藝的需求。

為此，現有技術中減少上述工藝配方中的沉積步驟的工藝時間為2s以及刻蝕步驟的工藝時間為3s，在此情況下，單次刻蝕步驟的刻蝕深度約為250nm，凹槽11的尺寸為150nm左右，這相對凹槽11尺寸為300nm而言，凹槽11尺寸降低了一半，但是，其單次刻蝕步驟的刻蝕深度也降低了一半，因此，可以說在同一刻蝕深度下凹槽11尺寸并 未得到改善，也即現有技術的方式未從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度。并且，采用這種方式具有以下問題：其一，受制于刻蝕步驟和沉積步驟之間的加載功率、工藝氣體的切換速度(或切換時間)，會造成刻蝕槽側壁的粗糙度不可能過低；其二，刻蝕步驟和沉積步驟的工藝時間越少，總刻蝕步驟和沉積步驟越多，這樣，切換過程硬件不響應的時間也會造成工藝時明顯拉長，也就造成刻蝕效率明顯降低。

因此，目前亟需一種能夠從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度的深硅刻蝕工藝，更亟需一種在能夠從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度，且同時能夠保證甚至提高刻蝕效率的深硅刻蝕工藝。

技術實現要素：

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種深硅刻蝕工藝，能夠從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度，從而能夠進一步降低粗糙度；甚至能夠在從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度的同時能夠保證甚至提高刻蝕效率。

為解決上述問題之一，本發明提供了一種深硅刻蝕工藝，包括交替執行的刻蝕步驟和沉積步驟，所述刻蝕步驟的工藝壓強設置為預設壓強，用以提高工藝環境中自由基相對離子的比例；和/或，所述刻蝕步驟包括：通入刻蝕氣體和在當前工藝壓強下平均自由程在預設范圍內的保護氣體，所述保護氣體用于阻擋所述刻蝕氣體對深度在所述預設范圍內的刻蝕槽側壁的刻蝕。

優選地，所述預設壓強的取值范圍為200～250mT。

優選地，所述保護氣體包括第一保護氣體，所述第一保護氣體在當前工藝壓強下的平均自由程的所述預設范圍在30～200微米。

優選地，所述保護氣體還包括第二保護氣體，所述第二保護氣體在當前工藝壓強下的平均自由程的所述預設范圍不大于30微米。

優選地，所述刻蝕氣體與所述第一保護氣體的氣體流量比的范圍為[3,5]。

優選地，所述刻蝕氣體的氣體流量是所述第二保護氣體的氣體流量的10倍以上。

優選地，在所述預設壓強的取值范圍為200～250mT下，所述第一保護氣體為O₂。

優選地，在所述預設壓強的取值范圍為200～250mT下，所述第二保護氣體為C₄F₈或者C₂F₆。

優選地，所述刻蝕氣體為SF6或者NF3。

優選地，所述刻蝕步驟的工藝參數包括：所述工藝壓強的取值范圍為200～250mT；激勵功率為2500W；所述偏壓功率的取值范圍為100～200W；所述刻蝕氣體為SF₆，其氣體流量的取值范圍為300～400sccm；所述第一保護氣體為O₂，其氣體流量的取值范圍為50～150sccm；所述第二保護氣體為C₄F₈，其氣體流量的取值范圍20～100sccm；工藝溫度為20℃。

本發明具有以下有益效果：

本發明提供的深硅刻蝕工藝，其在刻蝕步驟中通入在當前工藝壓強下平均自由程在預設范圍內的保護氣體，借助該保護氣體可對深度在預設范圍內的刻蝕槽側壁的刻蝕實現保護，使得刻蝕形貌偏向各向異性，這與現有技術刻蝕形貌偏向各向同性相比，可從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度，從而能夠進一步改善刻蝕槽側壁的粗糙度；另外，借助在預設壓強下進行刻蝕，來提高工藝環境中自由基相對離子的比例，不僅能夠加強刻蝕槽側壁的保護，從而在根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度，而且還可保證甚至提高刻蝕效率。

附圖說明

圖1為刻蝕槽側壁出現扇貝效應的形貌圖；

圖2為本發明實施例提供的深硅刻蝕工藝的流程圖；以及

圖3為執行圖2中刻蝕步驟預設時長之后的刻蝕形貌圖。

具體實施方式

為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖來對本發明提供的深硅刻蝕工藝進行詳細描述。

圖2為本發明實施例提供的深硅刻蝕工藝的流程圖。請參閱圖1， 本發明實施例提供的深硅刻蝕工藝，包括交替執行的刻蝕步驟和沉積步驟，其中，刻蝕步驟的工藝壓強設置為預設壓強，用以提高工藝環境中自由基相對離子的比例。另外，刻蝕步驟在該預設壓強下的其他參數(例如，激勵功率、偏壓功率等)根據經驗進行設置。

并且，所述刻蝕步驟包括：通入刻蝕氣體和在當前工藝壓強下平均自由程在預設范圍內的保護氣體，保護氣體用于阻擋刻蝕氣體對深度在預設范圍內的刻蝕槽的側壁的刻蝕。其中，刻蝕氣體具體為SF₆或者NF₃。

下面詳細描述本發明實施例提供的深硅刻蝕工藝的具體工作原理。首先，對現有技術中存在扇貝效應的原因進行分析：由于刻蝕氣體與基片進行強烈化學反應的氣體，使得刻蝕槽側壁的刻蝕形貌偏向各向同性，這就造成刻蝕槽側壁的粗糙度較大。

接著，為改善上述扇貝效應，本發明采用通入保護氣體和設置工藝壓強為預設壓強的兩種手段。第一種手段的工作原理為：借助在當前工藝壓強下平均自由程在預設范圍內的保護氣體，可在刻蝕步驟中阻擋刻蝕氣體與深度在該預設范圍內的刻蝕槽側壁接觸，使得刻蝕形貌偏向各向異性，這與現有技術刻蝕形貌偏向各向同性相比，可從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度，從而能夠進一步改善刻蝕槽側壁的粗糙度。

值的在此說明的是，保護氣體選用不與基片進行強烈化學反應的氣體，以免類似于現有技術。

第二種手段的工作原理為：由于在其他條件一定的情況系下，工藝壓強越高，等離子體中自由基所占的比例提高，而離子所占的比例反而降低，因此，預設壓強采用相對現有技術(一般為50mT)較高的工藝壓強。而由于自由基對刻蝕基片起主要作用，刻蝕槽側壁上沉積有保護物需要離子才能刻蝕掉，因此，采用第二種手段不僅能夠加強刻蝕槽側壁的保護，從而可從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度；而且還會保證甚至提高刻蝕效率。

在本實施例中，深硅刻蝕工藝同時采用上述兩種手段，可以很好地從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度；并且，借助第二種手段還可補 償第一種手段對刻蝕效率的影響，從而可以保證甚至略提高刻蝕效率。

在本實施例中，優選地，預設壓強的取值范圍為200～250mT。

另外，優選地，保護氣體包括第一保護氣體，第一保護氣體在當前工藝壓強下的平均自由程的預設范圍在30～200微米。可以理解，由于深硅刻蝕一般深度為幾十微米到上百微米，且刻蝕過程是向下刻蝕，借助該預設范圍內的第一保護氣體可隨著刻蝕步驟的進行主要保護刻蝕槽側壁的偏中下區域，因此，可以隨著刻蝕步驟的進行逐漸保護新刻蝕形成的側壁，這樣可在很大程度上降低側壁粗糙度。

優選地，刻蝕氣體與第一保護氣體的氣體流量比的范圍為[3,5]。

具體地，在預設壓強的取值范圍為200～250mT情況下，第一保護氣體包括但不限于O₂。

進一步優選地，保護氣體還包括第二保護氣體，第二保護氣體在當前工藝壓強下的平均自由程的預設范圍不大于30微米，這樣可保護刻蝕槽側壁的偏上區域，因而可以進一步改善刻蝕槽側壁的粗糙度。

優選地，第二保護氣體與刻蝕氣體的氣體流量比的范圍不超過0.1。

具體地，在預設壓強的取值范圍為200～250mT情況下，第二保護氣體包括但不限于C₄F₈或者C₂F₆。

下面通過僅執行刻蝕步驟來實驗驗證上述刻蝕步驟能夠明顯改善刻蝕槽側壁的粗糙度。具體地，刻蝕步驟的工藝參數包括：工藝壓強的取值范圍為200～250mT；激勵功率為2500W；偏壓功率的取值范圍為100～200W；刻蝕氣體為SF₆，其氣體流量的取值范圍為300～400sccm；第一保護氣體為O₂，其氣體流量的取值范圍為50～150sccm；第二保護氣體為C₄F₈，其氣體流量的取值范圍20～100sccm；工藝溫度為20℃。

為實現刻蝕形貌便于觀察，使刻蝕步驟執行較長時間，執行本發明上述刻蝕步驟出現如圖3所示的刻蝕形貌：圖3中刻蝕槽側壁幾乎無腐蝕效應，因此，可驗證本發明實施例提供的深硅刻蝕工藝可明顯改善刻蝕槽側壁的粗糙度。

值的在此說明的是，雖然在本實施例中同時采用了上述兩個手段，但是，本發明并不局限于此，在實際應用中，還可單獨采用任何一種 手段，仍然相對現有技術中采用減少單步步驟工藝時間來說，可從根本上改善刻蝕槽側壁的粗糙度；并且，針對單獨采用第二種手段，還能夠保證甚至提高刻蝕效率。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。