一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

该实施方式中，以反应离子刻蚀形成TSV为例，TSV深度达到50-200μm，通过定态深硅刻蚀工艺(Steady-state deep silicon etch process)的方法完成，该发明的反应离子刻蚀方法集中在刻蚀的气体流量的控制，因此，反应离子刻蚀方法的其它参数设置，例如，射频(RF)功率、气压、真空度等等不受本发明限制。在该实施例方式中，刻蚀过程中，气压的范围为350毫托(mTorr)到600毫托(mTorr)，射频功率为1000W，射频频率为60MHz。在定态深硅刻蚀工艺中是通过多刻蚀步骤完成TSV刻蚀的，在该实施例中，“刻蚀过程结束”并不是仅指整个TSV刻蚀过程的结束，也可以指其中的某段刻蚀过程的结束。刻蚀的气体包括含F元素的气体和用于与硅反应形成钝化层的气体，含F元素的气体可以为SF₆、CF₄、CHF₃或NF₃，用于与硅反应形成钝化层的气体可以为CO₂、CO、O₂、N₂等。其中，CO₂在反应离子刻蚀过程中，可以形成C等离子和氧等离子，C等离子和氧等离子可以分别与Si反应生成碳硅化合物(如SiC)和硅氧化合物(如SiO₂)；CO在反应离子刻蚀过程中，可以形成C等离子和氧等离子，C等离子和氧等离子可以分别与Si反应生成碳硅化合物和硅氧化合物；O₂在反应离子刻蚀过程中，可以形成氧等离子，氧等离子可以与Si反应生成硅氧化合物；N₂在反应离子刻蚀过程中，可以形成N等离子，N等离子可以与Si反应生成硅氮化合物(如Si₃N₄)。以上碳硅化合物、硅氧化合物、硅氮化合物均为钝化层，其“钝化”的概念是因为F等离子对碳硅化合物、硅氧化合物或硅氮化合物等刻蚀时，其刻蚀速率明显慢于F等离子对Si的刻蚀速率。具体气体的种类不受本发明限制，只要包括含F元素的气体(用于产生F等离子对Si进行刻蚀)和用于与硅反应形成钝化层的气体即可，例如，也可以是SF₆、CO₂、O₂三种气体的混合。当然，在具体过程中，也还可以选择通入惰性气体(如Ar)。较佳地，在该实施方式中采用SF₆气体和CO₂气体混合作为刻蚀气体。以下结合各种气体流量控制方法实施例来说明该反应离子刻蚀方法实施方式。

图2所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第一实施例气体流量控制方法示意图。如图2所示，在t1时刻，通过MFC控制，同时通入一定流量的SF₆气体和CO₂气体，SF₆气体和CO₂气体的气体流量通过刻蚀机台预先设定的参数确定，SF₆气体的流量范围可以是200sccm-750sccm(Standard cubiccentimeter per minute，每分钟标准毫升)，SF₆气体的流量范围可以是100sccm-650sccm，SF₆气体和CO₂气体的流量比为1∶1.2。在t1至t2时段，SF₆气体流量恒定在预先设定的值上，CO₂气体流量恒定在预先设定的值上，在此过程中，CO₂产生的C等离子或氧等离子与Si反应生成的SiC和SiO₂钝化层能大大减缓F等离子对孔洞侧壁的刻蚀速率，但是孔洞底部的Si-O-C被加速后的等离子体轰击，钝化层无法形成并阻止含氟刻蚀气体与底部的硅反应，所以刻蚀能够在垂直方向上向下继续而侧壁的钝化层没有被大量离子轰击所以侧壁得到有效保护，因此具有良好的各向异性刻蚀特性。在t2时刻，该分段刻蚀过程结束，先通过MFC停止流入SF₆气体，SF₆气体流量归为0，但是，在该时刻，CO₂气体继续通入。在t3时刻，停止通入CO₂气体，CO₂气体流量归为0。在t2时刻后，反应离子刻蚀机台的腔室中的F等离子(包括吸附在硅孔洞表面的F等离子)会慢慢几乎归零(如图中虚线所示)，在t3时刻后，反应离子刻蚀机台的腔室中的氧等离子或C等离子也会慢慢几乎归零(如图中虚线所示)，在该实施例中，在t4时刻同时几乎归0。t2至t4时间段定义为F等离子的寿命，t3至t4时间段定义为氧等离子或C等离子的寿命，F等离子的寿命长于氧等离子或C等离子的寿命，t2与t3时间段也即F等离子的寿命与C、氧等离子寿命的差值。t2至t3时间段范围可以是2-10秒。通过以上所述方法，可以使残余的F等离子和O、C等离子在t2至t4时间段中共同存在，O、C等离子与侧壁Si反应产生薄层钝化层，可以阻止残余F等离子对侧壁Si的刻蚀，从而可以减小底切效应和碗形效应。

图3所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第二实施例气体流量控制方法示意图。对比图2和图3所示，该实施例与图2所示实施例的主要区别在于，MFC对于CO₂关断的控制方式，从t2时刻开始，CO₂气体流量开始减少，但是直到t3时刻，CO₂气体流量才归为0。通过上述方式，SF₆停止通入以后，还有CO₂气体继续通入，只是以缓变的方式归为0，通过这种方法，也可以使残余的F等离子和O、C等离子在t2至t4时间段中共同存在，O、C等离子与侧壁Si反应产生薄层钝化层，可以阻止残余F等离子对侧壁Si的刻蚀，从而可以减小底切效应和碗形效应。

图4所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第三实施例气体流量控制方法示意图。对比图2和图4所示，该实施例与图2所示实施例的主要区别在于，停止通入CO₂的时间点t3的选择。由于该实施例中t2至t3时间段范围相对较长，t 2至t 3时间段大于F等离子的寿命与C、氧等离子寿命的差值，C、氧等离子至t 5时刻才归为0。通过这种方法，同样可以使残余的F等离子和O、C等离子在t 2至t 4时间段中共同存在，O、C等离子与侧壁Si反应产生薄层的钝化层，可以阻止残余F等离子对侧壁S i的刻蚀，从而可以减小底切效应和碗形效应。需要指出的是，在t 4至t 5时刻之间，由于存在微量的O、C等离子，其可以与Si反应生成薄层的钝化层，该钝化层可以用于下一硅刻蚀步骤中。这是因为，在下一硅刻蚀步骤中，也将重复图4所示的气体流量控制过程，SF₆和CO₂气体是同时导通的，如果Si表面预先存在钝化层，则可以减缓t 1时刻的F等离子对侧壁的刻蚀速率。由上可知，与图3所示实施例相比，该实施例能进一步减小底切效应和碗形效应。在需要多次执行上述刻蚀步骤以达到所需刻蚀深度的刻蚀流程中，本发明防止底切的效果就更明显，因为如果没有本发明的应用从第一个刻蚀步骤到最后一个刻蚀步骤，每个刻蚀步骤之间都会存在一定时间由于F离子寿命比钝化气体离子寿命长而产生底切，这样多次的底切会对整个刻蚀孔洞的形状造成很大的影响。而采用本发明后大大减轻并基本消除了底切的产生。

图5所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第四实施例气体流量控制方法示意图。对比图2和图5，该实施例与图2所示实施例的主要区别在于，在刻蚀过程开始时，在先于t1时刻的t10时刻，通过MFC控制先通入一定流量的CO₂气体，然后在t1时刻，通过MFC控制通入一定流量的SF₆气体。在t 10至t 1时间段，只存在O、C等离子，O、C等离子通过与Si反应生成SiC和SiO2钝化层；当t1时刻SF6气体导通时，由于其Si表面已经存在钝化层，可以减缓t 1时刻的F等离子对侧壁刻蚀速率。由上可知，与图2所示实施例相比，能进一步减小底切效应和碗形效应。

图6所示为本发明提供的反应离子刻蚀方法的第五实施例气体流量控制方法示意图。对比图4和图6所示，该实施例与图4所示实施例的主要区别在于，在先于t 1时刻的t 10时刻，通过MFC控制先通入一定流量的CO₂气体，再在t 1时刻，通过MFC控制通入一定流量的SF₆气体。因此，在t10至t1时间段，只存在O、C等离子，O、C等离子通过与Si反应生成SiC和SiO₂钝化层；当t1时刻SF₆气体导通时，由于其Si表面已经存在钝化层，可以减缓t1时刻的F等离子对侧壁刻蚀速率。由上可知，与图4所示实施例相比，能进一步减小底切效应和碗形效应。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。