一種具有傾斜側(cè)壁刻蝕孔的刻蝕方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有傾斜側(cè)壁的刻蝕孔刻蝕方法，所述刻蝕方法用于刻蝕的基片上依次形成有刻蝕停止層、刻蝕目標(biāo)層和掩膜層，將待刻蝕基片放入等離子反應(yīng)腔后以所述掩膜層為掩膜，以第一刻蝕工藝刻蝕目標(biāo)材料層，形成刻蝕孔垂直于下方刻蝕停止層的刻蝕孔；以第二刻蝕工藝刻蝕去除所述掩膜層；以第三刻蝕工藝刻蝕所述去除掩膜層后的目標(biāo)材料層，直到所述形成修正后的刻蝕孔，修正后的刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面形成的夾角小于80度。
【專利說(shuō)明】一種具有傾斜側(cè)壁刻蝕孔的刻蝕方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子體處理領(lǐng)域，尤其涉及一種對(duì)硅基片進(jìn)行刻蝕獲得具有傾斜側(cè)壁的刻蝕孔刻蝕方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】中，在MEMS(Micro-Electro_Mechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))和3D封裝技術(shù)等領(lǐng)域，通常需要對(duì)硅等材料進(jìn)行深刻蝕孔刻蝕。例如，在晶體硅刻蝕技術(shù)中，深娃刻蝕孔(Through-Silicon-Via, TSV)的深度達(dá)到幾百微米、其深寬比甚至遠(yuǎn)大于10，通常采用深反應(yīng)離子刻蝕方法來(lái)刻蝕體硅形成。所述的硅材料主要是單晶硅。在完成刻蝕后還有向刻蝕形成的孔或槽中填充導(dǎo)體材料如銅，填充方法可以是利用化學(xué)氣相沉積(CVD)或者物理氣象沉積(PVD)過程。由于上述沉積的銅材料是從上向下沉積的，所以刻蝕形成的TSV孔洞開口形狀最佳需要梯形開口，有些場(chǎng)合這個(gè)梯形開口還要求要求刻蝕孔側(cè)壁與傾斜的程度很大，比如需要使側(cè)壁平面與刻蝕孔下方的刻蝕停止層平面之間的角度0在45度到80度之間，如70度。
[0003]現(xiàn)有典型的刻蝕技術(shù)是利用交替進(jìn)行的刻蝕-沉積步驟對(duì)硅進(jìn)行快速刻蝕，這一刻蝕方法又叫Bosch刻蝕法。在采用bosch刻蝕法進(jìn)行蝕刻時(shí)，可以通過在刻蝕過程中隨著刻蝕深度的增加逐漸改變參數(shù)如:氣壓、氣體成分、射頻功率等獲得一個(gè)向下開口逐漸變小的刻蝕孔。但是采用上述方式只能獲得較小范圍的傾斜角度，其側(cè)壁平面與刻蝕孔下方的刻蝕停止層平面之間的角度0通常只能在80-95。之間。而且采用這種方法會(huì)在側(cè)壁形成很多條紋導(dǎo)致刻蝕孔側(cè)壁粗糙度很高。專利US2008061029對(duì)傳統(tǒng)的Bosch刻蝕方法進(jìn)行了改進(jìn)，在向下刻蝕中在插入部分短時(shí)間的沉積步驟，最終獲得所需要的刻蝕孔，但是由于這些刻蝕和沉積步驟任然是交替進(jìn)行的，所以側(cè)壁仍然存在很多高低不平的環(huán)狀紋路，這些紋路會(huì)在進(jìn)行后續(xù)的導(dǎo)體材料沉積步驟中影響最終器件的特性。而且為了獲得所需要的刻蝕形貌也使整個(gè)控制較為復(fù)雜。US2002166838介紹了另一種刻蝕形成傾斜側(cè)壁刻蝕孔的辦法。首先垂直向下刻蝕，然后使掩膜層刻蝕孔擴(kuò)大，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的垂直向下刻蝕和掩膜層擴(kuò)大的循環(huán)。要獲得垂直向下刻蝕的效果就會(huì)犧牲刻蝕速率，所以這種方法的刻蝕速率會(huì)很慢。要精確控制每一個(gè)循環(huán)中掩膜層孔洞擴(kuò)大的幅度和形態(tài)也需要精確控制所有加工參數(shù)，所以該專利的垂直-擴(kuò)大開口循環(huán)中每一步都需要精確控制，不僅速度慢而且控制難度大。同時(shí)這種方法刻蝕會(huì)在側(cè)壁形成很多臺(tái)階狀的環(huán)，所以側(cè)壁光滑度也很差，要獲得最終的光滑的側(cè)壁就需要額外的步驟來(lái)消除這些臺(tái)階，而這又進(jìn)一步降低了整體的加工效率。所以業(yè)界需要一種簡(jiǎn)單有效的刻蝕方法獲得較佳的刻蝕形貌。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種深孔硅刻蝕方法形成具有傾斜側(cè)壁的刻蝕孔。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)具有傾斜側(cè)壁的刻蝕孔刻蝕方法，包括:基片上依次形成一層刻蝕停止層、一層待刻蝕的目標(biāo)材料層和一層圖形化的掩膜層；以所述掩膜層為掩膜，以第一刻蝕工藝刻蝕目標(biāo)材料層，形成刻蝕孔與下方刻蝕停止層形成第一夾角；以第二刻蝕工藝刻蝕去除所述掩膜層；以第三刻蝕工藝刻蝕所述去除掩膜層后的目標(biāo)材料層，直到所述形成修正后的刻蝕孔，修正后的刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面形成的第二夾角小于80度。其中目標(biāo)材料層為晶體硅，第一刻蝕工藝為:交替通入刻蝕氣體和聚合物形成氣體直到形成第一深度的刻蝕孔；第二刻蝕工藝是通入含氧氣體并形成等離子體；第三刻蝕工藝是通入刻蝕氣體SF6和02，SF6氣體流量大于02流量。
[0005]刻蝕停止層選自晶體硅、氮化硅、氧化硅之一或者也可以是有機(jī)材料層構(gòu)成的填充物。
[0006]其中第一夾角大于85度小于95度，刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面的第二夾角大于45度小于80度。第一刻蝕工藝形成的垂直刻蝕孔深度大于IOum(如40_70um)且大于等于所述第三刻蝕工藝形成的修正后的刻蝕孔深度。
[0007]另一種本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法:形成刻蝕孔與下方刻蝕停止層的刻蝕孔形成第一夾角，所述刻蝕孔具有第一口徑；以第二刻蝕工藝刻蝕去除所述第一刻蝕孔周圍掩膜層，使掩膜層上開口具有第二口徑，所述第二口徑大于第一口徑；
[0008]以第三刻蝕工藝刻蝕所述去除掩膜層后的目標(biāo)材料層，直到所述形成修正后的刻蝕孔，修正后的刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面形成的第二夾角小于80度，去除目標(biāo)材料層上方的剩余掩膜層。
[0009]本發(fā)明所適用的刻蝕目標(biāo)材料層為絕緣材料層或有機(jī)材料層，且所述刻蝕孔深度大于lOum。所述修正后的刻蝕孔頂部包括一個(gè)臺(tái)階狀刻蝕環(huán)圍繞在刻蝕孔上端。所述第一夾角大于85度小于95度，刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面的第二夾角大于45度小于80度。
[0010]通過本發(fā)明的多步法完成具有大角度傾斜側(cè)壁的深孔刻蝕，不僅可以具有更快的刻蝕速率，控制方法簡(jiǎn)單而且刻蝕形成的刻蝕孔的側(cè)壁非常光滑適合下一步的導(dǎo)體材料沉積等加工步驟。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1a為本發(fā)明刻蝕方法第一步形成直孔的深硅刻蝕孔的整體示意圖；
[0012]圖1b為本發(fā)明刻蝕方法第二步去除掩膜層的示意圖；
[0013]圖1c為發(fā)明刻蝕方法第三步完成對(duì)整個(gè)刻蝕孔側(cè)壁和頂面的修正后形成的深硅刻蝕孔示意圖；
[0014]圖2a為本發(fā)明第二實(shí)施例刻蝕方法第二步完成后示意圖；
[0015]圖2b為本發(fā)明第二實(shí)施例刻蝕方法第三步完成后示意圖；
圖3為本發(fā)明刻蝕方法完成后實(shí)際產(chǎn)品剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合圖1a?C，通過優(yōu)選的具體實(shí)施例，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0017]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)一次性完成向下刻蝕和側(cè)壁形貌的控制，本發(fā)明采用分步驟的方法分別完成向下刻蝕和側(cè)壁形貌修正。如圖1a所示為本發(fā)明刻蝕方法第一步形成直孔的深硅刻蝕孔的整體示意圖。本發(fā)明刻蝕目標(biāo)層20為晶體硅層，硅層上方是掩膜層20，掩膜層可以是傳統(tǒng)的光刻膠(PR)材料也可以是其它有機(jī)材料的掩膜層。晶體硅層10下方是刻蝕停止層30?？涛g停止層可以是與硅材料不同的材料層如Si02、SiN，或者有機(jī)材料制成的膠體或者其它填充物，也可以是與硅材料相同的材料層。對(duì)硅材料的刻蝕進(jìn)行到一定深度(停止層30處)時(shí)停止刻蝕。
[0018]本發(fā)明所述刻蝕孔不僅包括具有圓形或多邊形外壁的刻蝕孔(Via)，也包括刻蝕形成的長(zhǎng)條形的槽(trench)。為了表述的方便下，文中均以刻蝕孔指代這種在目標(biāo)材料層上刻蝕并形成剖面具有縱長(zhǎng)性孔洞的刻蝕結(jié)構(gòu)。
[0019]形成圖1所示的垂直側(cè)壁的開口可以采用業(yè)內(nèi)廣泛采用的Bosch刻蝕法，將待刻蝕基片放入等離子反應(yīng)腔后交替進(jìn)行等向性刻蝕和側(cè)壁保護(hù)，多個(gè)刻蝕-保護(hù)周期之后達(dá)到所需要的刻蝕深度。在刻蝕步驟中反應(yīng)腔的氣壓可以是lOOmT，源射頻功率是2000W，基座內(nèi)的偏置射頻源的功率可以是100W，通入500sccm的SF6氣體并持續(xù)1.5秒；側(cè)壁保護(hù)步驟中，反應(yīng)腔內(nèi)氣壓可以是50mT，源射頻功率為2000Ws，偏置射頻源的功率為25Wb，通入200sccm的氟碳化合物氣體，持續(xù)I秒。也可以是用非Bosch刻蝕法，同時(shí)通入刻蝕氣體SF6和保護(hù)氣體氟碳化合物，從掩膜處一直刻蝕到所需的深度。
[0020]在完成第一步刻蝕形成垂直側(cè)壁的刻蝕孔后，通入含氧氣體去除掩膜層20形成如圖1b所示的結(jié)構(gòu)。所述去除掩膜層如光刻膠也可以用濕法對(duì)光刻膠層進(jìn)行去除，將基片放入盛放有反應(yīng)液的容器內(nèi)，反應(yīng)液可以是雙氧水和丙酮的混合液。此時(shí)硅刻蝕孔的深度仍然是Dl，Dl大于IOum小于150um，比如可以是40或70um。此時(shí)硅刻蝕孔側(cè)壁與底部刻蝕停止層30所在平面的角度基本垂直，0角度可以在85-95度之間變化，具體角度的數(shù)值和第一步刻蝕形成直孔的加工工藝有關(guān)。
[0021]第三步就對(duì)圖1b所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)壁修正刻蝕，在這個(gè)刻蝕步驟中可以保持反應(yīng)腔內(nèi)氣壓為IOOmT,源射頻功率輸出為3000W，偏置射頻功率輸出為100W，通入反應(yīng)氣體SF6的流量為2000SCCm，同時(shí)通入200SCCm的02。其刻蝕時(shí)間根據(jù)硅材料層10的厚度和刻蝕形成的刻蝕孔的口徑大小變化，材料層10越厚則所需時(shí)間越久。通入的刻蝕氣體對(duì)硅材料層進(jìn)行刻蝕，而且起主要作用的化學(xué)刻蝕會(huì)對(duì)任何暴露的硅進(jìn)行刻蝕。由于掩膜層已經(jīng)被提前去除了，所以在開口頂部位置的上表面和刻蝕孔側(cè)壁的交接處不僅受到上方的的刻蝕還會(huì)受到側(cè)壁方向的刻蝕，所以比其它位置的刻蝕速率要高。這樣經(jīng)過一段時(shí)間后刻蝕孔頂部的側(cè)壁被率先刻蝕掉，其它平面也會(huì)被均勻的刻蝕。最終形象如圖1c所示的結(jié)構(gòu)。此時(shí)硅材料層10的上表面由于被部分刻蝕所以其厚度D2會(huì)比刻蝕前的Dl略小，如幾個(gè)微米。但是這個(gè)減小幅度相對(duì)整體刻蝕孔深度來(lái)說(shuō)并不影響最終功能。要獲得更厚的硅材料層也可以在基片審查階段中使硅材料層的厚度略高于所需要的厚度，這樣在完成最終刻蝕時(shí)正好獲得需要的厚度。最終得到刻蝕孔側(cè)壁與刻蝕停止層平面之間的夾角小于80度的側(cè)壁形貌，較優(yōu)的夾角可以在45度到80度之間，如70度。
[0022]在第一步刻蝕形成垂直刻蝕孔時(shí)也可以在未到達(dá)所需深度(刻蝕停止層30)就停止刻蝕，在刻蝕停止層上剩余少量的硅材料，其厚度與第三步刻蝕修正形貌時(shí)刻蝕的量相匹配。這樣就不會(huì)在第三步刻蝕時(shí)對(duì)刻蝕停止層30造成過多破壞。
[0023]本發(fā)明第二實(shí)施例刻蝕過程如圖2a、2b所示。在第一步刻蝕時(shí)與第一實(shí)施例相同也是形成具有垂直側(cè)壁的刻蝕孔，不同的是在第二步去除掩膜材料層20 (如光刻膠)步驟中并未將所有掩膜材料層去除，而是如圖2a所示的只去除了刻蝕孔開口周圍的掩膜材料層。如圖2a所示第二步刻蝕后形成的掩膜層開口直徑Al大于原刻蝕孔直徑A0，同時(shí)也不小于第三步刻蝕后形成的梯形開口的上部直徑。掩膜層20開口直徑Al具體參數(shù)可以根據(jù)刻蝕形貌的需求作優(yōu)化選擇，Al越大則最終刻蝕形成的刻蝕孔側(cè)壁與刻蝕停止層之間的夾角越小。擴(kuò)大掩膜層開口的方法可以有很多，比如當(dāng)掩膜層足夠厚時(shí)可以通入大量氧氣對(duì)掩膜層進(jìn)行刻蝕，由于開口處的掩膜層同時(shí)受上方和開口側(cè)壁方向刻蝕，所以最先被刻蝕完，隨后掩膜層開口逐漸擴(kuò)大直到所需要的數(shù)值。還可以在原有掩膜上涂覆上一層新的光刻膠然后以擴(kuò)大刻蝕孔口徑后的圖形對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光處理，最后形成新的具有較大口徑的圖形化掩膜層。
[0024]隨后進(jìn)行第三步刻蝕，其采用的刻蝕參數(shù)與第一實(shí)施例類似，刻蝕形成的刻蝕孔形貌也類似。但是由于硅材料層上方仍然有掩膜層存在，所以有掩膜層覆蓋的區(qū)域基本沒被刻蝕，其厚度仍是D1。由于刻蝕是無(wú)方向性的，所以沒有被掩膜層覆蓋的區(qū)域不僅在垂直方向上會(huì)被刻蝕最后僅保留有D2的厚度，而且水平方向也會(huì)被刻蝕，最終在梯形側(cè)壁上方與掩膜層開口交界處會(huì)形成一個(gè)如圖2b臺(tái)階狀刻蝕環(huán)圍繞在刻蝕孔上端。最后再將剩余的掩膜層去除就可以獲得最終的刻蝕形貌。在有些場(chǎng)合需要這種頂部帶有臺(tái)階狀的側(cè)壁形貌，所以本發(fā)明還可以這這些場(chǎng)合得到擴(kuò)展應(yīng)用。
[0025]圖3所示為經(jīng)過第三步刻蝕后形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)實(shí)際產(chǎn)品剖面圖，從圖中可以看到刻蝕孔側(cè)壁與刻蝕停止層平面形成了 60-70度的角度，而且側(cè)壁很光滑，在形成垂直刻蝕孔的刻蝕步驟中產(chǎn)生的側(cè)壁突出部分都在第三步刻蝕中被刻蝕掉了。所以相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明刻蝕方法形成的側(cè)壁具有更好的側(cè)壁形貌。
[0026]本發(fā)明所用的垂直刻蝕孔刻蝕只要以最快速度形成刻蝕孔，不需要考慮刻蝕形貌問題，所以可以最優(yōu)化的進(jìn)行快速刻蝕，其刻蝕速率比現(xiàn)有技術(shù)的刻蝕速率快。而后續(xù)的有機(jī)材料掩膜層20去除步驟和第三步形貌修正步驟均只要完成單一的加工目標(biāo)，不需要考慮多個(gè)因素的相互影響，所以簡(jiǎn)化了加工工藝。而且由于去除掩膜層和形貌修正的步驟耗時(shí)較短，而本發(fā)明在第一步刻蝕形成垂直刻蝕孔的步驟也是最快的所以綜合三步的加工效率任然高于現(xiàn)有技術(shù)邊向下刻蝕邊控制側(cè)壁形貌的方案。
[0027]本發(fā)明除了可以應(yīng)用于前述實(shí)施例所述的硅刻蝕孔刻蝕方法，也可以應(yīng)用于其它需要形成大角度傾斜側(cè)壁的刻蝕孔，比如可以用在絕緣材料(主要是SiO)刻蝕，或者刻蝕較厚的有機(jī)物材料層如無(wú)定形碳形成關(guān)鍵尺寸縮小的圖形(CD shrinkage)o只是隨著刻蝕目標(biāo)材料層的不同掩膜層材料和相應(yīng)的刻蝕停止層材料均會(huì)不同，具體的刻蝕工藝也會(huì)隨之不同，但是只要采用本發(fā)明的刻蝕步驟均能取得大角度傾斜側(cè)壁的刻蝕孔。
[0028]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
【權(quán)利要求】
1.一種具有傾斜側(cè)壁的刻蝕孔的刻蝕方法，所述刻蝕方法用于刻蝕基片，所述基片上包括依次疊層的一層刻蝕停止層(30), —層待刻蝕的目標(biāo)材料層(10)和一層圖形化的掩膜層(20)，所述刻蝕方法包括: 以所述掩膜層(20)為掩膜，以第一刻蝕工藝刻蝕目標(biāo)材料層，形成刻蝕孔與下方刻蝕停止層(30)形成第一夾角； 以第二刻蝕工藝刻蝕去除所述掩膜層(20)； 以第三刻蝕工藝刻蝕所述去除掩膜層后的目標(biāo)材料層，直到所述形成修正后的刻蝕孔，修正后的刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面形成的第二夾角小于80度。
2.如權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，所述目標(biāo)材料層為晶體硅。
3.如權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，所述修正后的刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面的第二夾角大于45度小于80度。
4.如權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，所述第一夾角大于85度小于95度。
5.如權(quán)利要求2所述的刻蝕方法，其特征在于，所述的刻蝕停止層(30)選自晶體硅、氮化硅、氧化硅之一。
6.如權(quán)利要求2所述的刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕停止層為有機(jī)材料層構(gòu)成的填充物。
7.如權(quán)利要求2所述 的刻蝕方法，其特征在于，所述第一刻蝕工藝為:交替通入刻蝕氣體和聚合物形成氣體直到形成第一深度的刻蝕孔；第二刻蝕工藝是通入含氧氣體并形成等離子體或者放入含氧化劑的光刻膠去除溶液。
8.如權(quán)利要求7所述的刻蝕方法，其特征在于所述第三刻蝕工藝是通入刻蝕氣體SF6和02，SF6氣體流量大于02流量。
9.如權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其特征在于，所述第一刻蝕工藝形成的刻蝕孔深度大于lOum，且大于等于所述第三刻蝕工藝形成的修正后的刻蝕孔深度。
10.一種具有傾斜側(cè)壁的刻蝕孔刻蝕方法，所述刻蝕方法用于刻蝕基片，基片上包括依次疊層的一層刻蝕停止層(30)，一層待刻蝕的目標(biāo)材料層(10)和一層圖形化的掩膜層(20),所述刻蝕方法包括: 以所述掩膜層(20)為掩膜，以第一刻蝕工藝刻蝕目標(biāo)材料層，形成刻蝕孔與下方刻蝕停止層(30)形成第一夾角，所述刻蝕孔具有第一口徑；以第二刻蝕工藝刻蝕去除所述第一刻蝕孔周圍掩膜層(20)，使掩膜層上開口具有第二口徑，所述第二口徑大于第一口徑； 以第三刻蝕工藝刻蝕所述去除掩膜層后的目標(biāo)材料層，直到所述形成修正后的刻蝕孔，修正后的刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面形成的第二夾角小于80度； 去除目標(biāo)材料層上方的剩余掩膜層。
11.如權(quán)利要求10所述的刻蝕方法，其特征在于所述修正后的刻蝕孔頂部包括一個(gè)臺(tái)階狀刻蝕環(huán)圍繞在刻蝕孔上端。
12.如權(quán)利要求10所述的刻蝕方法，其特征在于所述刻蝕目標(biāo)材料層為晶體硅材料層，且所述刻蝕孔深度大于lOum。
13.如權(quán)利要求10所述的刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕孔側(cè)壁與所述下方刻蝕停止層平面的第二夾角大于45度小于80度。
14.如權(quán)利要求1或10所述的刻蝕方法，其特征在于所述刻蝕目標(biāo)材料層為絕緣材料層或有機(jī)材料層。
15.如權(quán)利要求 10所述的刻蝕方法，其特征在于，所述第一夾角大于85度小于95度。
【文檔編號(hào)】H01L21/3065GK103811331SQ201210444565
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月8日
【發(fā)明者】石剛, 劉翔宇, 許頌臨 申請(qǐng)人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司