專利名稱：深反應(yīng)離子刻蝕方法及其氣體流量控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及反應(yīng)離子刻蝕(Reactivelcon Etching, RIE)技術(shù)，尤其涉及一種深反應(yīng)離子刻蝕(De-coupled RIE，DRIE)方法及其氣體 流量控制裝置。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域中，在MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系 統(tǒng))和3D封裝技術(shù)等領(lǐng)域，通常需要對硅等材料進(jìn)行深通孔刻蝕。例如，在體硅刻蝕技術(shù) 中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度達(dá)到幾百微米、其深寬比大于10，通常采 用深反應(yīng)離子刻蝕方法來刻蝕體硅形成。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)深反應(yīng)離子刻蝕方法示意圖。現(xiàn)有技術(shù)中，TSV的深反應(yīng)離 子刻蝕通常采用美國專利US5501893提出的Bosch工藝進(jìn)行。如圖1所示，其中，12為襯 底硅，11為掩膜層，13為聚合物層；掩膜層11通常為SiO2或者Si3N4，主要在刻蝕過程起掩 膜作用。具體深反應(yīng)離子刻蝕方法包括以下步驟(1)刻蝕步驟，通常用Ar、02、SF6W混合 氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕；(2)聚合物沉積步驟，通常用Ar和C4F8的混合氣體在孔洞內(nèi) 側(cè)面形成氟碳聚合物層，其厚度一般在納米級，有時也稱作該聚合物層為鈍化層，為使孔洞 底部基本不形成氟碳聚合物層，該步驟中一般采用相對較低較的RF(Radic) Frequency，射 頻)頻率；(3)刻蝕步驟和聚合物沉積步驟交替循環(huán)進(jìn)行，直到通孔刻蝕完成，在刻蝕步驟 中，由于孔洞的內(nèi)表面、尤其是孔洞內(nèi)側(cè)面沉積聚合物，化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕時，SF6氣體不會 對側(cè)壁的聚合物刻蝕或者刻蝕速率非常慢，從而保證了整個孔洞刻蝕過程的各向異性。特 別是在刻蝕過程中，采用電容耦合等離子體源(Capacitive CoupledPlasma, CCP)技術(shù)，可 以加快在垂直方向的刻蝕速度，各向異性特性更好。因此通過以上所述深反應(yīng)離子刻蝕技 術(shù)刻蝕TSV時，具有刻蝕速度快(一般能達(dá)到5-8 μ m/min以上)、側(cè)壁垂直度范圍在90士3 度內(nèi)、掩膜層與孔洞之間的底切(undercut)小于0. 1 μ m的特點。圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)的氣體流量控制裝置的示意圖。如圖2所示，該氣流控制裝 置用于圖1所示深反應(yīng)離子刻蝕。101為反應(yīng)離子刻蝕的腔室，其中形成等離子體，目標(biāo)刻 蝕的晶圓置于腔室101中，102為通Ar氣體的管路，103為通O2氣體的管路，104為通SF6 氣體的管路，105為通C4F8氣體的管路，107為MFC (Mass Flow Control，流量控制器)，MFC 107和腔室101的之間的管路上，每個管路上分別設(shè)置一個氣閥。首先MFC恒定設(shè)置每個 管路流過的氣體流量，MFC恒定打開，管路102中通入定量的Ar氣體，管路103中通入定量 的O2氣體，管路104中通入定量SF6氣體，管路105中通入定量的C4F8氣體?？涛g步驟和 聚合沉積步驟的氣體變化通過管路上的氣閥實現(xiàn)。圖3所示為圖1所示刻蝕步驟和聚合物沉積步驟兩個過程的氣體流量變換示意 圖。采用圖1所示深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕TSV時，均在同一刻蝕機臺上完成，刻蝕步驟和 聚合物沉積步驟是兩個不同的過程，刻蝕步驟采用的第一種工藝條件和聚合物沉積步驟采 用的第二種工藝條件也在刻蝕過程中交替變換。氣流流量是工藝條件中的一個因素(還包括氣壓、射頻功率等因素)。如圖3所示，15為刻蝕步驟的氣體流量，16為聚合物沉積步驟的 氣體流量。例如，刻蝕步驟的氣體流量參數(shù)可設(shè)置為02100sccm，Arl000sccm，SF6100sccm， 總共氣體流量為1200sCCm，02、Ar與SF6的氣體流量是同步瞬間關(guān)斷與開啟的；聚合物沉 積步驟的氣體流量參數(shù)可設(shè)置為Arl000sCCm，C4F8500sCCm，總共氣體流量為1500sCCm，Ar 與C4F8的氣體流量是同步瞬間關(guān)斷與開啟的。為實現(xiàn)圖3所示的氣體流量變換控制，結(jié)合 圖2所示，通過圖2所示的氣體流量控制裝置，MFC 107預(yù)先設(shè)定好每個管路通過的氣體流 量參數(shù)，每個管路的氣體流量與開啟通過管路上的閥門分別控制實現(xiàn)。例如在Tl時刻，管 路102、105上的閥門都關(guān)閉，腔室101中停止通入聚合物沉積步驟的其它氣體，沉積步驟停 止；在T2時刻，管路102、103，104上的閥門都開啟，腔室101中通入刻蝕步驟的氣體(Ar、 02和SF6)；在T3時刻，管路102,103,104上的閥門都關(guān)閉，腔室101中停止供應(yīng)刻蝕步驟 的氣體。以上步驟交替進(jìn)行，實現(xiàn)圖3所示的方波氣體流量圖形。同時需要指出的是，其它 工藝條件因素(如氣壓、射頻功率)是和氣體流量同步瞬間轉(zhuǎn)換的。由以上所述可知，在刻蝕步驟中少量氧氣的添加不能在側(cè)壁形成足夠的保護(hù)層所 以刻蝕步驟會在側(cè)壁形成凹坑，然后在下一個聚合物沉積步驟中被聚合物保護(hù)，每個刻蝕 和沉積步驟交替的周期都會在側(cè)壁形成一個凹坑，多個這種凹坑形成扇形側(cè)壁，降低深通 孔的側(cè)壁的光滑度。以上的工藝條件轉(zhuǎn)變過程具有不連續(xù)的特點，在兩個步驟之間交替處 存在反應(yīng)氣體切換和等離子功率等重新調(diào)節(jié)的過程，Tl至T2時間段實際上是不進(jìn)行任何 作用的，這樣降低了深反應(yīng)離子刻蝕的效率。在電容耦合型(CCP)等離子反應(yīng)腔中由于本 身等離子電離率比較低，只有現(xiàn)有技術(shù)US5501893中所采用的電感耦合型反應(yīng)腔的電離率 的約1/100，為了獲得合適的等離子密度就需要更多的氣體分子供應(yīng)到反應(yīng)腔中，所以采用 電容耦合型的(CCP)的氣壓可以達(dá)到300-800mtorr，而電感耦合型的只有約10_50mtorr。 在氣體切換過程中由于CCP反應(yīng)腔中氣壓高，在抽氣能力一定情況下要比電感型反應(yīng)腔多 花約10多倍的時間將原有氣體排空，將下一步驟用的氣體送入并達(dá)到反應(yīng)所需的氣壓。這 一切換時間可以至少達(dá)到2秒以上，嚴(yán)重影響了整體的刻蝕速度。而且在刻蝕深度增加時 會出現(xiàn)反應(yīng)速度降低的情況，這就需要隨著刻蝕深度的增加調(diào)節(jié)刻蝕參數(shù)如氣流大小，功 率大小等，由于上述現(xiàn)有技術(shù)中的MFC是以預(yù)定氣體流量參數(shù)設(shè)置的無法作相應(yīng)的調(diào)節(jié)。 綜上所述現(xiàn)有技術(shù)需要有效的方案實現(xiàn)在刻蝕速率與側(cè)壁光滑度方面的平衡，特別是應(yīng)用 在CCP反應(yīng)腔上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，避免深反應(yīng)離子刻蝕形成深通孔過程中通孔側(cè)壁光 滑度降低、刻蝕效率降低的問題。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供的深反應(yīng)離子刻蝕方法包括多個循環(huán)進(jìn)行的刻 蝕周期，每個刻蝕周期包括一個刻蝕步驟和聚合物沉積步驟，所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng) 氣體，聚合物沉積步驟供應(yīng)側(cè)壁保護(hù)氣體，刻蝕步驟和聚合物沉積步驟之間的轉(zhuǎn)換過程中， 刻蝕氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體供應(yīng)時間存在重疊。根據(jù)本發(fā)明提供的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其中，在從刻蝕步驟到聚合物沉積步驟 轉(zhuǎn)換過程中，在所述重疊的時間內(nèi)，刻蝕氣體逐漸減少同時側(cè)壁保護(hù)氣體逐漸增加；在從聚 合物沉積步驟到刻蝕步驟轉(zhuǎn)換過程中，在所述重疊的時間內(nèi)，刻蝕氣體逐漸增加同時側(cè)壁保護(hù)氣體逐漸減少。所述重疊的時間大于刻蝕周期時間的20%，所述重疊的時間優(yōu)選為刻 蝕周期時間的30%。所述重疊的時間范圍可以為1到60秒。根據(jù)本發(fā)明提供的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其中，所述深反應(yīng)離子刻蝕方法用于對 體硅材料或硅材料進(jìn)行刻蝕形成深通孔。所述刻蝕氣體包括CF4、SF6、NF3中的一種。所 述刻蝕氣體還包括02、CO、C02、N2之一。所述刻蝕步驟中，刻蝕氣體流量的參數(shù)范圍為 300sccm-1600sccm,刻蝕步驟的功率的參數(shù)范圍為900瓦-4500瓦，刻蝕步驟的氣壓的參數(shù) 范圍為300-800毫托。根據(jù)本發(fā)明提供 的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其中，所述側(cè)壁保護(hù)氣體氣體為氟碳化 合物，通過聚合物沉積步驟形成位于孔洞側(cè)壁的氟碳聚合物保護(hù)層。所述側(cè)壁保護(hù)氣體包 括(/8、CHF3> CH2F2中的一種。所述側(cè)壁保護(hù)氣體的氣體流量的參數(shù)范圍為100-400SCCm， 聚合物沉積步驟的功率的參數(shù)范圍為1000瓦-4500瓦，聚合物沉積步驟的氣壓的參數(shù)范圍 為300-800毫托。根據(jù)本發(fā)明提供的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其中，所述刻蝕步驟的刻蝕氣體流量和 聚合物沉積步驟的側(cè)壁保護(hù)氣體流量之間通過線性形式漸變轉(zhuǎn)換.所述刻蝕步驟的刻蝕 氣體流量和聚合物沉積步驟的側(cè)壁保護(hù)氣體流量之間通過曲線形式漸變轉(zhuǎn)換.所述刻蝕 氣體的氣體流量和側(cè)壁保護(hù)氣體的氣體流量通過氣體流量控制器控制。作為較佳實施例，所述刻蝕步驟采用電容耦合等離子體源技術(shù)。所述刻蝕氣體的 氣體流量隨著刻蝕深度的增加而增加。本發(fā)明同時提供一種氣體流量控制裝置，用于該發(fā)明的深反應(yīng)離子刻蝕方法，該 裝置包括多個用于通反應(yīng)氣體的管路，設(shè)置在每個管路上的氣體流量控制器，以及，氣體流量控制器控制模塊；所述氣體流量控制器控制模塊通過控制每個氣體流量控制器，實現(xiàn)對每個管路的 氣體流量的獨立控制；其中，所述深反應(yīng)離子刻蝕包括多個循環(huán)進(jìn)行的刻蝕周期，每個刻蝕 周期包括一個刻蝕步驟和聚合物沉積步驟，所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng)氣體，聚合物沉積 步驟供應(yīng)側(cè)壁保護(hù)氣體，刻蝕步驟和聚合物沉積步驟之間的轉(zhuǎn)換過程中，刻蝕氣體和側(cè)壁 保護(hù)氣體供應(yīng)時間存在重疊。根據(jù)本發(fā)明提供的氣體流量控制裝置，其中，所述深反應(yīng)離子刻蝕的腔室是電容 耦合產(chǎn)生等離子的。所述刻蝕氣體流量通過氣體流量控制器控制模塊的控制實現(xiàn)刻蝕氣體 隨著刻蝕深度的增加而增加。所述重疊的時間大于刻蝕周期時間的20% ；所述重疊的時間 優(yōu)選為刻蝕周期時間的30%。本發(fā)明刻蝕方法的技術(shù)效果是，通過氣體連續(xù)調(diào)節(jié)方式在刻蝕階段供應(yīng)側(cè)壁保護(hù) 氣體同時實現(xiàn)刻蝕和沉積步驟的切換，刻蝕步驟和聚合物沉積步驟之間的轉(zhuǎn)換過程中，刻 蝕氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體供應(yīng)時間存在重疊，從而實現(xiàn)減小刻側(cè)壁上的小突起的高度，側(cè)壁 上的“扇形”基本消失，使其側(cè)壁具有良好的光滑度；同時，相比現(xiàn)有技術(shù)，在漸變轉(zhuǎn)換過程 中，仍然等效存在刻蝕效果和聚合物沉積效果，因此，可相對減少切換時間，提高深反應(yīng)離 子刻蝕效率。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)深反應(yīng)離子刻蝕方法示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的氣體流量控制裝置的示意圖；圖3是圖1所示刻蝕步驟和聚合物沉積步驟兩個過程的氣體流量變換示意圖；圖4是本發(fā)明提供的氣體流量控制裝置示意圖；圖5是該發(fā)明提供的深反應(yīng)離子刻蝕方法流程示意圖；圖6是第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第一實施例示意圖；圖7是第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第二實施例示意圖；圖8是第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第三實施例示意圖；圖9是第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第四實施例示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步 的詳細(xì)描述。圖4所示為本發(fā)明提供的氣體流量控制裝置示意圖。如圖4所示，該氣體流量裝 置包括腔室301、通Ar氣體的管路302、通O2氣體的管路303、通SF6氣體的管路304、通C4F8 氣體的管路305、MFC和MFC控制模塊310，該氣體流量控制裝置用于深反應(yīng)離子刻蝕過程 的氣體流量控制，待刻蝕的晶圓置于腔室301中，管路中302、303、304、305中分別設(shè)置MFC 312、313、314、315，MFC 控制模塊 310 可以同時控制 MFC 312、313、314、315，通過 MFC 控制 模塊對MFC的控制，可以實現(xiàn)對每個管路中流過的氣體流量的實時控制，因此，每個管路中 流過的氣體流量、以及氣體流量變化方式不受其它管路的影響。例如，通過在MFC控制模塊 310中預(yù)先設(shè)置好SF6的氣體流量和時間的變化關(guān)系曲線、以及C4F8的氣體流量和時間的變 化關(guān)系曲線，MFC 314和MFC 315分別接受MFC控制模塊310的控制命令后，流過MFC314 的SF6的氣體流量按預(yù)先設(shè)定的曲線變化，流過MFC315的C4F8的氣體流量按預(yù)先設(shè)定的曲 線變化。在該實施例中，只是列出了用于四種氣體的流量控制的氣體流量控制裝置，其具體 氣體的數(shù)量根據(jù)深反應(yīng)刻蝕過程所選擇的氣體有關(guān)，數(shù)量不受本發(fā)明限制。通過控制模塊 310也可是調(diào)節(jié)聚合物沉積步驟結(jié)束時間和刻蝕步驟開始時間之間的關(guān)系來控制刻蝕步驟 中的刻蝕速率，同時實現(xiàn)刻蝕和沉積步驟之間的逐漸切換；刻蝕步驟和聚合物沉積步驟之 間的逐漸切換過程中，刻蝕氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體供應(yīng)時間存在重疊，從而減少側(cè)壁上的扇 形紋路(scalloping)。通過控制模塊310也可隨著刻蝕的深度控制供氣量以保證在刻蝕深 度增加時的刻蝕速率。圖5所示為該發(fā)明提供的深反應(yīng)離子刻蝕方法流程示意圖。在該實施例中，以對 TSV通孔的深反應(yīng)離子刻蝕為例。具體步驟包括如下步驟S100，進(jìn)行采用第一工藝條件的刻蝕步驟。在該步驟中，首先提供包括硅襯底、以及覆蓋于硅襯底上的掩膜層的TSV刻蝕樣 品，掩膜層可以為SiO2或Si3N4等材料，在掩膜層層上構(gòu)圖暴露硅襯底，然后選擇采用第一 工藝條件進(jìn)行等離子體刻蝕。第一工藝條件的具體參數(shù)的選擇與TSV通孔的具體要求有 關(guān)，其不受本發(fā)明限制，在該實施例中，由于是對體硅的刻蝕，一般采用SF6混和O2的方法進(jìn) 行等離子刻蝕，在具體實際應(yīng)用中，還包括Ar等惰性氣體；第一工藝條件的因素包括氣體
7流量(各種氣體的氣體流量)、氣壓、功率等參數(shù)。例如，具體第一工藝條件參數(shù)可以為氣 壓200mTorr、功率4000W、SF6, 02、Ar的氣體流量之和為1200sccm, SF6, 02、Ar的流量比為 10 1 1，即5卩6氣體流量 10008(；011、02氣體流量1008(；011、六1~氣體流量1008(；011，5卩6、02、 Ar的具體流量比不受本實施例限制?？涛g步驟中，第一工藝條件的維持時間不受本發(fā)明限 制，例如，可以為1秒，也可以為lmin。在該實施例中，刻蝕步驟采用電容耦合等離子體源 (Capacitive Coupled Plasma, CCP)步驟S200，第一工藝條件以漸變方式轉(zhuǎn)換至第二工藝條件。在該步驟中，具體的漸變轉(zhuǎn)換方式與步驟S400中的漸變轉(zhuǎn)換方式相同，將在步驟 S400中結(jié)合在一起說明。步驟S300，進(jìn)行采用第二工藝條件的聚合物沉積步驟。在該步驟中，為使該實施例的深反應(yīng)離子刻蝕具有良好的各向異性，通過聚合物 沉積步驟在TSV通孔的側(cè)壁形成鈍化層。第二工藝條件的具體參數(shù)的選擇與TSV通孔的具 體條件要求有關(guān)，其不受本發(fā)明限制，在該實施例中，采用C4F8氣體，在具體實際應(yīng)用中，可 能還包括Ar等惰性氣體。第二工藝條件的因素同樣包括氣體流量(各種氣體的氣體流量)、 氣壓、功率等參數(shù)。例如，具體第二工藝條件參數(shù)可以為氣壓300mTorr、功率3000W、C4F8 的氣體流量200sCCm、Ar氣體流量lOOsccm。該聚合物沉積步驟時間相對刻蝕步驟較短。在 該步驟后，會在通孔的底部和內(nèi)側(cè)面沉積厚度在納米數(shù)量級的氟碳聚合物(fluoro-carbon polymer)層。步驟S400，第二工藝條件以漸變轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換至第一工藝條件。在該步驟中，由于第一工藝條件和第二工藝條件的參數(shù)的差別，兩個步驟之間需 要通過一個工藝條件轉(zhuǎn)變過程實現(xiàn)漸變轉(zhuǎn)換。在該實施例中，僅以氣壓、功率、氣體流量三 個工藝條件因素作示意圖性說明，氣壓、功率、氣體流量均是漸變轉(zhuǎn)換的。氣壓、功率、氣體 流量之外的工藝條件因素的漸變轉(zhuǎn)換可以以基本相同的原理或方式實現(xiàn)。相對于背景技術(shù) 中的突變式(工藝條件轉(zhuǎn)換時間在1秒以內(nèi))的工藝條件轉(zhuǎn)換，該發(fā)明采用“模擬式”的調(diào) 制來實現(xiàn)漸變式的工藝條件轉(zhuǎn)換。圖6所示為第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第一實施例示意 圖。如圖6所示(1)氣體流量參數(shù)在第一工藝條件與第二工藝條件之間轉(zhuǎn)換時，以曲線形 式轉(zhuǎn)換；(2)第一工藝條件的氣體流量歸零轉(zhuǎn)換過程和第二工藝條件的氣體流量由零轉(zhuǎn)換 至預(yù)訂參數(shù)過程二者在交叉時間段進(jìn)行，即工藝條件轉(zhuǎn)換過程的tl與t2時間段之間、t3 與t4時間段之間、t5與t6的時間段之間存在第一工藝條件的刻蝕氣體流量和第二工藝條 件的側(cè)壁保護(hù)氣體流量同時大于零的情況，SF6, O2、和C4F8的氣體流量參數(shù)同時變化，在這 一交叉時間段里面，刻蝕和聚合物沉積兩個過程可能同時進(jìn)行，只是由于氣體流量參數(shù)小， 兩個過程進(jìn)行得可能相對緩慢。其中在刻蝕步驟中由于部分時間段是與聚合物沉積過程重 疊的所以在這個時間段內(nèi)刻蝕速率會下降，特別是對側(cè)壁的刻蝕速率由于有了部分聚合物 保護(hù)層的存在明顯降低，這樣扇貝紋得以明顯減輕其中，256為刻蝕步驟采用的第一工藝條 件，266為聚合物沉積步驟采用的第二工藝條件。圖7所示為第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第二實施例示意 圖。如圖7所示，對比圖6，該實施例與圖6所示實施例的區(qū)別在于刻蝕步驟中，氣體流量 在整個過程以正弦波函數(shù)形式變化。我們定義其流量最高點，即T4、T5時間點對應(yīng)的氣體流量，為第一工藝條件的氣體流量的參數(shù)。在該實施例中，在T4至t2時間段內(nèi)，既實現(xiàn)了氣體流量工藝條件的漸變轉(zhuǎn)換，又同時進(jìn)行刻蝕步驟；同樣，在t3至T5時間段內(nèi)，既實現(xiàn)了 氣體流量工藝條件的漸變轉(zhuǎn)換，又同時進(jìn)行刻蝕步驟。因此充分利用了工藝條件轉(zhuǎn)換時間 段，能進(jìn)一步提高深反應(yīng)離子刻蝕的效率。其中，257為刻蝕步驟采用的第一工藝條件，267 為聚合物沉積步驟采用的第二工藝條件。從圖中可見，采用這一方法可以獲得不同的刻蝕 氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體重疊時間，在重疊時間內(nèi)，從刻蝕步驟到聚合物沉積步驟轉(zhuǎn)換過程中， 刻蝕氣體流量逐漸下降，側(cè)壁保護(hù)氣體逐漸上升，在從聚合物沉積步驟到刻蝕步驟轉(zhuǎn)換過 程中，刻蝕氣體逐漸增加同時側(cè)壁保護(hù)氣體逐漸減少。不同的重疊時間長度可以獲得不同 的刻蝕速率和側(cè)壁形狀，重疊時間在整個刻蝕周期中越長則刻蝕速率會略微降低，但是側(cè) 壁形狀卻會顯著改善。這是因為重疊時間增加就意味著刻蝕氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體同時供應(yīng) 的時間增加，這樣一來刻蝕通孔的側(cè)壁就能得到聚合物的更多保護(hù)，側(cè)壁就不會被等向性 的刻蝕。同時少量的聚合物沉積在刻蝕通孔的底部會被入射的高能等離子轟擊所以能夠繼 續(xù)向下刻蝕。側(cè)壁保護(hù)氣體的存在會部分影響刻蝕氣體如SF6到達(dá)底部待刻蝕硅的表面，所 以會部分影響刻蝕速率，在該實施方式中，可以隨著刻蝕深度的增加而增加刻蝕步驟的刻 蝕氣體流量。由于本發(fā)明可以省略兩個步驟之間的切換時間，所以整體刻蝕速率相對現(xiàn)有 技術(shù)整體上仍然有優(yōu)勢。特別是應(yīng)用在電容耦合型反應(yīng)腔，由于氣壓高每個刻蝕周期有大 于四秒的時間用在氣體切換上所以采用本發(fā)明后整體刻蝕速率并沒有減少，但是側(cè)壁形狀 卻能夠得到很大的改善。本發(fā)明的刻蝕氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體重疊時間可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)， 最大可以達(dá)到整個刻蝕周期的100%，最小重疊時間占整個刻蝕周期的比重大于20%時就 對側(cè)壁形狀具有顯著地改善效果了。重疊時間等于30%能夠取得較佳的刻蝕率與側(cè)壁形狀 的平衡。圖8所示為第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第三實施例示意 圖。如圖8所示刻蝕步驟和聚合物沉積步驟中，第一工藝條件和第二工藝的氣體流量、功 率、氣壓在整個過程中均以正弦波函數(shù)形式變化。我們定義T4、T5時間點對應(yīng)的氣體流量、 氣壓、功率，為第一工藝條件的參數(shù)；定義Τ6、Τ7時間點對應(yīng)的氣體流量、氣壓、功率，為第 二工藝條件的氣體流量的參數(shù)。其中，259為刻蝕步驟采用的第一工藝條件，269為聚合物 沉積步驟采用的第二工藝條件。在該實施例中，每個步驟中的每個種氣體的氣體流量均是 按照圖8中所示的曲線形式變化的，特別是對于刻蝕步驟的SF6氣體和聚合物沉積步驟的 C4F8氣體。圖9所示為第二工藝條件和第一工藝條之間的漸變轉(zhuǎn)換方式的第四實施例示意 圖。對比圖6和圖9所示，其主要區(qū)別在于，刻蝕步驟和聚合物沉積步驟中，第一工藝條件 和第二工藝的氣體流量、功率、氣壓在整個過程中均以線性的形式變化。需要指出的是，漸變轉(zhuǎn)換方式過程中，線性形式、曲線形式的其它變換均不受本發(fā) 明限制。例如，通過階梯方波的形式代替正弦波曲線形式，三角波形式代替正弦波形式等 等。因此，在該說明書中不作一一列舉。各種漸變轉(zhuǎn)換過程中，通過設(shè)置每個微小時間間隔 點(例如時間間隔為10毫秒、50毫秒、100毫秒等等)的參數(shù)，實現(xiàn)漸變轉(zhuǎn)換過程的控制。以上工藝條件的漸變轉(zhuǎn)換過程的實施例僅針對氣體流量、功率、氣壓三者的相應(yīng) 轉(zhuǎn)換作說明，圖6至圖9實施例的工藝條件轉(zhuǎn)換過程中，由于是漸變轉(zhuǎn)換過程，區(qū)別于現(xiàn)有 技術(shù)的突變轉(zhuǎn)換方式，在轉(zhuǎn)換過程中，仍然等效存在刻蝕效果和聚合物沉積效果，因此，可相對減少刻蝕步驟與聚合沉積步驟的轉(zhuǎn)換時間，提高深反應(yīng)離子刻蝕效率同時減小側(cè)壁粗 糙度。步驟S500，判斷TSV通孔刻蝕是否結(jié)束，如果判斷為“是”，則結(jié)束DRIE刻蝕過過 程；如果判斷為“否”，返回至步驟S100，繼續(xù)交替執(zhí)行步驟SlOO和步驟S300。例如，如果以 步驟SlOO的刻蝕速率(若每分鐘刻蝕20um)，通過10次步驟SlOO刻蝕過程就可以實現(xiàn)刻 蝕200um深的TSV。可以通過刻蝕機臺的軟件預(yù)先設(shè)置為10次，小于10次，則判斷為“否”， 繼續(xù)交替執(zhí)行步驟SlOO和步驟S300。至此，圖5所示實施例的DRIE過程結(jié)束。通過漸變方式實現(xiàn)第一工藝條件和第二 工藝條件之間轉(zhuǎn)換，DRIE刻蝕形成的通孔在保證了刻蝕速率、側(cè)壁垂直度、底切等條件要求 的情況下，側(cè)壁上的“扇形”基本消失，從而使側(cè)壁具有良好的光滑度。需要說明的是，圖5實施例是針對體硅刻蝕的實施例，該發(fā)明的DRIE方法同樣可 以用于其它材料的深通孔刻蝕，例如，可以在硅基片上刻蝕深刻寬比為10、深度達(dá)到200um 的深通孔，具體的氣體的種類不同于刻蝕體硅的氣體，刻蝕步驟中使用的刻蝕氣體可以選 擇使用CF4、SF6, NF3等氣體(也可以混合02、Ar等氣體)，聚合物沉積步驟可以選擇使用 C4F8, CHF3, CH2F2等側(cè)壁保護(hù)氣體，具體氣體流量大小、氣壓、功率等工藝參數(shù)可以根據(jù)具體 刻蝕要求做變換?？涛g步驟的氣壓參數(shù)可以在300-800mTorr范圍之間，功率參數(shù)可以在 3000-6000W之間，CF4的氣體流量范圍可以在300sccm-1600sccm ；聚合物沉積步驟的氣壓 參數(shù)可以在300-800mTorr范圍之間，功率參數(shù)可以在2000-4000W之間，C4F8的氣體流量范 圍可以在100-400sCCm。本發(fā)明所述聚合物沉積步驟的 目的在于給刻蝕通孔側(cè)壁提供保護(hù) 防止側(cè)壁被刻蝕?；谶@一目的，刻蝕步驟中刻蝕氣體中的O2也具有一定的側(cè)壁保護(hù)效果， 刻蝕氣體的O2的替換氣體也可以是CO、CO2, N2中的一種。。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構(gòu)成許多有很大差別的實施例。應(yīng) 當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實施例。
權(quán)利要求
一種深反應(yīng)離子刻蝕方法，包括多個循環(huán)進(jìn)行的刻蝕周期，每個刻蝕周期包括一個刻蝕步驟和聚合物沉積步驟，其特征在于，所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng)氣體，聚合物沉積步驟供應(yīng)側(cè)壁保護(hù)氣體，刻蝕步驟和聚合物沉積步驟之間的轉(zhuǎn)換過程中，刻蝕氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體供應(yīng)時間存在重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，在從刻蝕步驟到聚合物 沉積步驟轉(zhuǎn)換過程中，在所述重疊的時間內(nèi)，刻蝕氣體逐漸減少同時側(cè)壁保護(hù)氣體逐漸增 加；在從聚合物沉積步驟到刻蝕步驟轉(zhuǎn)換過程中，在所述重疊的時間內(nèi)，刻蝕氣體逐漸增加 同時側(cè)壁保護(hù)氣體逐漸減少。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述重疊的時間大于刻 蝕周期時間的20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述重疊的時間等于刻 蝕周期時間的30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述深反應(yīng)離子刻蝕方 法用于對體硅材料或硅材料進(jìn)行刻蝕形成深通孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕氣體包括CF4、 SF6、NF3中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕氣體還包括02、 C0、C02、N2 之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕步驟中，刻蝕氣 體流量的參數(shù)范圍為300SCCm-1600SCCm，刻蝕步驟的功率的參數(shù)范圍為900瓦-4500瓦，刻 蝕步驟的氣壓的參數(shù)范圍為300-800毫托。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述側(cè)壁保護(hù)氣體氣體 為氟碳化合物，通過聚合物沉積步驟形成位于孔洞側(cè)壁的氟碳聚合物保護(hù)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述側(cè)壁保護(hù)氣體包括 C4F8, CHF3 > CH2F2 中的一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述側(cè)壁保護(hù)氣體的氣 體流量的參數(shù)范圍為100-400sCCm，聚合物沉積步驟的功率的參數(shù)范圍為1000瓦-4500瓦， 聚合物沉積步驟的氣壓的參數(shù)范圍為300-800毫托。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕步驟的刻蝕氣 體流量和聚合物沉積步驟的側(cè)壁保護(hù)氣體流量之間通過線性形式漸變轉(zhuǎn)換.
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕步驟的刻蝕氣 體流量和聚合物沉積步驟的側(cè)壁保護(hù)氣體流量之間通過曲線形式漸變轉(zhuǎn)換。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕氣體的氣體流 量和側(cè)壁保護(hù)氣體的氣體流量通過氣體流量控制器控制。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕步驟采用電容 耦合等離子體源技術(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述重疊的時間范圍為 1至Ij 60秒。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深反應(yīng)離子刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕氣體的氣體流量隨著刻蝕深度的增加而增加。
18.一種氣體流量控制裝置，用于深反應(yīng)離子刻蝕，其特征在于，包括多個用于通反應(yīng)氣體的管路，設(shè)置在每個管路上的氣體流量控制器，以及，氣體流量控制器控制模塊；所述氣體流量控制器控制模塊通過控制每個氣體流量控制器，實現(xiàn)對每個管路的氣體 流量的獨立控制；其中，所述深反應(yīng)離子刻蝕包括多個循環(huán)進(jìn)行的刻蝕周期，每個刻蝕周期 包括一個刻蝕步驟和聚合物沉積步驟，所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng)氣體，聚合物沉積步驟 供應(yīng)側(cè)壁保護(hù)氣體，刻蝕步驟和聚合物沉積步驟之間的轉(zhuǎn)換過程中，刻蝕氣體和側(cè)壁保護(hù) 氣體供應(yīng)時間存在重疊。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的氣體流量控制裝置，其特征在于，所述深反應(yīng)離子刻蝕的 腔室是電容耦合產(chǎn)生等離子的。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的氣體流量控制裝置，其特征在于，所述刻蝕氣體流量通過 氣體流量控制器控制模塊的控制實現(xiàn)刻蝕氣體隨著刻蝕深度的增加而增加。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的氣體流量控制裝置，其特征在于，所述重疊的時間大于刻 蝕周期時間的20%。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的氣體流量控制裝置，其特征在于，所述重疊的時間等于刻 蝕周期時間的30%。
全文摘要
一種深反應(yīng)離子刻蝕方法，屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括多個循環(huán)進(jìn)行的刻蝕周期，每個刻蝕周期包括一個刻蝕步驟和聚合物沉積步驟，所述刻蝕步驟供應(yīng)刻蝕反應(yīng)氣體，聚合物沉積步驟供應(yīng)側(cè)壁保護(hù)氣體，刻蝕步驟和聚合物沉積步驟之間的轉(zhuǎn)換過程中，刻蝕氣體和側(cè)壁保護(hù)氣體供應(yīng)時間存在重疊。使用該發(fā)明的深反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕的深通孔的側(cè)壁具有良好的光滑度，并且刻蝕效率高。
文檔編號G05D7/00GK101958244SQ20091005510
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者劉鵬, 吳萬俊, 尹志堯 申請人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司