等離子體刻蝕方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種等離子體刻蝕方法，用于對放置在等離子體反應腔室中的晶片進行加工處理，包括如下步驟：向反應腔室通入制程氣體，制程氣體至少包括刻蝕氣體和側(cè)壁保護氣體；在反應腔室中產(chǎn)生一功率呈脈沖式變化的射頻電場，以使反應腔室中交替進行刻蝕制程與側(cè)壁保護制程。其減少了刻蝕過程中側(cè)壁上出現(xiàn)波浪形的形貌，結(jié)構(gòu)簡單，實施便利。
【專利說明】等離子體刻蝕方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體加工制造方法，更具體地說，涉及一種等離子體刻蝕方法。
【背景技術(shù)】
[0002]穿透娃通孔(through silicon via,簡稱TSV)技術(shù)能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、芯片之間的互連線最短、外形尺寸最小，可以有效地實現(xiàn)這種3D芯片層疊，制造出結(jié)構(gòu)更復雜、性能更強大、更具成本效率的芯片，從而成為了目前電子封裝技術(shù)中最引人注目的技術(shù)之一。
[0003]TSV刻蝕工藝是一個刻蝕工藝和聚合物沉積工藝交替進行的過程，即先對襯底刻蝕一部分，然后對側(cè)壁進行聚合物沉積，防止下一次的刻蝕開口過大，再繼續(xù)下一輪的刻蝕和聚合物沉積，這樣交替進行，直到將刻蝕停止層材料去除(部分TSV刻蝕工藝中不設(shè)刻蝕停止層)，到達基底；TSV刻蝕工藝之后再進行CMP工藝和3D封裝。聚合物沉積的作用是保護側(cè)壁，減少側(cè)壁上的開口，以期得到垂直的刻蝕形貌。具體工藝的實現(xiàn)上是以刻蝕反應用的氣體和側(cè)壁保護所用的氣體進行快速切換，來實現(xiàn)刻蝕反應和聚合物沉積反應交替進行。當以更高的頻率進行兩種反應的交替時，側(cè)壁的形貌會更接近于理想中的形態(tài)。但由于硬件的限制，傳統(tǒng)的工藝中刻蝕和沉積不可能實現(xiàn)非?？焖俚那袚Q，從而刻蝕的側(cè)壁形貌會出現(xiàn)波浪形，如圖1所示，波浪形的結(jié)構(gòu)會影響后續(xù)填充金屬的效果，影響電學性能。 [0004]因此，避免或減少刻蝕過程中側(cè)壁上出現(xiàn)波浪形的形貌，是本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種等離子刻蝕方法，其能有效減少刻蝕過程中側(cè)壁上出現(xiàn)波浪形的形貌。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種等離子體刻蝕方法，用于對放置在等離子體反應腔室中的晶片進行加工處理，包括如下步驟:a)、向反應腔室通入制程氣體，制程氣體至少包括刻蝕氣體和側(cè)壁保護氣體；b)、在反應腔室中產(chǎn)生一功率呈脈沖式變化的射頻電場，以使反應腔室中交替進行刻蝕制程與側(cè)壁保護制程。
[0008]優(yōu)選地，射頻電場由接入反應腔室的第一射頻電源和第二射頻電源共同作用于反應腔室而產(chǎn)生，第一射頻電源用于通過電感耦合的方式使刻蝕氣體、側(cè)壁保護氣體電離，第二射頻電源用于產(chǎn)生對晶片的定向物理濺射轟擊。
[0009]優(yōu)選地，射頻電場功率在第一功率和第二功率之間交替變化，第一功率大于1000W，第二功率小于800w。
[0010]優(yōu)選地，第一、第二射頻電源分別包括兩個功率級，第一射頻電源的功率在第一閾值和第二閾值之間交替變化，第二射頻電源的功率在第三閾值和第四閾值之間交替變化。
[0011]本發(fā)明提供的等離子刻蝕方法，不需交替向反應腔室中通入刻蝕氣體和側(cè)壁保護氣體，而是通過在反應腔室中產(chǎn)生在第一功率和第二功率之間交替變化的射頻電場，實現(xiàn)了刻蝕反應和沉積反應的快速切換，從而減少了刻蝕過程中側(cè)壁上出現(xiàn)波浪形的形貌。其結(jié)構(gòu)簡單，實施便利。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1示出現(xiàn)有技術(shù)刻蝕過程中側(cè)壁出現(xiàn)的波浪形形貌；
[0013]圖2示出本發(fā)明的等離子體刻蝕方法流程示意圖；
[0014]圖3不出本發(fā)明第一實施例中第二射頻電源的一種功率波形和對應的電壓信號波形；
[0015]圖4示出本發(fā)明的刻蝕過程中側(cè)壁最終的形貌；
[0016]圖5示出本發(fā)明第一實施例中第一射頻電源和第二射頻電源的功率波形；
[0017]圖6示出本發(fā)明第二實施例中第一射頻電源和第二射頻電源的功率波形。 【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0019]需要說明的是，本發(fā)明不僅可應用于TSV刻蝕工藝中，還可應用到其他的等離子體刻蝕工藝中。
[0020]如圖2所示，本發(fā)明一實施例的等離子體刻蝕方法，包括如下兩個主要步驟:
[0021]S11、向反應腔室通入制程氣體，制程氣體至少包括刻蝕氣體和側(cè)壁保護氣體。
[0022]具體地，根據(jù)本發(fā)明的實施例，一并向反應腔室中通入制程氣體，而不需要在刻蝕反應用的氣體和沉積反應用的氣體之間進行快速切換，從而避免了因快速切換氣體而要求的硬件設(shè)計及開銷。
[0023]進一步地，制程氣體中的刻蝕氣體為SF6，側(cè)壁保護氣體為C4F8或其他可引起聚合物沉積反應的氣體。制程氣體還可以包括O2和Ar等，用于調(diào)節(jié)刻蝕氣體和側(cè)壁保護氣體的濃度。
[0024]S12、在反應腔室中產(chǎn)生一個功率呈脈沖式變化的射頻電場，該射頻電場的功率在第一功率和第二功率之間交替變化。
[0025]其中，第一功率大于第二功率。具體地，第一功率可以為大于1000W，第二功率可以為小于800W。
[0026]具體地，上述功率交替變化的射頻電場可以由接入反應腔室中電極的第一射頻電源和第二射頻電源共同作用于反應腔室而產(chǎn)生。第一、第二射頻電源為交流電源，第一射頻電源產(chǎn)生源功率，第二射頻電源產(chǎn)生偏置功率。
[0027]一方面，第一射頻電源通過電感耦合的方式使刻蝕氣體、側(cè)壁保護氣體電離，產(chǎn)生活性游離基、亞穩(wěn)態(tài)粒子、原子等高密度的等離子體，這些活性粒子與被刻蝕材料表面相互作用；等離子體在第二射頻電源的作用下產(chǎn)生對襯底的定向物理濺射轟擊，對化學反應具有明顯的輔助作用，可以起到打斷化學鍵、引起晶格損傷和促進襯底表面的化學反應等重要作用。當被刻蝕材料(晶片)與電離產(chǎn)生的自由基或正離子進行反應并生成可揮發(fā)的氣態(tài)物質(zhì)時，就達到了刻蝕反應的目的。
[0028]另一方面，電離后的部分制程氣體又會生成聚合物，并在側(cè)壁表面沉積，從而起到了保護側(cè)壁、防止刻蝕開口過大的作用。
[0029]需要說明的是，刻蝕反應與沉積反應并不是不能共存的，只是在某一時刻，反應腔室中更多地進行刻蝕反應，而另一時刻，反應腔室中更多地進行沉積反應。本發(fā)明中的刻蝕反應、沉積反應即是指上述情況。
[0030]下面以刻蝕氣體為SF6,側(cè)壁保護氣體為C4F8為例，說明何種情況下反應腔室中以刻蝕反應為主，何種情況下反應腔室中以聚合物沉積反應為主。
[0031]在反應腔室中射頻電場強度較高的情況下(射頻電場的功率大于1000W)，SF6解離形成大量的F的自由基進行刻蝕反應。這時C4F8同時解離并生成CF聚合物，沉積在側(cè)壁，但由于大量F自由基的存在，部分CF聚合物(尤其是刻蝕開口底部的聚合物)會被物理轟擊并被F自由基反應掉。因此在射頻電場功率較高的情況下，反應腔室中主要進行等離子體的刻蝕反應。在射頻電場強度較低的情況下(射頻電場的功率小于800W)，S-F鍵難以斷裂，SF6解離度較低，而此時C4F8會聚合形成大量的聚合物保護側(cè)壁，也就是說，此時反應腔室中以聚合物沉積反應為主。
[0032]從而，通過使反應腔室中射頻電場的功率在第一功率和第二功率之間交替變化，就可以實現(xiàn)刻蝕反應和聚合物沉積反應的快速切換。
[0033]根據(jù)本發(fā)明上述實施例的一種【具體實施方式】，第一、第二射頻電源為交流電源，第一射頻電源的頻率可以為12-100MHZ，第二射頻電源的頻率可以為2-13MHZ。具體地，第一射頻電源包括兩個功率級，其功率在第一閾值和第二閾值之間交替變化，其中第一閾值大于第二閾值。例如，第一射頻電源的功率波形呈方波變化，高電平對應第一閾值，低電平對應第二閾值。
[0034]第二射頻電源也包括兩個功率級，其功率在第三閾值和第四閾值之間交替變化，其中第三閾值大于第四閾值。例如，第二射頻電源的功率波形呈方波變化，高電平對應第三閾值，低電平對應第四閾值。
[0035]進一步地，第一、第二、第三閾值、第四閾值的取值范圍分別為1000-3000W、500-1000W、200-500W、0-300W。
[0036]當?shù)谌撝禐?00W，第四閾值為100W時，第二射頻電源的功率波形如圖3中a波形所示，其高電平對應于第三閾值、低電平對應于第四閾值，第二射頻電源的電壓信號波形可以如圖3中b波形所示，電壓信號頻率可以為2-13MHZ。
[0037]在功率不斷變化的第一射頻電源、第二射頻電源的共同作用下，反應腔室中產(chǎn)生了功率呈脈沖式變化的射頻電場，進而實現(xiàn)了反應腔室中刻蝕反應與聚合物沉積反應的交替進行。
[0038]通過對第一、第二射頻電源的功率波形的頻率及高低電平對應的功率幅值的調(diào)節(jié)，可以達到最佳的刻蝕反應和聚合物沉積反應的組合，從而得到接近于理想狀態(tài)的側(cè)壁形貌，如圖4所示。
[0039]進一步地，第一、第二射頻電源的功率波形均為方波，兩方波的頻率相同，均小于50KHZ，兩方波的占空比均大于等于10%小于等于90%。第一、第二射頻電源的功率波形可以如圖5中的a波形和b波形所示。
[0040]理論上射頻電源的功率波形的頻率越高，刻蝕側(cè)壁的粗糙度越低、波浪形越少，但在一定的頻率以上，頻率的影響變得不再明顯，而且太高的頻率對硬件要求很高。優(yōu)選情況下，第一、第二射頻電源較佳的功率波形的頻率范圍為10-20KHZ。
[0041]在一種具體實施情況下，兩方波頻率同為20KHZ且同步。此時，當兩方波的占空比為10%時，即高電平的時間為整個周期的10%。這時反應腔室中沉積反應的時間更長，聚合物沉積量較大，刻蝕速率相對較慢，此時側(cè)壁粗糙度相對較高、波浪形還比較明顯。隨占空比增加至40-60%，刻蝕時間變長，聚合物沉積量變少，側(cè)壁粗糙度逐漸降低、波浪形減少，當刻蝕反應和沉積反應達到平衡時，側(cè)壁已接近于理想中的形貌。當占空比為90%時，刻蝕反應占主導，聚合物沉積量不足以起到保護側(cè)壁的作用，側(cè)壁粗糙度又變高。優(yōu)選情況下，較佳的功率波形的占空比為40-60%。
[0042]在另一具體實施情況下，兩方波頻率相同、具體為10KHZ，占空比也相同、具體為50 %，選擇對兩方波的相位進行調(diào)制時，在兩方波之間相位差不同的情況下，刻蝕反應與沉積反應的交替會有多種不同情況。優(yōu)選情況下，兩方波的相位差為0-90度，此時側(cè)壁接近于理想的形貌，最好時第二射頻電源的功率方波與第一射頻電源的功率方波的相位差為45度。
[0043]因此，通過調(diào)節(jié)第一射頻電源和/或第二射頻電源的功率波形的占空比、頻率和相位等特征，就可以使射頻電場的功率以更高的頻率進行脈沖式變化，從而使反應腔室中的刻蝕反應與聚合物沉積反應更快速地切換，使側(cè)壁形貌減少波浪形、更趨近于垂直、平滑，因此優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中切換反應氣體的方法。
[0044]可以理解，第一、第二射頻電源的功率波形的頻率可以不同，占空比也可以相異，但都可以一起作用于反應腔室而產(chǎn)生功率呈脈沖式變化的射頻電場，應落入本發(fā)明的保護范圍。 [0045]本發(fā)明第二實施例的等離子體刻蝕方法，同樣包括:
[0046]S11、向反應腔室通入制程氣體，制程氣體至少包括刻蝕氣體和側(cè)壁保護氣體。
[0047]S12、在反應腔室中產(chǎn)生一個功率呈脈沖式變化的射頻電場，該射頻電場的功率在第一功率和第二功率之間交替變化。
[0048]功率呈脈沖式變化的射頻電場同樣由第一射頻電源和第二射頻電源共同作用于反應腔室而產(chǎn)生，第一、第二射頻電源為交流電源，第一射頻電源產(chǎn)生源功率，第二射頻電源產(chǎn)生偏置功率。但不同的是，其中第一射頻電源為單一功率級，其功率為一恒定值，而第二射頻電源包括兩個功率級，其功率在第三閾值和第四閾值之間交替變化，第三閾值大于第四閾值。第一、第二射頻電源的功率波形可以如圖6中的a波形和b波形所示。
[0049]進一步地，第三閾值的取值范圍為500-1000W，第四閾值的取值范圍為0-500W。
[0050]進一步地，第二射頻電源的功率波形為方波，其頻率小于50KHZ，占空比大于等于10%小于等于90%。
[0051]優(yōu)選情況下，上述方波頻率為10-20KHZ，占空比為40% -60%。
[0052]進一步地，方波占空比為50%。
[0053]根據(jù)該實施例，實現(xiàn)了反應腔室中刻蝕反應和沉積反應的快速切換，避免了快速切換氣體所需的硬件設(shè)計和費用，更減少了刻蝕過程中側(cè)壁上出現(xiàn)波浪形的形貌，使側(cè)壁接近于理想中的垂直、平滑的形貌。
[0054]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應包含在本發(fā)明的 保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體刻蝕方法，用于對放置在等離子體反應腔室中的晶片進行加工處理，包括如下步驟: a)、向所述反應腔室通入制程氣體，所述制程氣體至少包括刻蝕氣體和側(cè)壁保護氣體； b)、在所述反應腔室中產(chǎn)生一功率呈脈沖式變化的射頻電場，以使所述反應腔室中交替進行刻蝕制程與側(cè)壁保護制程。
2.如權(quán)利要求1所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述射頻電場由接入所述反應腔室的第一射頻電源和第二射頻電源共同作用于所述反應腔室而產(chǎn)生，所述第一射頻電源用于通過電感耦合的方式使所述刻蝕氣體、側(cè)壁保護氣體電離，所述第二射頻電源用于產(chǎn)生對所述晶片的定向物理濺射轟擊。
3.如權(quán)利要求2所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述射頻電場功率在第一功率和第二功率之間交替變化，所述第一功率大于1000W，所述第二功率小于800W。
4.如權(quán)利要求3所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述第一、第二射頻電源分別包括兩個功率級，所述第一射頻電源的功率在第一閾值和第二閾值之間交替變化，所述第二射頻電源的功率在第三閾值和第四閾值之間交替變化。
5.如權(quán)利要求4所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述第一閾值、第二閾值、第三閾值和第四閾值的取值范圍分別為1000-3000W、500-1000W、200-500W、0-300W。
6.如權(quán)利要求5所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述第一射頻電源、第二射頻電源的功率波形均為方波，所述方波的頻率小于50KHZ，所述方波的占空比大于等于10%小于等于90%。
7.如權(quán)利要求6所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述方波頻率為10-20KHZ，占空比為40% -60% 。
8.如權(quán)利要求7所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述方波占空比為50%。
9.如權(quán)利要求4至8中任一項所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述第一射頻電源與所述第二射頻電源信號頻率相同，所述第二射頻電源的功率波形與所述第一射頻電源的功率波形具有一相位差，所述相位差大于等于O度小于等于90度。
10.如權(quán)利要求3所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述第一射頻電源具有單一功率級，所述第二射頻電源包括兩個功率級，所述第二射頻電源的功率在第三閾值和第四閾值之間交替變化。
11.如權(quán)利要求10所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述第三閾值的取值范圍為200-500W，所述第四閾值的取值范圍為0-300W。
12.如權(quán)利要求11所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述第二射頻電源的功率波形為方波，所述方波的頻率小于50KHZ，所述方波的占空比大于等于10%小于等于90%。
13.如權(quán)利要求12所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述方波頻率為10-20KHZ，占空比為40% -60% ο
14.如權(quán)利要求13所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述方波占空比為50%。
15.如權(quán)利要求1至8中任一項、或10至14中任一項所述的等離子體刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕氣體為SF6，所述側(cè)壁保護氣體為C4F8，所述制程氣體還包括O2和Ar。
【文檔編號】C30B33/12GK103898613SQ201210567790
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月24日
【發(fā)明者】王兆祥, 梁潔, 楊平, 李晶 申請人:中微半導體設(shè)備(上海)有限公司