一種深矽通孔刻蝕裝置及其刻蝕方法
2023-06-03 09:03:11
一種深矽通孔刻蝕裝置及其刻蝕方法
【專利摘要】一種深矽通孔刻蝕裝置，所述刻蝕裝置包括：一個反應腔，所述反應腔連接到反應氣體供應裝置，所述反應氣體供應裝置供應的反應氣體通過反應腔上的一個排氣口排出，所述排氣口上還包括一個排氣閥門，一個控制裝置控制所述深矽通孔刻蝕裝置在多個刻蝕周期之間循環，每個刻蝕周期包括至少一個刻蝕步驟和一個沉積步驟，所述控制裝置同時控制所述排氣閥門的開度以控制反應腔內的氣壓，其特徵在於所述多個刻蝕周期中排氣閥門的開度隨刻蝕深度的增加而增加。
【專利說明】一種深矽通孔刻蝕裝置及其刻蝕方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深矽通孔刻蝕領域，尤其涉及的是一種深矽通孔刻蝕裝置中的壓力控制方法。
【背景技術】
[0002]在半導體器件的生產過程中，對反應腔室的壓力控制至關重要。特別是在多步刻蝕工藝中，由於反應腔室的壓力直接影響刻蝕的效果，因此，更需要精確控制反應腔室的壓力，使腔室中的多個壓力穩定地進行重複交替等。
[0003]例如，在採用多步刻蝕工藝形成矽通孔(TSV)的過程中，具體可以採用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術或電容耦合等離子體(CCP)刻蝕技術，整個刻蝕過程包括多個周期，每個周期一般可以分為:刻蝕(Etch Step, ES)和沉積(Deposition Step, DS)三個步驟,其中，CS步驟和ES步驟中反應腔室的壓力可以為第一壓力，DS步驟中反應腔室的壓力則需要調整為第二壓力，因此反應腔室的壓力需要在第一壓力和第二壓力之間交替變換。
[0004]現有技術中多步刻蝕工藝是在壓力伺服模式(pressure servo model)下,通過擺閥(pendulum)進行反應腔室的壓力控制。擺閥是一種可以根據設定氣壓來調節開啟大小的閥門裝置，反應腔室至少包括一個用於輸入反應氣體的氣體擴散口和一個用於排出反應氣體的氣體排出口，擺閥可以設置在反應腔室的氣體排出口處。當設定一個壓力值後，通過氣體擴散口向反應腔室通入一定量的氣體，然後擺閥可以根據反應腔室內通入氣體的流量和設定壓力值來旋轉，平移開氣體排出口，通過控制擺閥的開啟大小，控制反應腔室內的壓力達到設定的壓力值。由於氣體的流量、腔室的壓力、腔室的溫度等都可能隨時發生變化，從而氣體排出口的開口寬度也不固定，是浮動變化的。
[0005]在完成TSV刻蝕後形成的通孔中會填入導體材料以形成IC電路中的導通路徑。所以深矽通孔(TSV)的側壁形貌就變得很重要，成為TSV刻蝕工藝的關鍵指標。比如，當矽通孔側壁有凹口(bowing)或者側壁呈上窄下寬時就很難將導體材料通過沉積或者銅電鍍的方法填充入刻蝕形成的通孔中。為了精確控制深矽通孔(TSV)的側壁形貌，刻蝕工藝中的參數隨著刻蝕深度漸變是常用的手段，比如氣體流量，源射頻功率，偏置射頻功率，溫度等。但是這些手段也有一定的缺陷，在部分對氣壓變化比較敏感的加工流程中這些手段無論如何調效果也不是很明顯。同時在調試過程中最佳的氣壓的獲得也需要在鎖定其它參數的情況下逐個嘗試，然後比較不同氣壓下處理的效果獲得最優化的氣壓參數。在嘗試過程中每一個氣壓值都需要人員手動設定入控制系統，不僅費時費力，而且並不一定能找到最佳的氣壓值。
[0006]相對於現有的幾個參數改變方法，實現氣壓在整個刻蝕過程中逐漸改變是最困難的，因為在Bosch刻蝕方法中刻蝕步驟和沉積步驟是快速切換的，這些刻蝕和沉積步驟最短只有0.5秒左右，現有的硬體反應速度和精度很難跟上如此快速而且要求精確的氣壓變化。因此，如何提高腔室壓力的穩定性和準確性以形成最佳的刻蝕形貌就成為本領域技術人員亟待解決的問題。
【發明內容】
[0007]本發明解決的問題是提供一種深矽通孔刻蝕方法，以得到更好的刻蝕通孔形貌。
[0008]為解決上述問題，本發明提供了一種深矽通孔刻蝕裝置，一種深矽通孔刻蝕裝置，所述刻蝕裝置包括:一個反應腔，所述反應腔連接到反應氣體供應裝置，所述反應氣體供應裝置供應的反應氣體通過反應腔上的一個排氣口排出，所述排氣口上還包括一個排氣閥門，一個基片安裝臺，待處理基片放置在基片安裝臺上，一個控制裝置控制所述深矽通孔刻蝕裝置在多個刻蝕周期之間循環，每個刻蝕周期中向下刻蝕所述基片以增加通孔的深度，每個刻蝕周期包括至少一個刻蝕步驟和一個沉積步驟，所述控制裝置同時控制所述排氣閥門的開度以控制反應腔內的氣壓，其特徵在於所述多個刻蝕周期中排氣閥門的開度隨基片上通孔的深度的增加而增加。其中排氣閥門開度在刻蝕步驟和沉積步驟中同步增加。較佳的，刻蝕步驟中排氣閥開度增加幅度大於在沉積步驟中的增加幅度。其中多個刻蝕周期構成一個刻蝕階段，每個刻蝕階段內具有穩定的閥門開度，多個刻蝕階段完成對深矽通孔的刻蝕。
[0009]本發明還提供了一種深矽通孔刻蝕方法，所述刻蝕方法包括:提供一個反應腔；放置待處理矽基片放置到反應腔內的基片安裝臺上；在待處理基片上形成帶有刻蝕圖形的開口 ；執行循環的多個刻蝕周期，每個刻蝕周期包括至少一個刻蝕步驟和一個沉積步驟，在刻蝕步驟中通入刻蝕氣體，在沉積步驟中通入沉積氣體，每個刻蝕周期都從所述開口向下刻蝕所述矽基片，直到形成目標深度的通孔；其特徵在於刻蝕孔達到不同深度時所述刻蝕氣體在反應腔內具有不同氣壓，其中刻蝕到達目標深度時的氣壓小於在刻蝕基片開口部分時的氣壓。
[0010]其中刻蝕步驟和沉積步驟中氣壓同步減少，最優的刻蝕步驟中氣壓減少幅度大於沉積步驟中氣壓減少幅度。
[0011]其中從開口向下刻蝕到目標深度的刻蝕過程包括多個刻蝕階段，每個刻蝕階段包括多個交替的刻蝕步驟和沉積步驟，且所述刻蝕步驟和沉積步驟具有穩定的氣壓，多個刻蝕階段完成對深矽通孔的刻蝕。
[0012]本發明刻蝕方法，在矽基片上的目標深度的刻蝕孔的深寬比大於20:1。
[0013]本發明所述刻蝕周期還可以包括輔助處理步驟，所述輔助處理步驟中通入輔助處理氣體，輔助處理氣體具有不同於所述刻蝕氣體和沉積氣體的氣體成分，且每個輔助處理步驟的氣壓隨著通孔刻蝕深度的增加減小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明腔室的結構示意圖；
[0015]圖2是本發明實施例一中腔室壓力與排氣閥門開度關係示意圖；
[0016]圖3是本發明實施例二中腔室壓力與排氣閥門開度關係示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。[0018]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0019]正如【背景技術】部分所述，現有技術在控制腔室壓力時，腔室的氣體排出口的閥門開度不斷浮動變化，在尚未調試到目標氣壓時就已經要切換到下一個目標氣壓了，從而使得腔室的壓力穩定性很差，且腔室的實際壓力與目標壓力的差值很大，影響了反應腔室內進行的工藝質量。
[0020]針對上述問題，發明人提出在控制腔室壓力時，保持腔室的氣體排出口的開口寬度不變。具體地，本發明應用於圖1所述的等離子刻蝕反應器在設置目標壓力後，先在前期幾個刻蝕-沉積周期中通過逐漸改變排氣閥門開度獲取與所述目標壓力相對應的目標排氣閥門開口寬度，然後保持氣體排出口開口寬度在目標開口寬度不變，使腔室的壓力為目標壓力，從而保證了腔室壓力的穩定性和準確性。在深孔矽刻蝕(TSV)過程中，為了調控深孔矽刻蝕孔的側壁形貌，需要進一步優化調節在整個刻蝕過程中的氣壓變化。
[0021]下面結合附圖進行詳細說明。
[0022]實施例一
[0023]參考圖1所示，本實施例中供氣裝置200通過進氣閥110向腔室100中提供反應氣體，在氣體排出口處設置一個排氣擺閥150，反應後的氣體可以通過排氣擺閥150排入排氣系統300中。具體地，腔室100的頂部為絕緣窗口 140，絕緣窗口 140上設置有多個用於產生射頻信號的線圈120，線圈120與射頻電源130相連。腔室100內包括基座(即下電極)22，基座22與射頻電源160相連，基座22上設置有靜電夾盤21，靜電夾盤21的邊緣為邊緣環10，待處理的晶圓20被夾持在靜電夾盤21上。
[0024]本實施例中還可以在腔室100中設置一個壓力傳感器(圖中未示出)，從而可以實時獲取腔室100的實際壓力。
[0025]此外，本實施例中還可以設置一個控制器(圖中未示出)，進氣閥110、擺閥150和壓力傳感器130均與控制器相連，從而控制器可以控制進氣閥110與氣體排出口的開口寬度，並可以獲取腔室100的實時壓力。當腔室100的壓力處於壓力伺服模式下時，可以由排氣擺閥根據內置程序運行來逐漸修正氣體排出口的開口寬度。當腔室100的壓力處於固定開口模式(fixed VATmodel)下時，氣體排出口的開口寬度由控制器控制。
[0026]需要說明的是，圖1所示裝置僅為舉例，其不限制本發明的保護範圍。
[0027]參考圖2所示，腔室壓力與排氣閥門開度關係示意圖，如圖所示其中閥門開度曲線41在刻蝕第一階段中，也就是刻蝕矽通孔的開口部分時，無論是刻蝕步驟還是沉積步驟的均處於較高值達到105，此時反應腔內氣壓曲線42的刻蝕和沉積的氣壓也保持在約llOmtorr，經過約200秒時間後進入第二階段，此時刻蝕步驟和沉積步驟的閥門開口調整為102，反應腔內的氣壓也同步升至115mtorr ;後續第三-第五階段閥門開口分別調整至99/96/93，相應的氣壓也分別為120/125/130mtorr。採用本發明分段調整閥門開度後氣壓會隨著刻蝕深度的增加分段的增加。
[0028]參考圖3所示為本發明第二實施例的腔室壓力和排氣發明開度示意圖，其中43為發明開度曲線，44為腔室壓力變化曲線。如圖所示，閥門開度在第一個刻蝕-沉積周期中為90/98，對應的刻蝕和沉積步驟氣壓120mT/57mT隨著刻蝕深度的增加，閥門開度逐漸的緩慢的變為116/98，對應的氣壓也變為80mT/57mT。
[0029]在深孔矽的刻蝕中，隨著氣壓的變化反應速率和效果都會隨之變化，比如，氣壓高時刻蝕氣體與待刻蝕的矽材料的反應速度會加快，由於採用Bosch方法的刻蝕步驟是等向性刻蝕，所以橫向的開口尺寸也會較大。採用本發明方法在整個刻蝕過程的開始階段採用較高氣壓，在刻蝕後段採用較低氣壓能夠獲得上大下小的理想刻蝕孔形貌。
[0030]在深孔矽刻蝕中由於刻蝕深度非常大，通常要大於lOOum，在刻蝕到後半段比如大於60um，，其開口通常只有l-3um，所以刻蝕孔的深寬比(aspect ratio)普遍大於20:1，在如此高的深寬比下反應形成的副產物氣體很難從深孔中向上擴散，從開口處排出，所以嚴重影響了後段刻蝕速率。而且由於刻蝕時間較長，很多早期入射的離子會吸附在刻蝕形成的通孔的側壁，這些帶電離子形成的電場會影響後續入射離子的飛行軌跡，最終會造成刻蝕的通孔不是垂直向下，而是會出現傾斜或者呈螺旋形。採用本發明方法後隨著刻蝕深度的增加氣壓逐漸降低，更低的氣壓有利於深孔中一些反應副產物的排出，也就有利於進一步向下刻蝕。同時低壓也對消除通孔側壁的積累的電荷有利。
[0031]除了實施一和實施例二所示的同步調整刻蝕和沉積步驟中的閥門開度，或者逐漸調整刻蝕步驟中的閥門開度，保持沉積步驟中的氣壓不變，也可以是刻蝕和沉積步驟中同時調節閥門開度，其中刻蝕步驟中閥門開度變化幅度大，沉積步驟中閥門開度變化小，比如刻蝕/沉積步驟中的氣壓逐漸從90/98，94/100, 98/102…轉變為114/110。刻蝕步驟中刻蝕氣體對沒有聚合物保護的矽材料進行刻蝕形成新的刻蝕區域，所以更多刻蝕氣體分子能夠到達反應區域斷面，能夠提高刻蝕氣體的利用率，提高刻蝕速率，刻蝕孔的孔洞一旦形成就會在後續的沉積步驟中被聚合物覆蓋，無法再對其進行修正了。沉積氣體的氣壓對沉積效果影響不大，因為在一個刻蝕周期中只要刻蝕孔側壁的聚合物沒有被破壞，在下一個刻蝕周期的沉積步驟中會有新的聚合物覆蓋，所以對刻蝕孔整體形貌的影響不大。逐漸減小沉積步驟的氣壓對沉積氣體到達刻蝕孔底部也有一定的幫助，有利於提高氣體利用率，所以可以在整個刻蝕過程中同步增大刻蝕和沉積步驟對應的閥門開度，只是刻蝕步驟對應的閥門開度增加幅度更大。
[0032]本發明所述Bosch方法包括重複進行的刻蝕-沉積周期，每個刻蝕步驟中向反應腔室中通入刻蝕氣體，刻蝕氣體中主要氣體的流量為:SF6流量為500-2000SCCM，02流量為50-300SCCM，還可以包括輔助氣體SiF4流量為200-600SCCM ;在沉積步驟中通入的沉積氣體主要是氟碳化合物如C4F8或氟碳氫氣體如CHF3、CH2F2、CH3F等。
[0033]本發明除了如實施例1和2那樣，多個交替循環的刻蝕周期都包括一個刻蝕步驟和一個沉積步驟，刻蝕周期內還可以包括清潔步驟或者其它輔助處理步驟，或者中間刻蝕步驟等。其中清潔步驟是指在沉積步驟後通入含氧氣體對多餘的聚合物進行處理，但有不會將側壁的大部分聚合物沉積層清除掉，中間刻蝕步驟是指完成主要刻蝕步驟後再通入少量刻蝕氣體以進行慢速刻蝕，然後再切換到沉積步驟，這樣有利於減少刻蝕氣體和沉積氣體的混合。在這些輔助步驟中也可以同步的減少氣壓來獲得更優化的刻蝕效果，比如在多個刻蝕周期中的清潔步 驟，由於清潔步驟既要清除多餘的聚合物又不能過多破壞開口部分的聚合物保護層，所以刻蝕的量需要精確控制，但是利用傳統控制手段如:控制氣體流量或改變施加到反應腔內的功率並不能解決刻蝕孔深處大量反應副產物無法排出的問題，利用本發明方法隨著深度增加逐漸減少氣壓可以有效改善清潔步驟中的處理效果。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種深矽通孔刻蝕裝置，所述刻蝕裝置包括: 一個反應腔，所述反應腔連接到反應氣體供應裝置，所述反應氣體供應裝置供應的反應氣體通過反應腔上的一個排氣口排出，所述排氣口上還包括一個排氣閥門，一個基片安裝臺，待處理基片放置在基片安裝臺上， 一個控制裝置控制所述深矽通孔刻蝕裝置在多個刻蝕周期之間循環，每個刻蝕周期中向下刻蝕所述基片以增加通孔的深度，每個刻蝕周期包括至少一個刻蝕步驟和一個沉積步驟，所述控制裝置同時控制所述排氣閥門的開度以控制反應腔內的氣壓，其特徵在於所述多個刻蝕周期中排氣閥門的開度隨基片上通孔的深度的增加而增加。
2.如權利要求1所述的刻蝕裝置，其特徵在於，所述排氣閥門開度在刻蝕步驟和沉積步驟中同步增加。
3.如權利要求2所述的腔室的刻蝕裝置，其特徵在於，所述刻蝕步驟中排氣閥開度增加幅度大於在沉積步驟中的增加幅度。
4.如權利要求1所述的刻蝕裝置，其特徵在於，所述多個刻蝕周期構成一個刻蝕階段，每個刻蝕階段內具有穩定的閥門開度，多個刻蝕階段完成對深矽通孔的刻蝕。
5.一種深矽通孔刻蝕方法，所述刻蝕方法包括: 提供一個反應腔； 放置待處理矽基片放置到反應腔內的基片安裝臺上； 在待處理基片上形成帶有刻蝕圖形的開口 ； 執行循環的多個刻蝕周期，每個刻蝕周期包括至少一個刻蝕步驟和一個沉積步驟，在刻蝕步驟中通入刻蝕氣體，在沉積步驟中通入沉積氣體，每個刻蝕周期都從所述開口向下刻蝕所述矽基片，直到形成目標深度的通孔； 其特徵在於刻蝕孔達到不同深度時所述刻蝕氣體在反應腔內具有不同氣壓，其中刻蝕到達目標深度時的氣壓小於在刻蝕基片開口部分時的氣壓。
6.如權利要求5所述的刻蝕方法，其特徵在於刻蝕步驟和沉積步驟中氣壓同步減少。
7.如權利要求6所述的刻蝕方法，其特徵在於，所述刻蝕步驟中氣壓減少幅度大於沉積步驟中氣壓減少幅度。
8.如權利要求5所述的刻蝕方法，其特徵在於，所述從通孔開口向下刻蝕到目標深度的刻蝕過程包括多個刻蝕階段，每個刻蝕階段包括多個刻蝕周期，且所述同樣刻蝕階段內的刻蝕周期中的刻蝕步驟和沉積步驟具有穩定的氣壓，多個刻蝕階段完成對通孔的刻蝕。
9.如權利要求5所述的刻蝕方法，其特徵在於，所述目標深度的刻蝕通孔的深寬比大於 20:1。
10.如權利要求5所述的刻蝕方法，其特徵在於，所述刻蝕周期還包括一輔助處理步驟，所述輔助處理步驟中通入輔助處理氣體，輔助處理氣體具有不同於所述刻蝕氣體和沉積氣體的氣體成分，且每個輔助處理步驟的氣壓隨著通孔刻蝕深度的增加減小。
【文檔編號】H01L21/768GK103745945SQ201310573371
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2013年11月15日
【發明者】黃秋平, 許頌臨, 嚴利均, 辛朝煥 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司