技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体加工制造方法，更具体地说，涉及一种等离子体刻蚀方法。
背景技术
[0002] 穿透
硅通孔(through silicon via，简称TSV)技术能够使芯片在三维方向堆叠的
密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小，可以有效地实现这种3D芯
片层叠，制造出结构更复杂、性能更强大、更具成本效率的芯片，从而成为了目前
电子封装技术中最引人注目的技术之一。
[0003] TSV刻蚀工艺是一个刻蚀工艺和
聚合物沉积工艺交替进行的过程，即先对衬底刻蚀一部分，然后对
侧壁进行聚合物沉积，防止下一次的刻蚀开口过大，再继续下一轮的刻蚀和聚合物沉积，这样交替进行，直到将刻蚀停止层材料去除(部分TSV刻蚀工艺中不设刻蚀停止层)，到达基底；TSV刻蚀工艺之后再进行CMP工艺和3D封装。聚合物沉积的作用是保护侧壁，减少侧壁上的开口，以期得到垂直的刻蚀形貌。具体工艺的实现上是以刻蚀反应用的气体和侧壁保护所用的气体进行快速切换，来实现刻蚀反应和聚合物沉积反应交替进行。当以更高的
频率进行两种反应的交替时，侧壁的形貌会更接近于理想中的形态。但由于
硬件的限制，传统的工艺中刻蚀和沉积不可能实现非常快速的切换，从而刻蚀的侧壁形貌会出现波浪形，如图1所示，波浪形的结构会影响后续填充金属的效果，影响电学性能。
[0004] 因此，避免或减少刻蚀过程中侧壁上出现波浪形的形貌，是本发明需要解决的技术问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种等离子刻蚀方法，其能有效减少刻蚀过程中侧壁上出现波浪形的形貌。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007] 一种等离子体刻蚀方法，用于对放置在等离子体反应腔室中的晶片进行加工处理，包括如下步骤：a)、向反应腔室通入制程气体，制程气体至少包括刻蚀气体和侧壁保护气体；b)、在反应腔室中产生一功率呈脉冲式变化的射频
电场，以使反应腔室中交替进行刻蚀制程与侧壁保护制程。
[0008] 优选地，射频电场由接入反应腔室的第一射频电源和第二射频电源共同作用于反应腔室而产生，第一射频电源用于通过电感耦合的方式使刻蚀气体、侧壁保护气体电离，第二射频电源用于产生对晶片的定向物理溅射轰击。
[0009] 优选地，射频电场功率在第一功率和第二功率之间交替变化，第一功率大于1000W，第二功率小于800w。
[0010] 优选地，第一、第二射频电源分别包括两个功率级，第一射频电源的功率在第一
阈值和第二阈值之间交替变化，第二射频电源的功率在第三阈值和第四阈值之间交替变化。
[0011] 本发明提供的等离子刻蚀方法，不需交替向反应腔室中通入刻蚀气体和侧壁保护气体，而是通过在反应腔室中产生在第一功率和第二功率之间交替变化的射频电场，实现了刻蚀反应和沉积反应的快速切换，从而减少了刻蚀过程中侧壁上出现波浪形的形貌。其结构简单，实施便利。
附图说明
[0012] 图1示出
现有技术刻蚀过程中侧壁出现的波浪形形貌；
[0013] 图2示出本发明的等离子体刻蚀方法流程示意图；
[0014] 图3示出本发明第一
实施例中第二射频电源的一种功率
波形和对应的
电压信号波形；
[0015] 图4示出本发明的刻蚀过程中侧壁最终的形貌；
[0016] 图5示出本发明第一实施例中第一射频电源和第二射频电源的功率波形；
[0017] 图6示出本发明第二实施例中第一射频电源和第二射频电源的功率波形。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0019] 需要说明的是，本发明不仅可应用于TSV刻蚀工艺中，还可应用到其他的等离子体刻蚀工艺中。
[0020] 如图2所示，本发明一实施例的等离子体刻蚀方法，包括如下两个主要步骤：
[0021] S11、向反应腔室通入制程气体，制程气体至少包括刻蚀气体和侧壁保护气体。
[0022] 具体地，根据本发明的实施例，一并向反应腔室中通入制程气体，而不需要在刻蚀反应用的气体和沉积反应用的气体之间进行快速切换，从而避免了因快速切换气体而要求的硬件设计及开销。
[0023] 进一步地，制程气体中的刻蚀气体为SF6，侧壁保护气体为C4F8或其他可引起聚合物沉积反应的气体。制程气体还可以包括O2和Ar等，用于调节刻蚀气体和侧壁保护气体的浓度。
[0024] S12、在反应腔室中产生一个功率呈脉冲式变化的射频电场，该射频电场的功率在第一功率和第二功率之间交替变化。
[0025] 其中，第一功率大于第二功率。具体地，第一功率可以为大于1000W，第二功率可以为小于800W。
[0026] 具体地，上述功率交替变化的射频电场可以由接入反应腔室中
电极的第一射频电源和第二射频电源共同作用于反应腔室而产生。第一、第二射频电源为交流电源，第一射频电源产生源功率，第二射频电源产生偏置功率。
[0027] 一方面，第一射频电源通过电感耦合的方式使刻蚀气体、侧壁保护气体电离，产生活性游离基、亚稳态粒子、
原子等高密度的等离子体，这些活性粒子与被刻蚀材料表面相互作用；等离子体在第二射频电源的作用下产生对衬底的定向物理溅射轰击，对化学反应具有明显的辅助作用，可以起到打断化学键、引起晶格损伤和促进衬底表面的化学反应等重要作用。当被刻蚀材料(晶片)与电离产生的自由基或正离子进行反应并生成可挥发的气态物质时，就达到了刻蚀反应的目的。
[0028] 另一方面，电离后的部分制程气体又会生成聚合物，并在侧壁表面沉积，从而起到了保护侧壁、防止刻蚀开口过大的作用。
[0029] 需要说明的是，刻蚀反应与沉积反应并不是不能共存的，只是在某一时刻，反应腔室中更多地进行刻蚀反应，而另一时刻，反应腔室中更多地进行沉积反应。本发明中的刻蚀反应、沉积反应即是指上述情况。
[0030] 下面以刻蚀气体为SF6，侧壁保护气体为C4F8为例，说明何种情况下反应腔室中以刻蚀反应为主，何种情况下反应腔室中以聚合物沉积反应为主。
[0031] 在反应腔室中射频电场强度较高的情况下(射频电场的功率大于1000W)，SF6解离形成大量的F的自由基进行刻蚀反应。这时C4F8同时解离并生成CF聚合物，沉积在侧壁，但由于大量F自由基的存在，部分CF聚合物(尤其是刻蚀开口底部的聚合物)会被物理轰击并被F自由基反应掉。因此在射频电场功率较高的情况下，反应腔室中主要进行等离子体的刻蚀反应。在射频电场强度较低的情况下(射频电场的功率小于800W)，S-F键难以断裂，SF6解离度较低，而此时C4F8会聚合形成大量的聚合物保护侧壁，也就是说，此时反应腔室中以聚合物沉积反应为主。
[0032] 从而，通过使反应腔室中射频电场的功率在第一功率和第二功率之间交替变化，就可以实现刻蚀反应和聚合物沉积反应的快速切换。
[0033] 根据本发明上述实施例的一种具体实施方式，第一、第二射频电源为交流电源，第一射频电源的频率可以为12-100MHZ，第二射频电源的频率可以为2-13MHZ。具体地，第一射频电源包括两个功率级，其功率在第一阈值和第二阈值之间交替变化，其中第一阈值大于第二阈值。例如，第一射频电源的功率波形呈方波变化，高电平对应第一阈值，低电平对应第二阈值。
[0034] 第二射频电源也包括两个功率级，其功率在第三阈值和第四阈值之间交替变化，其中第三阈值大于第四阈值。例如，第二射频电源的功率波形呈方波变化，高电平对应第三阈值，低电平对应第四阈值。
[0035] 进一步地，第一、第二、第三阈值、第四阈值的取值范围分别为1000-3000W、500-1000W、200-500W、0-300W。
[0036] 当第三阈值为500W，第四阈值为100W时，第二射频电源的功率波形如图3中a波形所示，其高电平对应于第三阈值、低电平对应于第四阈值，第二射频电源的电压信号波形可以如图3中b波形所示，电压信号频率可以为2-13MHZ。
[0037] 在功率不断变化的第一射频电源、第二射频电源的共同作用下，反应腔室中产生了功率呈脉冲式变化的射频电场，进而实现了反应腔室中刻蚀反应与聚合物沉积反应的交替进行。
[0038] 通过对第一、第二射频电源的功率波形的频率及高低电平对应的功率幅值的调节，可以达到最佳的刻蚀反应和聚合物沉积反应的组合，从而得到接近于理想状态的侧壁形貌，如图4所示。
[0039] 进一步地，第一、第二射频电源的功率波形均为方波，两方波的频率相同，均小于50KHZ，两方波的占空比均大于等于10％小于等于90％。第一、第二射频电源的功率波形可以如图5中的a波形和b波形所示。
[0040] 理论上射频电源的功率波形的频率越高，刻蚀侧壁的粗糙度越低、波浪形越少，但在一定的频率以上，频率的影响变得不再明显，而且太高的频率对硬件要求很高。优选情况下，第一、第二射频电源较佳的功率波形的
频率范围为10-20KHZ。
[0041] 在一种具体实施情况下，两方波频率同为20KHZ且同步。此时，当两方波的占空比为10％时，即高电平的时间为整个周期的10％。这时反应腔室中沉积反应的时间更长，聚合物沉积量较大，刻蚀速率相对较慢，此时侧壁粗糙度相对较高、波浪形还比较明显。随占空比增加至40-60％，刻蚀时间变长，聚合物沉积量变少，侧壁粗糙度逐渐降低、波浪形减少，当刻蚀反应和沉积反应达到平衡时，侧壁已接近于理想中的形貌。当占空比为90％时，刻蚀反应占主导，聚合物沉积量不足以起到保护侧壁的作用，侧壁粗糙度又变高。优选情况下，较佳的功率波形的占空比为40-60％。
[0042] 在另一具体实施情况下，两方波频率相同、具体为10KHZ，占空比也相同、具体为50％，选择对两方波的
相位进行调制时，在两方波之间
相位差不同的情况下，刻蚀反应与沉积反应的交替会有多种不同情况。优选情况下，两方波的相位差为0-90度，此时侧壁接近于理想的形貌，最好时第二射频电源的功率方波与第一射频电源的功率方波的相位差为45度。
[0043] 因此，通过调节第一射频电源和/或第二射频电源的功率波形的占空比、频率和相位等特征，就可以使射频电场的功率以更高的频率进行脉冲式变化，从而使反应腔室中的刻蚀反应与聚合物沉积反应更快速地切换，使侧壁形貌减少波浪形、更趋近于垂直、平滑，因此优于现有技术中切换反应气体的方法。
[0044] 可以理解，第一、第二射频电源的功率波形的频率可以不同，占空比也可以相异，但都可以一起作用于反应腔室而产生功率呈脉冲式变化的射频电场，应落入本发明的保护范围。
[0045] 本发明第二实施例的等离子体刻蚀方法，同样包括：
[0046] S11、向反应腔室通入制程气体，制程气体至少包括刻蚀气体和侧壁保护气体。
[0047] S12、在反应腔室中产生一个功率呈脉冲式变化的射频电场，该射频电场的功率在第一功率和第二功率之间交替变化。
[0048] 功率呈脉冲式变化的射频电场同样由第一射频电源和第二射频电源共同作用于反应腔室而产生，第一、第二射频电源为交流电源，第一射频电源产生源功率，第二射频电源产生偏置功率。但不同的是，其中第一射频电源为单一功率级，其功率为一恒定值，而第二射频电源包括两个功率级，其功率在第三阈值和第四阈值之间交替变化，第三阈值大于第四阈值。第一、第二射频电源的功率波形可以如图6中的a波形和b波形所示。
[0049] 进一步地，第三阈值的取值范围为500-1000W，第四阈值的取值范围为0-500W。
[0050] 进一步地，第二射频电源的功率波形为方波，其频率小于50KHZ，占空比大于等于10％小于等于90％。
[0051] 优选情况下，上述方波频率为10-20KHZ，占空比为40％-60％。
[0052] 进一步地，方波占空比为50％。
[0053] 根据该实施例，实现了反应腔室中刻蚀反应和沉积反应的快速切换，避免了快速切换气体所需的硬件设计和
费用，更减少了刻蚀过程中侧壁上出现波浪形的形貌，使侧壁接近于理想中的垂直、平滑的形貌。
[0054] 以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的
专利保护范围，因此凡是运用本发明的
说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
