一种制作锥形穿硅通孔时采用的刻蚀方法.pdf

1、10申请公布号CN102337541A43申请公布日20120201CN102337541ACN102337541A21申请号201110288669122申请日20110923C23F1/02200601C23F1/12200601H01L21/308200601H01L21/76820060171申请人中国科学院上海微系统与信息技术研究所地址200050上海市长宁区长宁路865号72发明人陈骁罗乐徐高卫74专利代理机构上海智信专利代理有限公司31002代理人潘振甦54发明名称一种制作锥形穿硅通孔时采用的刻蚀方法57摘要本发明涉及一种制作锥形穿硅通孔THROUGHSILICONVIA，TSV

2、所使用的刻蚀方法，其特征在于首先在硅片正面沉积一层SIO2，然后光刻去除图形中的SIO2，露出下面的硅。放入STS刻蚀机中，对硅片正面进行第一步刻蚀，第一步刻蚀的过程中刻蚀阶段和钝化阶段交替进行，从而获得出深度为50200M的垂直深孔。然后对硅片正面进行第二步刻蚀，刻蚀出具有倒梯形的锥形形貌的深孔。所采用的刻蚀方法可操作性强，适合于工业化生产，不仅可望降低制作晶圆TSV的工艺成本，而且提高了TSV的电镀填充的成品率。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图1页CN102337554A1/1页21一种制作锥形穿硅通孔时采用的刻蚀方法，其特征在于首

3、先在硅片正面沉积一层SIO2，然后光刻去除图形中的SIO2，露出下面的硅。放入STS刻蚀机中，对硅片正面进行第一步刻蚀，第一步刻蚀的过程中刻蚀阶段和钝化阶段交替进行，从而获得出深度为50200M的垂直深孔；然后对硅片正面进行第二步刻蚀，刻蚀出具有倒梯形的锥形形貌的深孔。2按权利要求1所述的方法，具体步骤是1在硅片正面沉积一层SIO2，厚度153M，然后光刻，将光刻后露出的SIO2通过RIE刻蚀去除，露出下面的硅。2然后将硅片放入STS刻蚀机中，对硅片正面进行第一步刻蚀，刻蚀出深度为50200M的深孔，在所述的这个步骤中刻蚀阶段与钝化阶段是交替进行的，第一步的总时间为40MIN140MIN，获得

4、50200M深度的TSV。3对硅片正面进行第二步刻蚀，刻蚀出锥形孔，刻蚀的具体参数为SF6的气体流量为130SCCM；O2的气体流量为13SCCM；COIL的功率为700W；PLATEN的功率为20W；压力为12MT；第二步的总时间为517MIN，实现TSV的上孔径是其下孔径的1222倍。3按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的对硅片正面进行的第一步刻蚀时刻蚀的具体参数为刻蚀阶段SF6的气体流量为130SCCM；O2的气体流量为13SCCM；COIL的功率为600W；PLATEN的功率为20W；压力为26MT；刻蚀阶段的时间为6S；钝化阶段SF6的气体流量为0；C4F8的气体流量为85SCC

5、M；COIL的功率为600W；PLATEN的功率为0W；压力为17MT；钝化阶段的时间为5S。4按权利要求2所述的方法，其特征在于第二步刻蚀时，5MIN刻蚀时间实现TSV的上孔径是其下孔径的1213倍；随刻蚀时间延长，其比例增大，直至刻蚀时间达17MIN，TSV的上孔径与下孔径的比例增加至最大值222倍；刻蚀时间继续延长，锥形形貌基本不再发生变化。5按权利要求1或2所述的方法，其特征在于第一步刻蚀过程采用BOSCH刻蚀工艺形成垂直侧壁的深孔。权利要求书CN102337541ACN102337554A1/3页3一种制作锥形穿硅通孔时采用的刻蚀方法技术领域0001本发明涉及一种制作锥形穿硅通孔TH

6、ROUGHSILICONVIA，TSV时所使用的刻蚀方法，所述的刻蚀方法可操作性强，适合于工业化生产，不仅降低制作晶圆TSV的工艺成本，而且提高了TSV的电镀填充的成品率。背景技术0002为了满足超大规模集成电路VLSI发展的需要，新颖的3D堆叠式封装技术应运而生。它用最小的尺寸和最轻的重量，将不同性能的芯片和多种技术集成到单个封装体中，是一种通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制造垂直电学导通，实现芯片之间互连的最新的封装互连技术，与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，所述的封装互连技术是采用TSVTHROUGHSILICONVIA，穿硅通孔代替了2DCU互连，能够使芯片在三维方向堆

7、叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。因此，日月光公司集团研发中心总经理唐和明博士在CHARTERED2007技术研讨会上将TSV称为继线键合WIREBONDING、载带自动焊TAB和倒装芯片FC之后的第四代封装技术。0003为了实现IC器件的TSV晶圆级封装，需要完成几个重要工艺技术的开发。1通孔制备，采用DRIE在晶圆上制备高深宽比的SI通孔；2通孔电镀，在通孔侧壁上淀积SIO2绝缘层后，通过种子层电镀金属CU使充满整个SI通孔；3化学机械抛光CMP，采用CMP将过量的CU研磨掉后继续研磨晶圆可以获得不同厚度TSV圆片；4圆片与圆片或芯片与圆片之间的精确对准后的键

8、合工艺。在上述几个重要工艺当中，TSV的刻蚀是很关键的一个工序。考虑到成本，精度控制等因素，一般倾向于使用干法刻蚀来制作TSV。刻蚀过程比较复杂，不同的三维IC中通孔的分布位置、密度和尺寸包括孔深和孔径是不同的。通孔技术需要能满足对轮廓形状的控制包括控制倾斜度、形状、粗糙度、过刻蚀等，同时又要求工艺能具有可靠性、实用性和重复性，最后，成本也要能被合理控制。TSV的制作一般使用BOSCH工艺刻蚀，这是一种基于等离子刻蚀的深硅刻蚀工艺。在刻蚀过程中通过快速循环切换刻蚀和沉积，即在每个刻蚀循环周期中，暴露的硅被各向同性刻蚀，再沉积一层聚合物来保护，然后聚合物被分解去除，暴露的硅再被蚀刻，周而复始，直

9、至程序结束。从而实现深度刻蚀，而且通孔侧边非常垂直。垂直式通孔有利于提升通孔的数量和密度，但是对于TSV这种具有垂直侧壁、高深宽比的结构，后续的绝缘层、阻挡层和种子层的沉积，以及TSV电镀工艺都很难达到要求，具有极高的工艺难度，增加了制作成本。后续沉积工艺较难控制。比如薄膜的沉积，由于垂直型的TSV孔径很小，深度很大，因此传统的沉积工艺只能沉积在TSV开口处，而在TSV较深处的侧壁和底部很难沉积；在TSV电镀方面，由于电镀液的CU2在TSV的开口处扩散移动速度明显大于TSV孔深处的速度，因此电镀速度的差异使得铜更多沉积在垂直TSV的开口处，从而导致TSV开口被铜填充堵死，而孔内形成空洞。发明内

10、容0004为了能够降低TSV的制作工艺难度，解决TSV刻蚀后的后续工艺的实现，本发明的说明书CN102337541ACN102337554A2/3页4目的在于提供一种制作锥形倒梯形TSV的工艺方法，所述的锥形实际是倒梯形，即上面大下面小的一种锥形。0005本发明的技术方案是制作锥形TSV的刻蚀分两步，首先沉积一层153M的SIO2层，将光刻后SIO2作为刻蚀掩膜，然后进行第一步刻蚀，即采用BOSCH刻蚀工艺形成垂直侧壁的深孔，BOSCH工艺的方法是首先进行钝化，通入一定流的量C4F4气体6秒钟，形成钝化层，然后通入一定流量的气体SF6，5秒钟去除钝化层，并进行SI基材的刻蚀，在刻蚀的步骤中，附

11、着在先前附着层上的部分侧壁聚合物，也就是先前C4F4气体离化后产生的C、CF2或C2F4等粒子，在硅表面沉积形成聚合物，而形成的聚合物是一种可调整的侧壁钝化层，该钝化层在非垂直离子碰撞侧壁的影响下，脱离侧壁再次移动，重新在更深的侧壁上附着。这样，侧壁上的聚合物薄膜不断地被驱赶向下附着，从而形成一个局部的各向异性刻蚀。BOSCH技术就是通过钝化/刻蚀交替进行来实现垂直深孔的刻蚀，整个工艺参数是在STS干法刻蚀机上设置的，BOSCH工艺进行的时间决定了钝化/刻蚀交替的次数，并且与刻蚀的深孔深度成正比关系。然后进行第二步刻蚀，只通入刻蚀气体SF6，由于刻蚀气体含量沿着孔开口处向孔底部方向逐渐减少，随

12、着刻蚀时间的不同，可以实现不同比例的锥形形貌。0006本发明的有益效果该发明工艺简单而能够实现后续的高质量的薄膜沉积和电镀工艺，避免了上述工艺因为垂直侧壁TSV而重新大量研发的成本，并且该发明工艺可操作性强，适合于工业化生产，不仅降低制作晶圆TSV的工艺成本，而且提高了TSV的电镀填充的成品率。附图说明0007图1是SIO2做掩膜、刻蚀前的硅片截面构造图。0008图2是进行完第一步刻蚀后获得垂直深孔的硅片截面构造图。0009图3是进行完第二部刻蚀后获得锥形孔的硅片截面构造图。具体实施方式0010为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明。0011在图1

13、中，在硅片101正面沉积一层SIO2层102，厚度153M，SIO2层的厚度取决于需要刻蚀的深孔的深度50200M，然后光刻图片，将光刻后露出的SIO2通过RIE刻蚀去除，露出下面的硅。0012在图2中，放入STS刻蚀机中，对硅片101正面进行第一步刻蚀，刻蚀出深度为50200M的深孔103，刻蚀的具体参数为00131刻蚀阶段SF6的气体流量为130SCCM；O2的气体流量为13SCCM；COIL的功率为600W；PLATEN的功率为20W；压力为26MT；刻蚀阶段的时间为6S。00142钝化阶段SF6的气体流量为0；C4F8的气体流量为85SCCM；COIL的功率为600W；PLATEN的功

14、率为0W；压力为17MT；钝化阶段的时间为5S。0015这个步骤中刻蚀阶段与钝化阶段是交替进行的，第一步的总时间为30MIN140MIN，可以获得50200M深度的TSV，该步的工艺参数适用于各种不同孔径的TSV。说明书CN102337541ACN102337554A3/3页50016在图3中，对硅片101正面进行第二步刻蚀，刻蚀出锥形孔104，刻蚀的具体参数为0017SF6的气体流量为130SCCM；O2的气体流量为13SCCM；COIL的功率为700W；PLATEN的功率为20W；压力为12MT；第二步的总时间为517MIN，可以实现不同比例的锥形形貌，5MIN刻蚀时间可以实现TSV的上孔径是其下孔径的1213倍，随着刻蚀时间的延长，其比例增大，直至刻蚀时间达到17MIN，比例增大到最大值222倍，刻蚀时间继续延长，锥形形貌基本不再发生变化，该步的工艺参数适用于各种不同孔径的TSV。说明书CN102337541ACN102337554A1/1页6图1图2图3说明书附图CN102337541A