[发明专利]深反应离子刻蚀方法及其气体流量控制装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及反应离子刻蚀(Reactive Icon Etching，RIE)技术，尤其涉及一种深反应离子刻蚀(De-coupled RIE，DRIE)方法及其气体流量控制装置。

背景技术

半导体制造技术领域中，在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)和3D封装技术等领域，通常需要对硅等材料进行深通孔刻蚀。例如，在体硅刻蚀技术中，深硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)的深度达到几百微米、其深宽比大于10，通常采用深反应离子刻蚀方法来刻蚀体硅形成。

图1所示为现有技术深反应离子刻蚀方法示意图。现有技术中，TSV的深反应离子刻蚀通常采用美国专利US5501893提出的Bosch工艺进行。如图1所示，其中，12为衬底硅，11为掩膜层，13为聚合物层；掩膜层11通常为SiO₂或者Si₃N₄，主要在刻蚀过程起掩膜作用。具体深反应离子刻蚀方法包括以下步骤：(1)刻蚀步骤，通常用Ar、O₂、SF₆的混合气体进行等离子体刻蚀，；(2)聚合物沉积步骤，通常用Ar和C₄F₈的混合气体在孔洞内侧面形成氟碳聚合物层，其厚度一般在纳米级，有时也称作该聚合物层为钝化层，为使孔洞底部基本不形成氟碳聚合物层，该步骤中一般采用相对较低较的RF(Radio Frequency，射频)频率；(3)刻蚀步骤和聚合物沉积步骤交替进行，直到通孔刻蚀完成，在刻蚀步骤中，由于孔洞的内表面、尤其是孔洞内侧面沉积聚合物，垂直等离子刻蚀时，入射的离子不会对其内侧面聚合物造成破坏侧壁得以被保护，而垂直方向入射的离子会将孔洞底部的聚合物破坏使刻蚀反应得以向下继续，从而保证了整个孔洞刻蚀过程的各向异性。特别是在刻蚀过程中，采用电容耦合等离子体源(Capacitive Coupled Plasma，CCP)技术，可以加快在垂直方向的刻蚀速度，各向异性特性更好。因此通过以上所述深反应离子刻蚀技术刻蚀TSV时，具有刻蚀速度快(一般能达到5-8μm/min以上)、侧壁垂直度范围在90±3度内、掩膜层与孔洞之间的底切(undercut)小于0.1μm的特点。

图2所示为现有技术的气体流量控制装置的示意图。如图2所示，该气流控制装置用于图1所示深反应离子刻蚀。101为反应离子刻蚀的腔室，其中形成等离子体，目标刻蚀的晶圆置于腔室101中，102为通Ar气体的管路，103为通O₂气体的管路，104为通SF₆气体的管路，105为通C₄F₈气体的管路，107为MFC(Mass Flow Control，流量控制器)，MFC 107和腔室101的之间的管路上，每个管路上分别设置一个气阀。首先MFC恒定设置每个管路流过的气体流量，MFC恒定打开，管路102中通入定量的Ar气体，管路103中通入定量的O₂气体，管路104中通入定量SF₆气体，管路105中通入定量的C4F8气体。刻蚀步骤和聚合沉积步骤的气体变化通过管路上的气阀实现。