[发明专利]一种深硅刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种深硅刻蚀方法。

背景技术

随着MEMS（微机电系统，Micro-Electro-Mechanical Systems）器件和MEMS系统被越来越广泛的应用于汽车和消费电子领域，以及TSV通孔刻蚀（Through Silicon Etch）技术在未来封装领域的广阔前景，干法等离子体深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS加工领域及TSV技术中的主流工艺之一。

深硅刻蚀工艺相对于一般的硅刻蚀工艺的主要区别在于：深硅刻蚀工艺的刻蚀深度远大于一般的硅刻蚀工艺，深硅刻蚀工艺的刻蚀深度一般为几十微米甚至上百微米，而一般硅刻蚀工艺的刻蚀深度则小于1微米。为了刻蚀厚度为几十微米的硅材料，要求深硅刻蚀工艺具有更快的刻蚀速率、更高的选择比及更大的深宽比。

目前典型的深硅刻蚀工艺为Bosch工艺。在Bosch工艺中，整个刻蚀过程为刻蚀步骤与沉积步骤的交替循环。图1示出了Bosch工艺的流程图，如图1所示，Bosch工艺包括：步骤S1、沉积步骤；步骤S2、刻蚀步骤；步骤S3、重复执行步骤S1和S2直到刻蚀达到预定的深度；步骤S4、结束刻蚀。其中刻蚀步骤的工艺气体通常为SF₆（六氟化硫），尽管该气体在刻蚀硅基底方面具有很高的刻蚀速率，但由于其各向同性刻蚀的特点，很难控制侧壁形貌。为了减少对侧壁的刻蚀，该工艺加入了沉积步骤，沉积步骤的工艺气体通常为C₄F₈（四氟化碳），沉积步骤在侧壁沉积一层聚合物保护层来保护侧壁不被刻蚀，从而得到只在垂直面上的刻蚀。

等离子体深硅刻蚀过程中，会产生F（氟）自由基和SFx等离子，其中对硅的刻蚀主要是通过F自由基和硅反应生成SiF₄的过程进行，属于化学刻蚀；同时SFx等离子对硅有物理轰击作用，也通过物理刻蚀的方式对硅进行刻蚀，只是与F自由基的化学刻蚀相比，物理刻蚀对硅刻蚀的贡献较小。

在刻蚀步骤中，为了获得更快的硅刻蚀速率，通常采用较高的工艺压力（通常在50～500mT之间）。这是因为对于硅的刻蚀，主要是以F自由基的化学刻蚀为主，在较高的工艺压力下可以获得更高密度的F自由基，更多的F自由基导致更高的硅刻蚀速率。然而，对于沉积步骤中产生的聚合物的刻蚀，主要是以离子的轰击作用为主，在较高的工艺压力下各种粒子的碰撞增加，离子所具有的能量显著变低，从而会导致聚合物的刻蚀速率显著降低。由于聚合物的刻蚀速率的降低，沉积过程中的产生聚合物难以完全刻蚀去除，并在刻蚀过程中逐渐地增加，经过多次沉积步骤和刻蚀步骤循环后，会形成类似“微掩膜”（micro-mask）的形态，严重时甚至会形成硅草，图2示出了深硅刻蚀中产生的硅草的电镜图。微掩膜或者硅草的产生会导致刻蚀底部的粗糙度变差，并且降低了深硅刻蚀的质量。

为了避免微掩膜或者硅草的产生，在现有技术中，通常在较低的工艺压力下进行刻蚀步骤，但是由于采用较低的工艺压力，会导致硅刻蚀速率的降低，从而降低刻蚀的选择比。

发明内容

本发明提供一种深硅刻蚀方法，从而在深硅刻蚀过程中抑制刻蚀底部聚合物的逐渐增加，以抑制微掩膜或者硅草的产生，从而提高深硅刻蚀的刻蚀速率以及选择比，并改善刻蚀底部的粗糙度。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种深硅刻蚀方法，该方法包括：

沉积步骤，生成保护层以对刻蚀侧壁进行保护；

刻蚀步骤，对刻蚀底部和刻蚀侧壁进行刻蚀；

重复所述沉积步骤和刻蚀步骤至整个深硅刻蚀过程结束；

其中，还包括底部平滑步骤，所述底部平滑步骤为：利用含氟气体执行等离子体处理，以去除刻蚀底部由于沉积产生的聚合物；并且，所述底部平滑步骤采用的工艺压力小于所述刻蚀步骤采用的工艺压力，

在整个深硅刻蚀过程中执行所述底部平滑步骤至少一次。

优选地，在每执行N次沉积步骤和刻蚀步骤之后，执行一次所述底部平滑步骤，N为正整数。

优选地，在所述刻蚀步骤之后执行所述底部平滑步骤。

优选地，所述刻蚀步骤中采用的工艺压力为40～500mT。

优选地，所述工艺压力为50～300mT。

优选地，所述底部平滑步骤中采用的工艺压力为2～50mT。

优选地，所述底部平滑步骤中采用的上射频电源功率为50～1000W、下射频电源功率为0～50W，所述含氟气体的流量为5～500sccm。