[发明专利]一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术，具体涉及一种反应离子刻蚀(Reactive IonEtching，RIE)方法，尤其涉及一种用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法。

背景技术

半导体制造技术领域中，经常需要在硅衬底或者其它硅材料上构图刻蚀形成孔洞，现有技术中，通常都是采用干法的RIE刻蚀技术、通过含F元素的气体产生F等离子(Plasma)来刻蚀硅材料，例如，在MEMS((Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)和3D封装技术等领域，通常需要进行体硅刻蚀形成深度达到几百微米的深硅通孔(Through-Sil icon-Via，TSV)，深硅通孔的刻蚀采用SF₆和O₂的混合气体来刻蚀。

现有技术反应离子刻蚀硅的方法过程中，一般都在含F气体中加入另外一种用于与硅反应形成钝化层(Passivation)的气体，如CO₂、CO、O₂、N₂等，这是为了等离子刻蚀硅的过程中有良好的各项异性特性；以与硅反应形成钝化层的气体是CO₂为例，产生的氧等离子和C等离子可以分别和硅孔洞的硅反应生成薄层的SiC或者SiO₂钝化层，同时产生的F等离子在大功率条件下垂直轰击底部的钝化层或Si，可以对孔洞底部的Si形成快速刻蚀，而在孔洞的侧壁，F等离子没有垂直方向的动能的作用，F等离子对钝化层的刻蚀速率很慢，因此，在整个刻蚀过程中，横向刻蚀速率慢，具有良好的各向异性的特点。

图1所示为现有技术的反应离子刻蚀硅的气体流量控制方法示意图。如图1所示，等离子反应刻蚀的机台MFC(Mass Flow Control，大流量控制器)控制气体流量，刻蚀开始时，功率设定在预定值，MFC控制同时向腔体中通入CO₂和SF₆，刻蚀过程中，CO₂和SF₆分别保持预订的流量，刻蚀结束时，关断功率，同时，MFC控制停止向腔体中通入CO₂和SF₆。以上过程中，CO₂和SF₆的气体流量是同时导通或者同时关断的。

然后，我们发现，采用图1所示的方法进行TSV刻蚀时，会具有明显的底切(Undercut)效应和碗形效应(Bowing)，这些都是由于对侧壁的横向刻蚀造成的。进过分析，进一步发现，如图1所示，在T1时刻关闭气体流量时，等离子并不会马上消除，这是由于等离子一定条件下具有一定寿命(Lifetime)，不同的等离子寿命不相同。图1中虚线所示为残余的等离子减少的过程，它是一个渐变减少的过程。在T2时刻，氧等离子归为0，在T3时刻F等离子归为0，可以明显发现，F等离子的寿命长于氧等离子的寿命，在T2至T 3时间段，刻蚀机台的腔中的F等离子与硅孔洞表面的硅反应。由于T2至T3时间段，不存在氧、碳、氮等用于钝化的等离子，不会在硅孔洞的侧壁生成SiO₂等钝化层，F等离子单独作用于Si时，刻蚀速率比较快，特别是在侧壁的刻蚀速率，因此在T2至T3时间段，F等离子对Si的刻蚀各向同性的特性比较明显，对侧壁的刻蚀必然会造成底切效应和碗形效应。

现有技术中，为减少MFC关闭后的残余的F等离子、以避免底切效应和碗形效应，主要采用了以下两种方法：(1)在MFC关闭后，采用高真空泵抽取残余的F等离子；(2)在MFC关闭后，向腔体中通入Ar或N₂等其它气体，把残余的F等离子从腔室中的硅孔洞的表面带走。然而，第(1)种方法一般需要关闭反应离子刻蚀机台，等离子会完全熄灭，而硅的孔洞的刻蚀通常是需要多个图1所示的过程完成的，这样需要重新启动机台、设置参数，会大大降低刻蚀的效率；第(2)种方法中通入了其它气体，容易对工艺造成波动，并且还需要高真空泵将气体抽走，刻蚀的效率降低，并难于维持后续过程射频的稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，避免由于残余的F等离子的刻蚀效果造成的底切效应和碗形效应。

为解决以上技术问题，本发明提供的用于刻蚀硅的反应离子刻蚀方法，采用的刻蚀气体包括第一气体和第二气体，所述第一气体为含氟元素的气体，所述第二气体为用于与硅反应形成钝化层的气体，其特征在于，刻蚀过程结束时，先停止通入第一气体再停止通入第二气体。