Icp等离子体处理腔室及其气体注入装置,硅通孔刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法。
【背景技术】
[0002]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，深娃通孔(Through-Silicon_Via,TSV)的深度达到几百微米、其深宽比甚至远大于10,通常采用深反应离子刻蚀方法来刻蚀体硅形成。
[0003]现有技术中，TSV的深反应离子刻蚀通常Bosch工艺进行。如图1所示，其中，衬底硅为待刻蚀层，其上做掩膜层以形成图形，掩膜层通常为S12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:(I)刻蚀步骤，通常用Ar、SF6的混合气体进行等离子体刻蚀；(2)侧壁沉积步骤，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，(3)刻蚀步骤和侧壁沉积步骤交替进行，直到深硅通孔刻蚀完成，在刻蚀步骤中，由于孔洞的内表面、尤其是在孔洞内侧面沉积聚合物，垂直入射的等离子轰击底部的聚合物，使得垂直方向的刻蚀继续向下进行，而侧壁的由于聚合物的保留所以刻蚀率很低，从而保证了整个孔洞刻蚀过程的各向异性。
[0004]在现有技术中，刻蚀气体和侧壁沉积气体通过统一的气体注入口进入腔室内部，由于两种气体的重量不同，在两种气体交替重复通入腔室的过程中，会造成腔室内部压力产生较大变化。
【发明内容】
[0005]针对【背景技术】中的上述问题，本发明提出了一种ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法。
[0006]本发明第一方面提供了一种用于所述电感耦合型等离子处理腔室的气体注入装置，其中，所述电感耦合型等离子体处理腔室包括一柱状腔室，所述气体注入装置是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室侧壁外围上方，所述气体注入装置包括上下两层结构，在所述上下两层结构之中分别设置有贯穿至腔室内部的第一气体注入口和第二气体注入口，以向腔室内部供应制程反应气体。
[0007]进一步地，所述第一气体注入口和第二气体注入口分别向腔室内部供应第一反应气体和第二反应气体。
[0008]进一步地，所述第一反应气体为刻蚀气体，所述第二反应气体为侧壁沉积气体。
[0009]进一步地，所述刻蚀气体和侧壁沉积气体交替循环地通入腔室内部，其中，所述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的。
[0010]进一步地，所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。
[0011 ] 进一步地，所述刻蚀气体为C4F8,侧壁沉积气体为SF6。
[0012]本发明第二方面提供了一种所述电感耦合型等离子处理腔室，所述电感耦合型等离子体处理腔室包括一柱状腔室，进一步地，所述电感耦合型等离子处理腔室包括本发明第一方面所述的气体注入装置，所述气体注入装置是环状的，其设置于所述电感耦合型等离子处理腔室腔室侧壁外围上方。
[0013]本发明第三方面提供了一种在电感耦合型等离子体处理腔室中执行的硅通孔刻蚀方法，所述电感耦合型等离子处理腔室包括本发明第一方面所述的气体注入装置，其中，所述硅通孔刻蚀方法包括包括多次重复执行的制程循环步骤，所述制程循环步骤包括刻蚀步骤和侧壁沉积步骤，执行刻蚀步骤时通入刻蚀气体，执行侧壁沉积步骤时通入侧壁沉积气体，所述刻蚀气体和所述侧壁沉积气体的执行时间是相同的，所述刻蚀气体在每次侧壁沉积气体还在持续供应时通入腔室。
[0014]进一步地，所述刻蚀气体和侧壁沉积气体通入的重叠时间的取值范围为小于200ms ο
[0015]进一步地，所述刻蚀气体为C4F8，侧壁沉积气体为SF6。
[0016]本发明提供的ICP等离子体处理腔室及其气体注入装置，硅通孔刻蚀方法能够在刻蚀和侧壁沉积交替重复执行的过程中保持腔室内部压力的稳定性，能够稳定腔室内压力，以及保证刻蚀图形质量。
【附图说明】
[0017]图1是现有技术的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图；
[0018]图2是现有技术的深通孔刻蚀的气体通入时序图以及腔室压力波动图；
[0019]图3是根据本发明一个具体实施例的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图；
[0020]图4是根据本发明一个具体实施例的电感耦合型等离子体处理腔室的气体注入装置的结构示意图；
[0021]图5是根据本发明一个具体实施例的深通孔刻蚀的气体通入时序图以及腔室压力波动图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0023]要指出的是，“半导体工艺件”、“晶圆”和“基片”这些词在随后的说明中将被经常互换使用，在本发明中，它们都指在处理反应室内被加工的工艺件，工艺件不限于晶圆、衬底、基片、大面积平板基板等。为了方便说明，本文在实施方式说明和图示中将主要以“基片”为例来作示例性说明。
[0024]如图1所示，电感耦合等离子体处理装置100包括金属侧壁102和绝缘顶板104，构成一个气密的真空封闭壳体，并且由抽真空泵(未示出)抽真空。所述绝缘顶板104仅作为示例，也可以采用其它的顶板样式，比如穹顶形状的，带有绝缘材料窗口的金属顶板等。基座106包括一静电夹盘(未示出)，所述静电夹盘上放置着待处理的基片W。偏置功率被施加到所述静电夹盘上，以产生对基片W的夹持力。射频电源108的射频功率被施加到位于绝缘顶板104上的射频功率发射装置上。其中，在本实施例中，所述射频发射装置包括射频线圈110。处理气体从气源经过管线被供应到反应腔内，以点燃并维持等离子在基片W上方形成等离子体制程区域P，从而对基片W进行加工。
[0025]具体地，反应气体从气体注入口 112进入腔室。深反应离子刻蚀通常Bosch工艺时，需要刻蚀步骤和侧壁沉积步骤交替重复地执行。按照现有技术的硅通孔刻蚀机制，刻蚀步骤和侧壁沉积步骤的执行时间是相同的，在刻蚀步骤执行完毕以后开始执行侧壁沉积步骤，同理侧壁沉积步骤执行完毕之后立刻执行刻蚀步骤，如此重复循环地执行若干次。其中，刻蚀步骤中需要通入刻蚀气体，而侧壁沉积步骤需要通入侧壁沉积气体。刻蚀气体和侧壁沉积气体都通过统一的气体注入口 112进入腔室，换言之，相当于气体注入口 112在单位时间里可切换地通入刻蚀气体和侧壁沉积气体。
[0026]图2是现有技术的深通孔刻蚀的气体通入时序图以及腔室压力波动图。如图2所示，Bosch工艺中通过刻蚀步骤和侧壁沉积步骤两步的快速切换来达到深孔刻蚀的目的。示例性地，刻蚀气体是C4F8,侧壁沉积气体为SF6。如图2所示，这两种气体通常在Is或更短的时间内切换以获得较好的工艺效果。由于刻蚀气体和侧壁沉积气体的分子量不同，在等离子体状态下的解离程度不同等原因，在刻蚀气体和侧壁沉积气体进入腔室的瞬间会引起腔室压力Pl的变动。这种压力的变化会导致工艺结果的不稳定，引起刻蚀形状不够均匀，侧壁不够光滑等问题。特别是由于刻蚀终点(endpoint)检测是利用光在刻蚀结构中的反射测得的，由于腔室内压力不同，将对光信号产生影响，从而导致终点侦测困难的问题。
[0027]图3是根据本发明一个具体实施例的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图。图1是现有技术的电感耦合型等离子体处理腔室的结构示意图，其中的电感耦合等离子体处理装置(ICP, Inductive Coupled Plasma Chamber) 200仅仅是不例性的,所述200实际上也可以包括更少或额外的部件，