專利名稱：一種制作錐形穿硅通孔時采用的刻蝕方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制作錐形穿硅通孔(Through Silicon Via，TSV)時所使用的刻蝕方法，所述的刻蝕方法可操作性強，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，不僅降低制作晶圓TSV的工藝成本，而且提高了 TSV的電鍍填充的成品率。
背景技術：
為了滿足超大規(guī)模集成電路(VLSI)發(fā)展的需要，新穎的3D堆疊式封裝技術應運而生。它用最小的尺寸和最輕的重量，將不同性能的芯片和多種技術集成到單個封裝體中， 是一種通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制造垂直電學導通，實現(xiàn)芯片之間互連的最新的封裝互連技術，與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的疊加技術不同，所述的封裝互連技術是采用TSV(Thrc)Ugh Silicon Via，穿硅通孔)代替了 2D_Cu互連，能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，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，日月光公司集團研發(fā)中心總經(jīng)理唐和明博士在Chartered2007技術研討會上將TSV稱為繼線鍵合(Wire Bonding)、載帶自動焊(TAB)和倒裝芯片(FC)之后的第四代封裝技術。為了實現(xiàn)IC器件的TSV晶圓級封裝，需要完成幾個重要工藝技術的開發(fā)。(1)通孔制備，采用DRIE在晶圓上制備高深寬比的Si通孔；⑵通孔電鍍，在通孔側(cè)壁上淀積SW2 絕緣層后，通過種子層電鍍金屬Cu使充滿整個Si通孔；(3)化學機械拋光(CMP)，采用CMP 將過量的Cu研磨掉后繼續(xù)研磨晶圓可以獲得不同厚度TSV圓片；(4)圓片與圓片或芯片與圓片之間的精確對準后的鍵合工藝。在上述幾個重要工藝當中，TSV的刻蝕是很關鍵的一個工序?？紤]到成本，精度控制等因素，一般傾向于使用干法刻蝕來制作TSV?？涛g過程比較復雜，不同的三維IC中通孔的分布位置、密度和尺寸(包括孔深和孔徑)是不同的。通孔技術需要能滿足對輪廓形狀的控制(包括控制傾斜度、形狀、粗糙度、過刻蝕等)，同時又要求工藝能具有可靠性、實用性和重復性，最后，成本也要能被合理控制。TSV的制作一般使用BOSCH工藝刻蝕，這是一種基于等離子刻蝕的深硅刻蝕工藝。在刻蝕過程中通過快速循環(huán)切換刻蝕和沉積，即在每個刻蝕循環(huán)周期中，暴露的硅被各向同性刻蝕，再沉積一層聚合物來保護，然后聚合物被分解去除，暴露的硅再被蝕刻，周而復始，直至程序結(jié)束。從而實現(xiàn)深度刻蝕，而且通孔側(cè)邊非常垂直。垂直式通孔有利于提升通孔的數(shù)量和密度，但是對于 TSV這種具有垂直側(cè)壁、高深寬比的結(jié)構，后續(xù)的絕緣層、阻擋層和種子層的沉積，以及TSV 電鍍工藝都很難達到要求，具有極高的工藝難度，增加了制作成本。后續(xù)沉積工藝較難控制。比如薄膜的沉積，由于垂直型的TSV孔徑很小，深度很大，因此傳統(tǒng)的沉積工藝只能沉積在TSV開口處，而在TSV較深處的側(cè)壁和底部很難沉積；在TSV電鍍方面，由于電鍍液的 Cu2+在TSV的開口處擴散移動速度明顯大于TSV孔深處的速度，因此電鍍速度的差異使得銅更多沉積在垂直TSV的開口處，從而導致TSV開口被銅填充堵死，而孔內(nèi)形成空洞。

發(fā)明內(nèi)容
為了能夠降低TSV的制作工藝難度，解決TSV刻蝕后的后續(xù)工藝的實現(xiàn)，本發(fā)明的
3目的在于提供一種制作錐形(倒梯形)TSV的工藝方法，所述的錐形實際是倒梯形，即上面大下面小的一種錐形。本發(fā)明的技術方案是制作錐形TSV的刻蝕分兩步，首先沉積一層1. 5_3μπι的 SiO2層，將光刻后SiA作為刻蝕掩膜，然后進行第一步刻蝕，即采用BOSCH刻蝕工藝形成垂直側(cè)壁的深孔，BOSCH工藝的方法是首先進行鈍化，通入一定流的量C4F4氣體6秒鐘，形成鈍化層，然后通入一定流量的氣體SF6, 5秒鐘去除鈍化層，并進行Si基材的刻蝕，在刻蝕的步驟中，附著在先前附著層上的部分側(cè)壁聚合物，也就是先前C4F4氣體離化后產(chǎn)生的C、CF2 或C2F4等粒子，在硅表面沉積形成聚合物，而形成的聚合物是一種可調(diào)整的側(cè)壁鈍化層， 該鈍化層在非垂直離子碰撞側(cè)壁的影響下，脫離側(cè)壁再次移動，重新在更深的側(cè)壁上附著。 這樣，側(cè)壁上的聚合物薄膜不斷地被驅(qū)趕向下附著，從而形成一個局部的各向異性刻蝕。 BOSCH技術就是通過鈍化/刻蝕交替進行來實現(xiàn)垂直深孔的刻蝕，整個工藝參數(shù)是在STS干法刻蝕機上設置的，BOSCH工藝進行的時間決定了鈍化/刻蝕交替的次數(shù)，并且與刻蝕的深孔深度成正比關系。然后進行第二步刻蝕，只通入刻蝕氣體SF6,由于刻蝕氣體含量沿著孔開口處向孔底部方向逐漸減少，隨著刻蝕時間的不同，可以實現(xiàn)不同比例的錐形形貌。本發(fā)明的有益效果該發(fā)明工藝簡單而能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)的高質(zhì)量的薄膜沉積和電鍍工藝，避免了上述工藝因為垂直側(cè)壁TSV而重新大量研發(fā)的成本，并且該發(fā)明工藝可操作性強，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，不僅降低制作晶圓TSV的工藝成本，而且提高了 TSV的電鍍填充的成品率。


圖1是SiA做掩膜、刻蝕前的硅片截面構造圖。圖2是進行完第一步刻蝕后獲得垂直深孔的硅片截面構造圖。圖3是進行完第二部刻蝕后獲得錐形孔的硅片截面構造圖。
具體實施例方式為了能使本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步地說明。在圖1中，在硅片101正面沉積一層3丨02層102，厚度1. 5_3 μ m，SiO2層的厚度取決于需要刻蝕的深孔的深度50-200 μ m,然后光刻圖片，將光刻后露出的SW2通過RIE刻蝕去除，露出下面的硅。在圖2中，放入STS刻蝕機中，對硅片101正面進行第一步刻蝕，刻蝕出深度為 50-200 μ m的深孔103，刻蝕的具體參數(shù)為1.刻蝕階段SF6的氣體流量為130SCCm ；O2的氣體流量為13sCCm ；Coil的功率為 600W ；Platen的功率為20W ；壓力為^mt ；刻蝕階段的時間為6s。2.鈍化階段=SF6的氣體流量為0 ；C4F8的氣體流量為85SCCm ；Coil的功率為600W ； Platen的功率為OW ；壓力為17mt ；鈍化階段的時間為k。這個步驟中刻蝕階段與鈍化階段是交替進行的，第一步的總時間為 30min-140min,可以獲得50-200 μ m深度的TSV，該步的工藝參數(shù)適用于各種不同孔徑的 TSV。
在圖3中，對硅片101正面進行第二步刻蝕，刻蝕出錐形孔104，刻蝕的具體參數(shù)為SF6的氣體流量為130sccm ；O2的氣體流量為13sccm ；Coil的功率為700W ；Platen 的功率為20W;壓力為12mt ；第二步的總時間為5-17min，可以實現(xiàn)不同比例的錐形形貌， 5min刻蝕時間可以實現(xiàn)TSV的上孔徑是其下孔徑的1. 2-1. 3倍，隨著刻蝕時間的延長，其比例增大，直至刻蝕時間達到17min，比例增大到最大值2-2. 2倍，刻蝕時間繼續(xù)延長，錐形形貌基本不再發(fā)生變化，該步的工藝參數(shù)適用于各種不同孔徑的TSV。
權利要求
1.一種制作錐形穿硅通孔時采用的刻蝕方法，其特征在于首先在硅片正面沉積一層 SiO2，然后光刻去除圖形中的SiO2,露出下面的硅。放入STS刻蝕機中，對硅片正面進行第一步刻蝕，第一步刻蝕的過程中刻蝕階段和鈍化階段交替進行，從而獲得出深度為50-200 μ m 的垂直深孔；然后對硅片正面進行第二步刻蝕，刻蝕出具有倒梯形的錐形形貌的深孔。
2.按權利要求1所述的方法，具體步驟是(1)在硅片正面沉積一層SiO2,厚度1.5-3 μ m,然后光刻，將光刻后露出的SW2通過 RIE刻蝕去除，露出下面的硅。(2)然后將硅片放入STS刻蝕機中，對硅片正面進行第一步刻蝕，刻蝕出深度為 50-200 μ m的深孔，在所述的這個步驟中刻蝕階段與鈍化階段是交替進行的，第一步的總時間為 40min-140min，獲得 50-200 μ m 深度的 TSV。(3)對硅片正面進行第二步刻蝕，刻蝕出錐形孔，刻蝕的具體參數(shù)為=SF6的氣體流量為 130sccm ；O2的氣體流量為13sccm ；Coil的功率為700W ；Platen的功率為20W ；壓力為12mt ； 第二步的總時間為5-17min，實現(xiàn)TSV的上孔徑是其下孔徑的1. 2-2. 2倍。
3.按權利要求2所述的方法，其特征在于所述的對硅片正面進行的第一步刻蝕時刻蝕的具體參數(shù)為①刻蝕階段=SF6的氣體流量為130sCCm；O2的氣體流量為13sCCm ；Coil的功率為600W ； Platen的功率為20W ；壓力為^mt ；刻蝕階段的時間為6s ；②鈍化階段=SF6的氣體流量為0；C4F8的氣體流量為85sCCm ；Coil的功率為600W ； Platen的功率為OW ；壓力為17mt ；鈍化階段的時間為k。
4.按權利要求2所述的方法，其特征在于第二步刻蝕時，5min刻蝕時間實現(xiàn)TSV的上孔徑是其下孔徑的1. 2-1. 3倍；隨刻蝕時間延長，其比例增大，直至刻蝕時間達17min，TSV 的上孔徑與下孔徑的比例增加至最大值2-2. 2倍；刻蝕時間繼續(xù)延長，錐形形貌基本不再發(fā)生變化。
5.按權利要求1或2所述的方法，其特征在于第一步刻蝕過程采用BOSCH刻蝕工藝形成垂直側(cè)壁的深孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制作錐形穿硅通孔(Through Silicon Via，TSV)所使用的刻蝕方法，其特征在于首先在硅片正面沉積一層SiO2，然后光刻去除圖形中的SiO2，露出下面的硅。放入STS刻蝕機中，對硅片正面進行第一步刻蝕，第一步刻蝕的過程中刻蝕階段和鈍化階段交替進行，從而獲得出深度為50-200μm的垂直深孔。然后對硅片正面進行第二步刻蝕，刻蝕出具有倒梯形的錐形形貌的深孔。所采用的刻蝕方法可操作性強，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，不僅可望降低制作晶圓TSV的工藝成本，而且提高了TSV的電鍍填充的成品率。
文檔編號C23F1/02GK102337541SQ201110288669
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權日2011年9月23日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 羅樂, 陳驍 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所