硅深刻蝕技術中鈍化工藝的研究

摘 要：穿透硅通孔技術是實現3D集成封裝的關鍵技術之一，而交替復合深刻蝕技術是實現穿透硅通孔的重要方式。本文分別采用CF4、C4F8和O2研究交替復合深刻蝕中的鈍化工藝，用X射線能譜測試儀分析了不同氣體在硅表面產生的鈍化薄膜，為硅深刻蝕技術的實現奠定了基礎。

關鍵詞：穿透硅通孔（TSV）；交替復合深刻蝕；鈍化工藝

1 前言

目前，消費者對電子消費類產品的要求不斷提高，不僅要功能性多，存儲量大，同時強調外形小巧，為滿足這一要求，更多的生產廠家開始研究3D集成封裝技術。這種技術通過減薄的芯片，使之堆疊并互連起來，最終實現一種緊湊的層狀結構，大大減小了芯片的體積，并提高數據在芯片上各個功能區之間的傳輸速度。由于當前的引線鍵合技術受限于輸入/輸出端的數量和電學性能等因素，無法滿足技術進一步發展的需求，因此半導體制造業已經開始逐步轉向使用穿透硅通孔技術（throug silicon-via，TSV）實現多芯片的整合。

用于3D集成封裝技術的硅直通孔尺寸一般介于20-50μm之間，通孔深度介于80-170μm之間，先進的研究傾向于深寬比為50：1的5μm通孔。在這種應用中對刻蝕工藝的要求十分精確，在刻蝕的均勻性、分布控制等方面有嚴格要求。交替復合深刻蝕技術因其較高的刻蝕各項異性、深寬比、側壁陡直度等優勢廣泛應用于Si深刻蝕技術中。

2 交替復合深刻蝕技術

在對硅的刻蝕中常用SF6氣體作為等離子中的氟原子源，原子態的氟對硅可進行各向同性的刻蝕，因此要得到一定深寬比的硅通孔需要借助側壁鈍化的方法來實現。本文采用交替復合深刻蝕技術（TMDE），它利用刻蝕、鈍化交替進行的方法來進行刻蝕。首先通入SF6氣體，會發生一個短促的刻蝕過程，未被掩蔽層保護的硅會以接近各向同性的方式被刻蝕；接著通入鈍化氣體，在刻蝕表面淀積保護層（如圖1所示），使得掩蔽層和被刻蝕物表面被覆蓋了一層聚合物；接下來繼續刻蝕（如圖2所示），同時開啟自偏壓，使得離子垂直入射到底部，硅基結構底部的聚合物被離子轟擊去除，刻蝕劑繼續與暴露出來的硅反應。由于入射離子的方向性，側壁鈍化層不易被轟擊，從而保護了側壁，避免其繼續被刻蝕。然后繼續保護層的沉積與刻蝕過程的交替，可以使刻蝕深度不斷增加，而側壁保持陡直。

下面以碳氟氣體為例，介紹保護層淀積和刻蝕的具體過程及化學反應。首先進行短暫的刻蝕后，第二步淀積側壁保護層。以CF4為例，CF4在等離子體狀態下分解成離子態CF2基與活性F基，見式（1），其中CF2基與硅表面反應，形成PTFE狀（CF2）n高分子鈍化膜，見式（2）。反應式如下：

第三步刻蝕。通入氣體SF6，以增加F離子解離，見式（3），提高化學性刻蝕，F離子不僅能刻蝕掉鈍化膜，見式（4），接著會對硅基材料進行刻蝕，見式（5）。如圖2所示。反應式如下

另外，在刻蝕的過程中，先前附著在側壁上的部分聚合物，在非垂直離子碰撞側壁的影響下，脫離側壁再次移動，重新在更深的側壁上附著。這樣，側壁上的聚合物薄膜不斷地被驅趕向下附著，從而可以形成一個局部的各向異性刻蝕。

3 保護層淀積工藝研究

本文將采用交替復合深刻蝕技術，利用中科院微電子研究所研制的ICP-98A高密度感應耦合等離子體刻蝕機來實現具有一定深寬比的硅直通孔。

實驗過程：

首先選取N型2英寸單晶硅片3片，每片硅片裁成4小片；接著使用相應溶液對硅表面進行清洗，除去硅片表面的有機物污染及各種微粒、氧化物和金屬離子等，去離子水沖洗5分鐘，氮氣吹干后放置在熱板上，去除表面吸附的水分；將清洗后硅片放置于刻蝕機內，一半用鋁箔遮蓋，一半裸露于刻蝕機腔室，分別通入鈍化氣體C4F8、CF4和O2，保證氣體流量為200sccm，調節不同的射頻功率使鈍化氣體電離，淀積10分鐘后取出，使用Taylor hobson非接觸式輪廓檢測儀測量C4F8和CF4淀積保護薄膜的厚度、M-2000型橢偏儀測量O2在Si片表面沉積的保護層的厚度。

本實驗共分三組，表1為不同射頻功率下C4F8、CF4和O2氣體所淀積的保護層厚度。

通過實驗發現，C4F8在射頻功率為200W時的沉積效果明顯，可以在硅片表面觀察到C4F8沉積的淡黃色保護層；CF4在射頻功率為800W、500W和200W時的鈍化效果較好；而O2在500W、600W和800W以上時硅片表面形成幾十納米厚的保護層。圖3和圖4分別是射頻功率為500W和200W，使用Taylor hobson非接觸式輪廓檢測儀測量出的CF4和C4F8作為鈍化氣體在硅片表面沉積的保護層的三維圖。

為了確認在硅片上淀積的保護層是由鈍化氣體CF4、C4F8和O2形成的，采用了X射線能譜測試儀分別對射頻功率為500W時，由CF4形成鈍化層硅片；射頻功率為200W時C4F8形成鈍化層硅片；射頻功率為600W時，O2形成鈍化層硅片，進行X射線能譜分析（XPS）。圖5（a）、（b），圖6（a）、（b）和圖7（a）、（b）分別是對CF4、C4F8和O2氣體沉積的保護層進行分析的XPS譜

通過分析可以看出，使用CF4氣體形成的保護層中含有大量的氧雜質，碳氟比例約為0.92。從Cls鍵的能譜分析可知，見圖5（b），碳元素幾乎以C-C鍵存在；從圖6可以看出，使用C4F8氣體形成的保護層中氧等雜質的含量較低，幾乎可以忽略。其保護層是較為典型的碳氟薄膜，碳氟比例約為0.38，對其中的C1s峰進行能譜分析，見圖6 （b）可以得到在該聚合物保護層中碳氟元素以C-F、C-F2、C-F3、C-C等形態存在。從圖7可以得，O2氣體形成的保護層XPS中有少量的碳氟雜質，但是主要存在形式為O1s，Si2鍵，通過Si2s峰的能譜分析，見圖7（b）可知在O2氣體形成的保護層中有大量的SiO2存在。

4 結束語

本文以3D集成封裝技術廣受關注為應用背景，選用交替復合深刻蝕技術實現其關鍵技術-穿透硅通孔，分別采用CF4、C4F8和O2三種氣體對交替復合深刻蝕技術中的鈍化工藝進行了研究，并采用X射線能譜測試儀分析了不同氣體在硅表面產生的鈍化薄膜，為硅深刻蝕技術的實現奠定了基礎。

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