在集成电路的制造阶段延续摩尔定律变得越发困难，而在封装阶段利用三维空间可以视作 对摩尔定律的拓展。硅通孔是利用三维空间实现先进封装的常用技术手段，现有技术中对于应用于CMOS图像传感器件封装的圆台硅通孔，采用的是在顶部不断横向刻蚀的方式实现的，不利于封装 密度的提高，且对于光刻设备的分辨率有一定的要求。针对现有技术中的问题，一种严格控制横向 刻蚀尺寸（仅占原始特征尺寸的3%~12%）的圆台硅通孔刻蚀方法被研究探索出来。该方法通过调节 下电极功率（≤30 W），获得了侧壁角度可调（70°~88°）、通孔底部开口尺寸小于光刻定义特征尺寸 的圆台硅通孔结构。这一方法有望向三维集成电路领域推广，有助于在封装阶段延续摩尔定律。

2.1试验仪器与材料

本研究使用的试验仪器包括：上海微电子公司生 产的SMEE SSB500步进式光刻机，北方华创公司生 产的HSE P230等离子体刻蚀机，日立公司生产的SU8010冷场发射扫描电子显微镜。本研究使用的试验材料包括：12英寸硅晶圆，电子 级O₂、He、SF₆、C₄F₈、Ar，德国All Resist公司生产的光刻 胶和显影液，北京化工厂生产的H₂SO₄（浓）和H₂O₂。

【资料图】

2.2试验方法

本研究使用的12英寸硅晶圆，其（100）晶面垂直 于晶圆平面朝上。试验采用Piranha溶液H₂SO₄（浓）和H₂O₂以7:3的配比组成]清洗后，在晶圆上旋涂光刻 胶。然后，试验使用步进式光刻机进行光刻，并通过显 影定义出待刻蚀的图形。最后，试验使用等离子体刻 蚀机进行刻蚀，刻蚀后的剖面结构使用冷场发射扫描 电子显微镜进行表征。

其中，等离子体刻蚀是关键的试验步骤，等离子 体刻蚀的基准工艺配方如表1所示。

其中，气压用于达到等离子体产生的条件，应用 于刻蚀机的等离子体属于低温等离子体，需要一定的 真空才能产生，而电感耦合等离子体形成所需要的真 空一般在26.66 Pa以下；上电极功率产生等离子体；下 电极射频功率牵引腔室中的等离子体向下运动作用 于晶圆；SF6用于产生氟基自由基刻蚀硅片；O₂用于形 成硅氧复合物保护孔道结构的侧壁，从而实现各向异 性刻蚀；工艺时间与所需要的刻蚀深度相关。

2.3试验结果

图1为光刻胶显影后（即等离子体刻蚀之前）检测 （ADI）的剖面扫描电子显微镜图像，光刻所定义出的 特征尺寸约为50μm。

图2为等离子体刻蚀后检测（AEI）的剖面扫描电 子显微镜图像。

从图2（a）可以看出，其硅通孔的上开口尺寸（大 约为54μm）与光刻定义的特征尺寸（大约为50μm） 相差无几，下开口尺寸（大约为43μm）则显著小于光 刻定义的特征尺寸，再结合约65μm的刻蚀深度值， 可得出其侧壁的平均角度大约为85°，有利于后续的 填充工艺；而从图2（b）的放大图可以更加清晰地看 出，硅通孔的顶部没有出现明显的在光刻胶底部向硅 通孔内侧的刻蚀现象，即没有明显的下切现象出现。进一步的研究还发现，当光刻定义出的图案的特征尺 寸减小时，采用上述等离子体刻蚀技术所刻蚀出的图 形的下切尺寸的绝对值也会随之减小，而下切尺寸占 光刻定义尺寸的比值虽有上升，但有逐步趋于饱和的 趋势，预示其有望向尺寸更小的三维封装方向发展， 但相应地也存在一定的挑战。

对形成上述形貌的影响因素进行探讨。首先，调 整工艺配方中的上电极功率，若上电极功率增加，对 形貌的影响不大（上开口尺寸约为57μm，下开口尺寸 约为49μm，刻蚀深度约为65μm，下切现象加重，但 侧壁的平均角度保持为约85°不变），图3为等离子体 刻蚀后的剖面扫描电子显微镜图像。上电极功率增加 后的等离子体刻蚀工艺配方如表2所示。

试验结果证明，上电极功率并不是形成该形貌的 主要影响因素。通过进一步的探索发现，若减小下电 极功率，则可以获得侧壁角度更加倾斜的硅通孔（上 开口尺寸约为62μm，下开口尺寸约为35μm，刻蚀深 度约为65μm，侧壁平均角度约为76°），图4为其等 离子体刻蚀后的剖面扫描电子显微镜图像。

从图4可以看出，相比于高深宽比的Bosch工艺， 该等离子体刻蚀技术在侧壁粗糙度方面具有优势，有 利于后续工艺以及保证器件的电学性能。下电极功率 减小后的等离子体刻蚀工艺配方如表3所示。

对试验的结果进行分析，增加上电极功率会加大 下切现象（通过单侧下切尺寸占光刻定义出的原始特 征尺寸的比例来定量描述该现象），但不会明显影响 侧壁的平均角度，而减小下电极功率则可以明显减小 侧壁的平均角度，等离子体刻蚀结果对比如表4所示。

从唯象的角度，对减小下电极射频功率可以获得 圆台型微孔结构进行分析讨论：对于电感耦合等离子 体刻蚀机而言，其上电极射频功率用于产生等离子 体，下电极射频功率用于牵引腔室中的等离子体向下 运动并作用于晶圆。等离子体的平均自由程有限，在 孔道结构中运动时更容易发生湮灭，当下电极功率不 足时，会使得到达孔道结构底部的等离子体明显少于 顶部，进而获得上大下小的圆台型微孔结构。

现有文献中，硅通孔的下开口尺寸与光刻胶定义 的特征尺寸保持一致，倾斜侧壁是通过较大的下切现 象获得的，图5（a）为现有文献中的刻蚀技术示意图。而本文提出的刻蚀方法，是硅通孔的上开口尺寸与光 刻胶定义的特征尺寸保持一致，通过对侧壁的保护作 用使得下开口明显小于光刻胶定义的特征尺寸而获 得倾斜侧壁。图5为本文提出的等离子体刻蚀技术与 现有文献中的刻蚀技术对比示意图，当光刻胶定义的 特征尺寸一定的情况下，通过本文提出的刻蚀方法能 得到尺寸更小的硅通孔结构，从而使得硅通孔技术对 于光刻分辨率的要求降低。从定量的角度分析，采用现有技术来实现侧壁角度为76°的硅通孔，假设刻蚀 深度为65μm、光刻定义的特征尺寸为50μm，通过一 个简单的三角函数运算可以得到现有技术的上开口 需要达到82μm（现有技术的下开口尺寸与光刻定义 的特征尺寸50μm保持一致），比原始的特征尺寸50μm多出32μm，比本文报道的上开口尺寸还要多 出20μm，单侧的下切值占特征尺寸的比例达到32%， 远大于3%~12%的比例，不利于封装密度的提高。

另外，不同于集成电路制造领域（特别是制约先 进制程发展的特征尺寸领域）的光刻定义的图案（主 要是线条状的图案），先进封装领域的光刻图案主要 是圆孔状的图案，在相同特征尺寸下的圆形图案比线 条状图案对光刻分辨率的要求更高。

对硅通孔的侧壁角度进行进一步的分析：一方 面，硅通孔刻蚀后的工艺是钝化胶的涂布工艺或者通孔的填充工艺，所以通孔刻蚀的侧壁不能太直，否则 不利于后续的钝化胶涂布（无法挂胶）或者填孔工艺 （封口效应）；另一方面，通孔刻蚀的侧壁又不能太斜， 太斜的话会降低晶圆利用率，并且在回刻步骤中容易 破坏侧壁的绝缘层。因此，这类圆台硅通孔的侧壁倾 斜角度在70°~88°最适宜。研究结果证明，通过调节下 电极功率可以实现圆台硅通孔侧壁倾斜角度的调节。

本技术所能实现的硅通孔深宽比还有待提升，目 前并不适合集成电路的高密度互连，更加适合分立器 件的先进封装，例如微机电系统器件（如低阻硅柱的 三维互连等）以及图像传感器件等的三维封装。此 类器件的共同特征是所需的互连接口数量较少，而器 件尺寸又相对比较大。另外，采用本技术形成的硅通 孔侧壁粗糙度具有优势，有利于减少光学传输损耗， 还可以应用于半导体照明等领域。

本文提出了一种圆台硅通孔的刻蚀方法，可以在 先进封装（特别是针对图像传感器件的封装）中引入 侧壁平均角度在70°~88°的硅通孔互连结构。通过施 加30 W及以下的下电极功率实现圆台硅通孔的刻 蚀，该圆台硅通孔的下开口尺寸显著小于光刻定义的 特征尺寸。与现有文献中的刻蚀技术不同，该刻蚀技 术可以降低工艺整合时对光刻分辨率的要求，且有利 于提高封装密度。该刻蚀技术对于高深宽比的刻蚀还 具有一定的局限性，对于如何将该技术扩展到三维封 装硅通孔刻蚀还需要进一步的研究和探索。

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