CN102092673A - Mems的缓变侧壁的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供MEMS的缓变侧壁的形成方法,通过以图案化的第一光刻胶层为掩膜,刻蚀部分所述第一薄膜;利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整;以修整后的第一光刻胶层为掩膜,再次刻蚀所述第一薄膜,以露出所述衬底;去除修整后的第一光刻胶层后,并淀积第二薄膜;在所述第二薄膜上形成图案化的第二光刻胶层;以所述图案化的第二光刻胶层为掩膜刻蚀所述第二薄膜后,去除所述图案化的第二光刻胶层。通过两步刻蚀工艺刻蚀第一薄膜,形成了缓变侧壁,使得后续的第二薄膜厚度均匀。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)制造领域,尤其涉及MEMS的缓变侧壁的形成方法。
背景技术
微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术具有微小、智能、可执行、可集成、工艺兼容性好、成本低等诸多优点,故其已开始广泛应用诸多领域。而CMOS与MEMS的集成可以结合CMOS的高性能和MEMS的多功能,成为推动MEMS技术走向大规模应用的关键。
MEMS结构中,某些薄膜层次的底部与顶部处于不同平面,即会产生一个台阶,台阶高度通常具有上千埃甚至上万埃,而后续薄膜淀积往往只有几百埃至几千埃,因此台阶会始终存在;由于CMOS工艺中的光刻、刻蚀时通常图形是在一个平面上,尤其是干法刻蚀具有很强的各向异性,使竖直方向各个区域的刻蚀速率相同,而横向刻蚀速率很小,因此在利用常用的光刻、刻蚀工艺进行图形化中,由于台阶的存在,台阶处侧壁上的薄膜在竖直方向厚度会大大厚于平面区域,可能会导致在台阶处底部薄膜在干法刻蚀后留下残余;尤其在台阶斜度比较直、台阶高度比淀积的薄膜厚度大很多的情况下,即使刻蚀时加比较多的过刻蚀,仍然难以去除干净。这有可能导致结构性能上的失效,比如如果残留的是金属薄膜,可能会导致局部短路。因此,需要特殊的集成方案来解决底部残留的问题。
图1A为利用现有技术在衬底10上形成第一薄膜11、第二薄膜22后的示意图,图1B为用光刻胶24对第二薄膜22刻蚀后的示意图。
在MEMS中,需要有很多的侧壁,如微桥结构侧壁、接触孔侧壁、沟槽侧壁等等,然而,由于现有技术中,形成的侧壁都比较陡峭,在所述侧壁上再淀积其它薄膜时,侧壁上的其它薄膜的厚度比形成在平面上的其它薄膜的厚度要 小很多,即造成了薄膜厚度的严重不均匀,侧壁上薄膜与平面上的薄膜的厚度不均匀不但给刻蚀带来了难度,还容易影响MEMS器件的性能。
有签于此,需要有一种MEMS的侧壁的形成方法,能够实现缓变的侧壁,以满足均匀薄膜厚度的要求。
发明内容
为解决现有技术MEMS中,侧壁上薄膜与平面上的薄膜的厚度不均匀的问题,本发明提供MEMS的缓变侧壁的形成方法。
本发明MEMS的缓变侧壁的形成方法,包括以下步骤:
提供衬底,在所述衬底上淀积第一薄膜;
在所述第一薄膜上形成第一光刻胶层,并图案化所述第一光刻胶层;
以图案化的第一光刻胶层为掩膜,刻蚀部分所述第一薄膜;
利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整;
以修整后的第一光刻胶层为掩膜,再次刻蚀所述第一薄膜,以露出所述衬底;
去除修整后的第一光刻胶层后,并淀积第二薄膜;
在所述第二薄膜上形成图案化的第二光刻胶层;
以所述图案化的第二光刻胶层为掩膜刻蚀所述第二薄膜后,去除所述图案化的第二光刻胶层。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,以图案化的第一光刻胶层为掩膜,刻蚀部分所述第一薄膜,刻蚀掉的厚度为所述第一薄膜的厚度的50%~70%。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,第二薄膜的厚度小于所述第一薄膜的厚度。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第一薄膜的厚度范围为1000埃至2000埃。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第二薄膜的厚度为50埃至500埃。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第一薄膜的材料为硅基介质。
进一步的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第一薄膜的材料为Si、SiO2、Si3N4、SiON中的一种或组合。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第二薄膜的材料为硅基介质。
进一步的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第二薄膜的材料与所述第一薄膜的材料不同,为Si、SiO2、Si3N4、SiON中的一种或组合。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第二薄膜的材料为金属。
进一步的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,所述第二薄膜的材料为Al、TiN、TaN、Ti、Ta中的一种或组合。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整后,图案化的第一光刻胶层的开口扩大0.1~0.5微米。
优选的,在利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整后,且再次刻蚀所述第一薄膜前,还包括:利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀后;图案化的第一光刻胶层的开口内的第一薄膜的厚度又减少了5%~20%。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整,所述富氧等离子体的能量范围为120-160瓦,反应腔的真空度为250-350毫托,所述富氧等离子体的流速为300-400毫升/分钟,修整时间为25-35秒。
优选的,在所述MEMS的缓变侧壁的形成方法中,利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀,所述氩气的能量范围为200-350瓦,所述氩气的流速为3-6毫升/分钟,刻蚀时间为7-10秒。
本发明的所述MEMS的缓变侧壁的形成方法,利用分步刻蚀的方法对所述 第一薄膜进行刻蚀,最后可以形成倾角小于45度的缓变侧壁,使后续淀积在侧壁上的第二薄膜倾斜方向的厚度接近于平面区域的厚度,在后续第二薄膜的图形化中,大大减小后续第二薄膜的刻蚀难度,解决了刻蚀残留的问题。使MEMS的生产与常用的COMS工艺能更加良好地匹配。
附图说明
图1A至图1B为现有技术的侧壁形成后的示意图;
图1至图11是本发明缓变侧壁的形成方法的各步骤的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要保护的范围更加清楚,实用新型内容更容易理解,下面介绍本发明的较佳实施例。
本发明的核心思想在于,为了解决现有技术中,侧壁过陡峭带来的一系列问题,本发明MEMS的缓变侧壁的形成方法,利用分步刻蚀的方法,对需要形成侧壁的第一薄膜进行刻蚀,从而可以形成缓变侧壁,在后续形成第二薄膜时,第二薄膜在所述缓变侧壁上的厚度与在平面区域的厚度基本一致。
本发明MEMS的缓变侧壁的形成方法,包括以下步骤:
步骤S11:提供衬底100,在所述衬底100上淀积第一薄膜102,请参照图1所示;
所述衬底100可以是半导体衬底,如半导体硅衬底,也可以是掺杂硅衬底,还可以是形成有半导体器件或形成有薄膜的衬底,所述衬底的材料不受限制,其可以是形成第一薄膜102之前的任意基底;
步骤S12:在所述第一薄膜102上形成第一光刻胶层104,并图案化所述第一光刻胶层104,请参照图图2和图3所示;
在第一薄膜102和第一光刻胶层104之间还可以形成抗反射层(BARC),所述抗反射层的材料是本领域内的公知常识,在此不再详细描述;
步骤S13:以图案化的第一光刻胶层104a为掩膜,刻蚀部分所述第一薄膜102,请参照图4所示,在图案化的第一光刻胶层104a的开口内,形成第一薄 膜开口102a;
优选的,在本实施例中,刻蚀掉的厚度为所述第一薄膜的厚度的50%~70%,如可以是50%、55%、60%、65%或70%;
优选的,所述第一薄膜的厚度范围为1000埃至2000埃,如可以是1500埃;
优选的,所述第一薄膜的材料为硅基介质,如为Si、SiO2、Si3N4、SiON中的一种或组合,一般情况下,所述第一薄膜为介质层;
步骤S14:利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层104a进行修整,修正后,图案化的第一光刻胶层104a的开口变大了,请参照图5所示;
优选的,利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整后,图案化的第一光刻胶层的开口扩大0.1~0.5微米;所述富氧等离子体是含氧气和/或臭氧的等离子体,其作用是与图案化的第一光刻胶层104a的侧壁发生化学反应,从而去除部分的光刻胶以达到扩大图案化的第一光刻胶层104a开口的作用;
优选的,利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整(trim),所述富氧等离子体的能量范围为120-160瓦,反应腔的真空度为250-350毫托,所述富氧等离子体的流速为300-400毫升/分钟,修整时间为25-35秒;
步骤S15:利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀,为的是使图案化的第一薄膜的开口拐角(corner)和侧壁圆滑,请参照图6和图7所示,图6为空白刻蚀前图案化的第一薄膜的开口示意图,图7为空白刻蚀后图案化的第一薄膜的开口示意图;在本实施例中,整个衬底表面就是衬底100和其上形成的各层,或称为整个硅片。
值得注意的是,步骤S15是可选步骤,也就是说,其不是达到本发明有益效果的必不可少的步骤,但是如果增加步骤S15,则得到的图案化的第一薄膜的开口拐角(corner)和侧壁圆滑,从而使得以空白刻蚀后的第一光刻胶层104b为掩膜,再次刻蚀所述第一薄膜102时,得到的第一薄膜102的侧壁更加平缓。
优选的,利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀(blank etch),所述氩气的能量范围为200-350瓦,所述氩气的流速为3-6毫升/分钟,修整时间为7-10秒。利用氩气作为空白刻蚀的气体,不会严重损伤所述图案化的第一薄膜,只会使其开口和侧壁的拐角圆滑。
优选的,利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀后;图案化的第一光刻胶层104a的开口内的第一薄膜102的厚度又减少了5%~20%,请参照图10所示;
步骤S16:以第一光刻胶层104b为掩膜,再次刻蚀所述第一薄膜102,以露出所述衬底100,请参照图8所示;此时,所述第一薄膜102侧壁与衬底的夹角小于45度;
步骤S17:去除第一光刻胶层后,淀积第二薄膜106,请参照图9所示;
优选的,第二薄膜的厚度小于所述第一薄膜的厚度;所述第二薄膜的厚度为50埃至500埃;
所述第二薄膜的材料与所述第一薄膜106的材料不同,可以是硅基介质,如为Si、SiO2、Si3N4、SiON中的一种或组合,一般情况下,所述第二薄膜106为介质层时,适用于微桥结构或沟槽结构,所述缓变侧壁即微桥结构侧壁或沟槽结构侧壁,所述第二薄膜起保护、支撑或隔离的作用;
可选的,所述第二薄膜106的材料为金属,如为Al、TiN、TaN、Ti、Ta中的一种或组合,一般情况下,所述第二薄膜106为金属层时,适用于接触孔或支撑孔,也就是说,所述衬底100是形成有顶层金属层的衬底,所述缓变侧壁即接触孔的侧壁,所述第二薄膜106用于与顶层金属层电连接;
步骤S18:在所述第二薄膜106上形成图案化的第二光刻胶层108;
步骤S19:以所述图案化的第二光刻胶层108为掩膜刻蚀所述第二薄膜106后,去除所述图案化的第二光刻胶层108。
本实施例中所述刻蚀可以是干法刻蚀,关于刻蚀气体以及工艺条件,根据被刻蚀层的具体材料确定,是本领域内的公知常识,在此不再详细描述。本发明中的“图案化”指在需要被图案化的膜层上形成光刻胶,然后对光刻胶进行曝光、显影,然后以具有图形的光刻胶为掩膜,对需要被图案化的膜层进行刻蚀的过程。
值得注意的是,本发明中的第一薄膜102和第二薄膜106都可以是复合层,也就是说,第一薄膜102可以是由几层薄膜复合而成,第二薄膜106也可以是由几层薄膜复合而成,并不限于单层。
请参照图10和图11所示,下面给出本发明的一个具体实施例如下:
在衬底200上淀积1300埃的Si薄膜(第一薄膜)202并光刻;
刻蚀掉800埃的Si薄膜;
利用氧气对第一光刻胶204的trim,使其横向尺寸扩大0.2微米,即单边扩大0.1微米,同时第一光刻胶204在纵向也会被减薄0.3微米;
利用Ar气对整个衬底表面表面进行blank etch,Si薄膜的刻蚀量为100埃,如图10所示;
以第一光刻胶为掩膜再次刻蚀Si薄膜,使其停于衬底200上;
完全去除第一光刻胶204,淀积200埃的TaN薄膜(第二薄膜)206并光刻;
刻蚀TaN薄膜图形,使其在台阶底部的非图形区域完全被去除;
完全去除光刻胶,如图11所示。
本发明的MEMS的缓变侧壁的形成方法,对第一薄膜102进行刻蚀时,先刻蚀部分所述第一薄膜102;然后利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层104a进行修整,修正后,图案化的第一光刻胶层104a的开口变大了,再利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀,为的是使图案化的第一光薄膜的的拐角(corner)和侧壁圆滑,这样,再以具有较大开口的图案化的第一光刻胶层104a为掩膜,对所述第一薄膜102进行第二次刻蚀,直到露出衬底;最后得到的第一薄膜102的侧壁具有缓变的倾角,其倾角约小于45度。
由于第一薄膜102的侧壁是缓变侧壁,使得淀积在所述缓变侧壁上的第二薄膜的厚度接近于平面区域的厚度,在后续第二薄膜的图案化中,大大减小后续第二薄膜的刻蚀难度,解决了刻蚀残留的问题。使MEMS的生产与常用的COMS工艺能更加良好地匹配。
综上所述,本发明的缓变侧壁的形成方法,能形成均匀厚度的薄膜,不但与现有的CMOS工艺相兼容,而且简单、易行,不增加成本。
Claims (16)
1.一种MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供衬底,在所述衬底上淀积第一薄膜;
在所述第一薄膜上形成第一光刻胶层,并图案化所述第一光刻胶层;
以图案化的第一光刻胶层为掩膜,刻蚀部分所述第一薄膜;
利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整;
以修整后的的第一光刻胶层为掩膜,再次刻蚀所述第一薄膜,以露出所述衬底;
去除修整后的第一光刻胶层后,并淀积第二薄膜;
在所述第二薄膜上形成图案化的第二光刻胶层;
以所述图案化的第二光刻胶层为掩膜刻蚀所述第二薄膜后,去除所述图案化的第二光刻胶层。
2.如权利要求1所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,以图案化的第一光刻胶层为掩膜,刻蚀部分所述第一薄膜,刻蚀掉的厚度为所述第一薄膜的厚度的50%~70%。
3.如权利要求1所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,第二薄膜的厚度小于所述第一薄膜的厚度。
4.如权利要求3所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第一薄膜的厚度范围为1000埃至2000埃。
5.如权利要求4所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第二薄膜的厚度为50埃至500埃。
6.如权利要求1所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第一薄膜的材料为硅基介质。
7.如权利要求6所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第一薄膜的材料为Si、SiO2、Si3N4、SiON中的一种或组合。
8.如权利要求6所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第二薄膜的材料为硅基介质。
9.如权利要求8所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第二薄膜的材料与所述第一薄膜的材料不同,为Si、SiO2、Si3N4、SiON中的一种或组合。
10.如权利要求6所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第二薄膜的材料为金属。
11.如权利要求10所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,所述第二薄膜的材料为Al、TiN、TaN、Ti、Ta中的一种或组合。
12.如权利要求1所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整后,图案化的第一光刻胶层的开口扩大0.1~0.5微米。
13.如权利要求1-12中任一项所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整后,且再次刻蚀所述第一薄膜前,还包括:利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀。
14.如权利要求13所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀后;图案化的第一光刻胶层的开口内的第一薄膜的厚度又减少了5%~20%。
15.如权利要求13所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,利用氩气对整个衬底表面进行空白刻蚀,所述氩气的能量范围为200-350瓦,所述氩气的流速为3-6毫升/分钟,刻蚀时间为7-10秒。
16.如权利要求1所述的MEMS的缓变侧壁的形成方法,其特征在于,利用富氧等离子体对图案化的第一光刻胶层进行修整,所述富氧等离子体的能量范围为120-160瓦,反应腔的真空度为250-350毫托,所述富氧等离子体的流速为300-400毫升/分钟,修整时间为25-35秒。
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