CN104332392B - 一种各向异性干法刻蚀vo2的方法 - Google Patents

一种各向异性干法刻蚀vo2的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种各向异性干法刻蚀VO2的方法，包括以下步骤：a、提供SiN作为衬底；b、在所述衬底上磁控反应溅射形成VO2薄膜；c、在VO2薄膜表面进行SiN的生长，形成SiN掩膜；d、在所述SiN掩膜上涂覆光刻胶，将SiN掩膜图形化；e、依次对SiN掩膜和VO2薄膜进行反应离子刻蚀,其中，SiN掩膜和VO2薄膜均采用氟基气体进行刻蚀，在对VO2薄膜进行刻蚀的过程中通入O2；f、用干法去胶机去除残余光刻胶；g、进行清洗和甩干去除反应残余物。本发明解决了VO2薄膜干法刻蚀过程中产生的钻刻、形貌及关键尺寸难以有效控制的问题，增加了VO2敏感材料的有效面积，提高了探测器的探测率，及工艺的稳定性、重复性。

Description

一种各向异性干法刻蚀VO2的方法
技术领域
本发明涉及微机电系统非制冷红外探测器制造工艺技术领域，具体涉及一种各向异性干法刻蚀方法。
背景技术
红外热成像运用光电技术检测超过绝对零度物体的热辐射红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形。探测物体红外热辐射的探测器按工作原理分为：光子型红外探测器和非制冷红外探测器。
光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，它是利用光电效应实现红外信号向电信号的转换，因而需要工作在77K或更低的温度下，因此也称之为制冷型红外探测器。由于该类探测器体积大、价格昂贵、制备困难、兼容性差等缺点，只能用于高端领域，如航空、军事等。而制冷型红外探测器虽然在温度分辨率等灵敏度方面与制冷型有一定差距，但它更具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高等，从而在军用和民用领域越来越广泛，并伴随着大规模非制冷焦平面阵列的发展，将在各领域慢慢替代制冷型探测器。
1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统，主要红外材料为α-Si(非晶硅)与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下以VO2为热敏材料的热探测器，并使用硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。199O-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VO2为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VO2热敏薄膜材料具有高的电阻温度系数、高电阻率、低热导率、低噪声系数、高动态响应和线性响应等特性，因此VO2作为目前首选的热敏电阻型非制冷红外焦平面阵列而制备红外探测器。
目前VO2的刻蚀各种专利及文献提及的较少，一般有两种方法，一种为湿法刻蚀，即溶剂刻蚀；另一种为干法刻蚀，即等离子刻蚀。由于湿法刻蚀有许多困难，如刻蚀端面不齐,浮胶和侧蚀等,并且工艺复杂而较少被采用。干法等离子刻蚀由于工艺简单,较湿法刻蚀其刻蚀效果较好而被业界广泛采用，但由于VO2的性质，干法刻蚀一般都需要SiN介质作为掩膜，然而SiN采用F基作为刻蚀剂，V与CL基反应，因此一般都采用不同刻蚀机台分别进行刻蚀或使用同一机台通入不同气体分步刻蚀。尽管如此，仍然会出现钻刻、无法形成良好的刻蚀形貌，不能有效控制关键尺寸，以及由于V的价态多变容易导致刻蚀残留等，而影响红外探测器的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效控制刻蚀形貌、关键尺寸、防止钻刻的各向异性VO2的干法刻蚀方法。
具体的，本发明提供了一种各向异性干法刻蚀VO2薄膜的方法，包括以下步骤：a、提供SiN作为衬底；b、在所述衬底上形成VO2薄膜；c、在VO2薄膜表面进行SiN的生长，形成SiN掩膜；d、在所述SiN掩膜上涂覆光刻胶，将SiN掩膜图形化；e、依次对SiN掩膜和VO2薄膜进行反应离子刻蚀,其中，SiN掩膜和VO2薄膜均采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体进行刻蚀，在对VO2薄膜进行刻蚀的过程中通入O2；f、用干法去胶机去除残余光刻胶；g、进行清洗和甩干去除反应残余物。
可选地，在步骤a中，衬底的厚度为0.5um。
可选地，在步骤e中，先采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体及氩气的混合气体对SiN掩膜进行刻蚀，再采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体与氧气的混合气体对VO2薄膜进行刻蚀。
可选地，所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～3:1，氟原子与氩原子的气体流量配比为2:1～3:1；在所述氟基气体与氧气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～2:1，氟原子与氧 气的气体流量配比为1:2～1:3。
可选地，在步骤e中，刻蚀的的气体压强为200～500毫乇，刻蚀的射频功率为200～800W。
可选地，在步骤e中，采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体及氩气的混合气体对SiN掩膜进行刻蚀时，气体压强为300毫乇，刻蚀的射频功率为800W，刻蚀时间为15s；采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体与氧气的混合气体对VO2薄膜进行刻蚀时，气体压强为300毫乇，刻蚀的射频功率为400W，刻蚀时间为35s。
可选地，在步骤g中，清洗包括依次进行用有机化学溶液、无机化学溶液、去离子水的清洗。
可选地，所述有机化学溶液为丙酮。
由于本发明提出了一种VO2薄膜的各向异性干法刻蚀方法，它对SiN掩膜及VO2薄膜均采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体进行刻蚀，在VO2膜刻蚀过程中，通入具有氧化性的O2，使与刻蚀剂氟基接触的V尽可能地被氧化为V5+，并且氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体对VO2具有各向异性的刻蚀特性，其中的氟基能与O基生成活性更高、寿命更长的COF基团，从而优化了刻蚀VO2的工艺流程，解决了刻蚀形貌、关键尺寸难控制的问题，提高了该工艺的稳定性、重复性，提高了产品的良率。
附图说明
图1(a)～图1(f)为本发明的各向异性刻蚀的VO2干法刻蚀工艺流程；
图2为现有技术单纯采用四氟化碳与氧气对VO2薄膜各向异性干法刻蚀后的SEM照片；
图3为本发明采用CHF3气体与氧气对VO2薄膜各向异性干法刻蚀后的SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1(a)～图1(f)所示，本发明提供一种各向异性干法刻蚀方法。本实施例中所采用的热敏薄膜材料为VO2，各个步骤所使用的设备和材料型号如表1所示，需要注意的是，表1中所示出的材料和设备均为可替换的，仅作为对本发明的解释和说明，而不能理解为对本发明的限制。
具体工艺流程如下：
首先，提供硅片，并清洗表面，如图1(a)所示，可以采用等离子体技术实现清洗过程，其目的在于去除硅片表面的氧化层和损伤部分，以及从金属表面去除污染物。接下来，在硅片表面进行SiN淀积形成所需厚度的SiN薄膜作为衬底1，为了消除SiN与硅片之间的界面态、应力和缺陷，所述衬底1具有比较大的厚度，一般为0.2～1um，本实施例中，所述衬底1厚度为0.5um。在另一个实施例中，衬底厚度为0.2um。在又一个实施例中，衬底厚度为1um。
接下来，如图1(b)所示，通过磁控反应溅射形成VO2薄膜。具体的，基于现有集成电路工艺，用VO2反应离子源，在衬底1表面溅射反应，形成进行90nm厚的VO2薄膜2。该90nm只是作为举例，也可以形成其它厚度的VO2薄膜。
接下来，生长SiN作为VO2薄膜的掩膜3，如图1(c)所示。具体的，基于现有集成电路工艺，可以采用外延生长，等离子体淀积等方法形成所述掩膜3，该SiN掩膜的的厚度为50～200nm，在本实施例中，所述SiN掩膜3的厚度为100nm。
接下来，在SiN掩膜3表面涂覆光刻胶4，将所述SiN掩膜3图形化，准备进行下一步的光刻。具体的，所述光刻步骤基于现有集成电路工艺，首先所述SiN掩膜3上涂覆光刻胶4，并通过掩膜版将所需要的图形形状转移到光刻胶4上，接下来，依次进行曝光、显影等光刻工艺，最终得到如图1(d)所示的半导体 结构。
接下来，将硅片放入刻蚀设备，用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体与O2的混合气体进行反应离子刻蚀形成图形4，如图1(e)所示。具体的刻蚀方法是反应离子刻蚀。刻蚀的射频功率为200～800W，气体压强为200～500毫乇。氟基气体总流量为100～200sccm，氧气总流量为500～1000sccm。刻蚀时，分两步刻蚀步骤进行。第一步，先采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1氟基气体及氩气的混合气体对SiN掩膜3进行刻蚀，再采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1氟基气体与氧气的混合气体对VO2薄膜2进行刻蚀。
然后，将图1(e)的结构放入干法去胶设备中，对残留的光刻胶进行去，并放入湿法清洗及甩干设备，依次进行有机化学溶液(可以是EKC等)、无机化学溶液、去离子水的清洗及甩干，甩干后的图形如图1(f)所示。由于为了达到对VO2的各向异性刻蚀，从而采用了含碳原子的氟基气体与氧气的混合气体，可以在VO2侧壁形成一周反应生成聚合物，该聚合物在VO2的刻蚀过程中，为获得可控的刻蚀尺寸及刻蚀形貌充当了重要的作用，然而在刻蚀工艺完成后，就需要去除该聚合物，否则后续工艺无法进行，因此需要依次进行有机化学溶液(可以是EKC等)、无机化学溶液、去离子水的湿法清洗工艺，来去除该聚合物，其中有机化学溶液主要去除该聚合物，无机化学溶液主要溶解晶圆上的残留有机化学溶剂，而去离子水是清洗掉晶圆上残留的无机化学溶液，最后通过甩干机来干燥晶圆；同时可以去除工艺过程中掉落到晶圆上的颗粒及其它沾污物等，保证了产品性能指标的稳定性，减小了芯片的失效比率，提高了生产良率。
在一个实施例中，所述有机化学溶液为丙酮，但也可以是其它有机化学溶液。
现有技术中，采用CF4和氧气的混合气体对VO2进行刻蚀，其对VO2具有各向同性的刻蚀特性，刻蚀过程中对VO2的刻蚀尺寸、刻蚀形貌无法有效控制，最终形成“碗”状，对后续薄膜(特别金属PVD溅射时)的淀积及悬空结构的稳固性造成隐患。而含C原子的氟基气体可与氧气可以发生如下化学反应：
CxFy+O2→F*+O*+COF*+CO+…….，
其中COF*活性基团寿命较长，当它运动到样品表面时发生COF*→F*+CO↑,加长了F*活性基的寿命，促进了VO2的刻蚀；并且当氟基气体中的F原子与C原子小于等于3时，刻蚀混合气体主要以生产侧壁保护的聚合物(polymer)为主，从而避免对VO2薄膜的横向掏蚀，达到对VO2各向异性的刻蚀特性。因此，当y/x小于等于3时，可以实现较好的刻蚀形貌和关键尺寸。但当氟原子与碳原子的气体流量配比较小时，干法刻蚀速率会大幅降低，且会生成更多的聚合物，将会导致后续去除聚合物的清洗工艺难度增加，因此可以在CHF3、C3F8、CH2F2等y/x小于等于3的氟基气体中增加少量的高y/x气体，如CF4等气体，只需控制氟原子与碳原子的总的气体流量配比小于等于4:1就可以有效控制刻蚀工艺。
由于本发明实施例采用两步刻蚀来进行SiN掩膜3和VO2薄膜2的刻蚀，对SiN掩膜3的刻蚀和对VO2薄膜2的刻蚀有时需要分别设置不同的刻蚀参数，如需要的气体混合比例等，因而有利于结合不同阶段进行控制，从而达到对刻蚀形貌、刻蚀关键尺寸的有效控制。
尤其是，两步中的每一步中用不同的氟原子与碳原子的气体流量比、氟原子与氧元素的气体流量比等。由于不同的氟原子与碳原子的气体流量比、氟原子与氧元素的气体流量比等可以有效的形成刻蚀生产物聚合物及控制VO2对光刻胶的刻蚀选择比，从而达到对刻蚀形貌、刻蚀关键尺寸的有效控制。优选地，所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～3:1，氟原子与氩原子的气体流量配比为2:1～3:1；在所述氟基气体与氧气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～2:1，氟原子与氧气的气体流量配比为1:2～1:3。
在一个实施例中，所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为3:1；在另一个实施例中，所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为3.5:1；在又一个实施例中，所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1。
在一个实施例中，所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与氩原子的气体流量配比为2:1；在另一个实施例中，所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与氩原子的气体流量配比为2.5:1；在又一个实施例中，所述氟基气体及 氩气的混合气体中，氟原子与氩原子的气体流量配比为3:1。
在一个实施例中，在所述氟基气体与氧气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1；在另一个实施例中，在所述氟基气体与氧气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为3:1；在又一个实施例中，所述氟基气体与氧气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为2:1。
在一个实施例中，在所述氟基气体与氧气的混合气体中，氟原子与氧气的气体流量配比为1:2；氟原子与氧气的气体流量配比为1:2.5；氟原子与氧气的气体流量配比为1:3。
含碳原子的氟基气体，其中氟原子与碳原子的比例，主要决定刻蚀反应生成聚合物的多少，即刻蚀形貌的垂直度等。当F原子与C原子的比例(即F原子与氧原子的气体流量配比)小于等于3：1时，混合气体与VO2反应可以生成的较多聚合物，保护VO2侧壁，防止横向掏蚀，因此优选选用F原子与C原子的比例小于等于3:1的CHF3、C3F8等氟基气体与O2混合，来进行VO2薄膜的刻蚀。
现有技术中采用CF4与O2混合气体刻蚀VO2，其他试验参数和条件如下表1和表2所述，即氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1的条件下进行刻蚀，此时反应生成的聚合物过少，无法对VO2侧壁起到保护作用，在侧壁处下方形成横向掏蚀，影响刻蚀工艺特征，如图2所示。
图3为本实施例中完全采用CHF3与O2混合气体刻蚀VO2的形貌，即F原子与C原子的比例(即氟基气体中的F原子与C原子总量比)为3：1、其他试验参数和条件如下表1和表2所述时刻蚀VO2的形貌。
对比图3和图2可以看出，当F原子与C原子的比例(即氟基气体中的F原子与C原子总量比)为3：1时，相比于F原子与C原子的比例(即氟基气体中的F原子与C原子总量比)为4：1时，能够有效改善VO2薄膜刻蚀形貌。
由于F原子与C原子的比例(气体流量配比)较小时，后续去除聚合物的工艺难度会增加，因此，可以考虑增加少量对的CF4，使所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～3:1，在所述氟基气体与氧 气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～2:1，即控制F原子与C原子的比例(气体流量配比)，可以达到形成不同刻蚀形貌、刻蚀关键尺寸的目的。
刻蚀时间由人为设置。可以根据工艺需要，在刻蚀过程中，通过调整刻蚀菜单中的氟原子与碳原子气体流量配比、氟原子与氧元素气体流量配比等，形成不同刻蚀形貌、刻蚀关键尺寸。
表1
上表只是例示了在一个实验中各步骤中采用的设备和材料/气体氛围。当然，上述设备和材料/气体氛围也可以由本领域技术人员根据实际情况和经验选取，其不局限于上表。
另外，在各步骤中的反应时间、温度、压强等，可以由本领域技术人员根据常规经验选取。
主要参数 刻蚀步骤一 刻蚀步骤二
压强(mtorr) 300 300
功率(W) 800 400
CF4(sccm) 160 0
CHF3(sccm) 15 100
AR(sccm) 250 0
O2(sccm) 0 800
刻蚀时间(s) 15 35
表2
表2中的刻蚀步骤一为采用氟基气体及氩气的混合气体对SiN掩膜3进行刻蚀的步骤，刻蚀步骤二为采用氟基气体与氧气的混合气体对VO2薄膜2进行刻蚀的步骤。表2中的参数只是示例，本领域技术人员可以根据常规经验选取其它参数。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施 例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (6)

1.一种各向异性干法刻蚀VO2薄膜的方法，包括以下步骤：
a、提供SiN作为衬底(1)；
b、在所述衬底(1)上形成VO2薄膜(2)；
c、在VO2薄膜(2)表面进行SiN的生长，形成SiN掩膜(3)；
d、在所述SiN掩膜(3)上涂覆光刻胶(4)，将SiN掩膜(3)图形化；
e、依次对SiN掩膜(3)和VO2薄膜(2)进行反应离子刻蚀,其中，SiN掩膜(3)和VO2薄膜(2)均采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体进行刻蚀，在对VO2薄膜(2)进行刻蚀的过程中通入O2；
f、用干法去胶机去除残余光刻胶；
g、进行清洗和甩干去除反应残余物；其中，
在步骤e中，先采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体及氩气的混合气体对SiN掩膜(3)进行刻蚀，再采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体与氧气的混合气体对VO2薄膜(2)进行刻蚀；所述氟基气体及氩气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～3:1，氟原子与氩原子的气体流量配比为2:1～3:1；在所述氟基气体与氧气的混合气体中，氟原子与碳原子的气体流量配比为4:1～2:1，氟原子与氧气的气体流量配比为1:2～1:3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a中，衬底(1)的厚度为0.5um。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e中，刻蚀的的气体压强为200～500毫乇，刻蚀的射频功率为200～800W。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于,在步骤e中，采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体及氩气的混合气体对SiN掩膜(3)进行刻蚀时，气体压强为300毫乇，刻蚀的射频功率为800W，刻蚀时间为15s；采用氟原子与碳原子的气体流量配比小于4:1的氟基气体与氧气的混合气体对VO2薄膜(2)进行刻蚀时，气体压强为300毫乇，刻蚀的射频功率为400W，刻蚀时间为35s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤g中，清洗包括依次进行用有机化学溶液、无机化学溶液、去离子水的清洗。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于,所述有机化学溶液为丙酮。
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