CN104555894B - 深沟槽中感应材料的成膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深沟槽中感应材料的成膜方法，包括步骤：1）在硅衬底上生长硬掩膜；2）在硬掩膜上涂布光刻胶，形成深沟槽光刻窗口；3）光刻刻蚀形成深沟槽；4）湿法刻蚀掉硬掩膜；5）淀积感应材料；6）旋涂光刻胶填充型材料2次，并在第2次旋涂完成后，静止10～20秒钟，再烘烤；7）涂布光刻胶，曝光并显影；8）刻蚀形成最终图案。本发明通过优化涂胶菜单，在涂胶的最后一步增加10～20s的静止时间，让光刻胶从深沟槽上方附近流入到深沟槽中，利用光刻胶的随型性特征，保护沟槽的侧壁和圆角部分，并保持和沟槽相近的图形，从而减少了一次涂胶步骤，在不影响器件性能的前提下降低了成本和后续刻蚀的时间。

Description

深沟槽中感应材料的成膜方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及微机械系统中，在深沟槽表面形成特定形状感应材料膜的方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉前沿研究领域。就半导体产业来说，MEMS与生产工艺技术的整合将为系统单芯片带来极大的跃进。未来的单芯片中可望整合音讯、光线、化学分析及压力、温度感测等子系统，因而发展出人体眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等感官功能的芯片；如果再加入对电磁、电力的感应与控制能力，那就超越人体的能力了。

目前，常用的制作MEMS器件的技术主要有三种：

第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。这种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。

第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。

第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法，是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。

以美国为代表的MEMS制造工艺主要是利用体硅工艺和表面牺牲层工艺，前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。典型的工艺流程是成膜—光刻—刻蚀—去除下层材料，对此循环来实现，然后再采用特殊的检测和划片工艺释放保护出来的机械结构，随后在封装时暴露部分需要的零件，最后机电系统全部测试。体硅工艺和表面牺牲层工艺方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。

在硅基MEMS技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。

各向异性腐蚀技术是体硅微机械加工的关键技术，最早采用的是湿法化学腐蚀，利用化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度，但该方法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点，因此，目前主要采用干法等离子体刻蚀技术，例如采用感应耦合等离子体、高密度等离子体刻蚀设备等，都可以得到比较理想的深宽比大的硅槽。

键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用，将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位，它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。最常用的键合技术是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。

表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺，其基本思路为：首先在衬底上淀积牺牲层材料，并利用光刻、刻蚀形成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形，最后再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。

在半导体产业中，用与集成电路工艺兼容的工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件是目前的主流技术。其主要工艺流程是生长牺牲氧化层，然后涂上一层光刻胶，曝光显影后，刻蚀形成深沟槽（深沟槽通常用于形成压力或者温度传感器的Z方向的感应连接），随后淀积感应材料（导电或者磁性材料，如铝、钨、氮化钽、镍、铁等，感应材料只要部分搭在深沟槽的底部和侧壁，同时表面也需要部分覆盖），再涂上一层光刻胶，并曝光显影，将感应材料需要留下的部分通过光刻定义出来，形成最终的图形。由于采用的是深沟槽工艺，在曝光将感应材料需要留下的部分通过光刻定义出来时，常常会遇到光刻无法一步完成的瓶颈，如果使用的是正性光刻胶（正性光刻胶曝光的区域溶解的快，理想情况下未曝光的区域保持不变，负性光刻胶则刚好相反），就会发生沟槽底部的光刻胶无法被光曝开而在沟槽底部形成光刻胶残留的情况（见图1、2），如果使用的是负性光刻胶，则情况刚好相反，在沟槽内和侧壁无法保留光刻胶，究其原因主要是深沟槽底部的光强不够，目前仅仅通过提供能量或者是变动焦距都无法取得满意的效果。

Z轴陀螺仪的机械结构包括驱动结构和检测结构两部分。其中，驱动结构包括驱动构架，驱动轴，与基座相连的刚性横梁，活动驱动梳齿和支撑整个活动结构的基座；检测结构包括质量块，检测轴，高长宽比的活动检测梳齿和固定监测梳齿。该陀螺仪的输入轴垂直于衬底表面。在固定的驱动梳齿上加载交变电压，使检测质量块沿x轴做简谐振动。当陀螺仪以角速度绕z轴相对惯性空间转动时，将形成沿y轴向加速度。在加速度的作用下，检测质量块沿y轴做简谐运动，其振幅与输入角速度成正比。由活动检测梳齿和固定监测梳齿构成的电容信号器检测y轴向的位移变化，并转换成电信号，经过信号处理后即可获得与输入角速度成正比的模拟信号。要形成这样一个Z轴陀螺仪的机械结构，我们需要先挖一个深沟槽，沿着沟槽侧壁形成z轴方向的图形。目前的技术方案是：1）在半导体衬底表面形成硬掩膜层；2）在所述的硬掩膜层上涂一层光刻胶，并曝光显影，形成深沟槽的光刻胶窗口；3）以上述的光刻胶作为掩膜，利用干法加湿法的方法刻蚀深沟槽；4）生长一层感应材料；5）旋涂填充型材料3次；6）涂上一层光刻胶并曝光显影；7）刻蚀并形成最终图形。这种方法由于要涂胶3次，不仅需要大量的材料，同时也要大量的作业时间，因此会提高器件的制作成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种深沟槽中感应材料的成膜方法，它可以减少工艺步骤，降低器件制作成本。

为解决上述技术问题，本发明的深沟槽中感应材料的成膜方法，包括以下步骤：

1）在硅衬底上生长硬掩膜；

2）在硬掩膜上涂布光刻胶，并形成深沟槽光刻窗口；

3）以光刻胶为掩膜，光刻刻蚀形成深沟槽；

4）湿法刻蚀，去除硬掩膜；

5）淀积一层感应材料；

6）旋涂光刻胶填充型材料2次，并在第2次旋涂光刻胶填充型材料完成后，静止10～20秒钟，再进行烘烤；

7）涂布一层光刻胶，曝光并显影；

8）刻蚀形成最终所需的图案。

本发明通过优化涂胶菜单，在涂胶的最后一步增加10～20s的静止时间，让光刻胶从深沟槽上方附近流入到深沟槽中，利用光刻胶的随型性特征，保护沟槽的侧壁和圆角部分，并保持和沟槽相近的图形，从而减少了一次涂胶步骤，在不影响器件性能的前提下降低了成本和后续刻蚀的时间。

附图说明

图1是使用正性光刻胶，用现有工艺在深沟槽中成膜后，深沟槽的形貌正视图。图中，深沟槽底部有光刻胶残留。

图2是使用负性光刻胶，用现有工艺在深沟槽中成膜后，深沟槽的形貌正视图。

图3～图12是本发明实施例在深沟槽中形成Z字形感应材料膜的工艺流程示意图。其中，图12是本发明实施例感应材料成膜完成后的深沟槽的横截面图。

图13是图12的深沟槽的俯视图。

图14是本发明实施例第1次旋涂光刻胶填充型材料后的效果图。

图15是本发明实施例第2次旋涂光刻胶填充型材料后的效果图。

图16是本发明实施例将深沟槽中的光刻胶刻蚀掉之后的最终形貌图。

图中附图标记说明如下：

101：硅衬底

102：硬掩膜

103、107：光刻胶

104：磁性材料

105：光刻胶填充型材料

106：深沟槽

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图，详述如下：

请参阅图3～图12所示，本实施例在深沟槽中形成Z字形感应材料膜的具体制作工艺流程为：

步骤1，在硅衬底101上生长一层硬掩膜102，如图3所示。硬掩膜102的材料可以是氧化膜，也可是氮化硅等材料。

步骤2，在硬掩膜102上涂布一层光刻胶103，并形成深沟槽光刻窗口，如图4所示。

光刻胶可以用正胶也可以用负胶，典型的烘烤温度是90℃烘烤60秒。所用的光刻机可以是任何一种型号的光刻机，典型的光刻机是Nikon I-14，光刻胶是TOK的SEPR602。

步骤3，以光刻胶103为掩膜，光刻形成具有一定角度的深沟槽106，如图5所示。

深沟槽的角度需要与后续的光刻胶的厚度和淀积的角度做综合考量并匹配，典型值是85度。

步骤4，通过湿法刻蚀，去除硬掩膜102，如图6所示。湿法刻蚀液是氢氟酸和硫酸的混合物。

步骤5，淀积一层磁性材料104，如图7所示。

可以通过将硅片旋转到一定的角度来淀积磁性材料，也可以镀膜的方法来实施。典型的磁性材料是氮化钽（淀积厚度为）和镍铁（淀积厚度）。

步骤6，旋涂上一层光刻胶填充型材料105，如图8所示。旋涂后，光刻胶填充型材料在深沟槽中的填充效果如图14所示。

典型的光刻胶填充型材料是东京化学的GF43，可用厚度是旋涂时的转速是2000转/秒。

步骤7，继续填充光刻胶填充型材料105，如图9所示，并在填充完成后静止15秒钟，再进行烘烤。

在最后一步的涂胶过程中添加一步静止的过程，可以让光刻胶从深沟槽106上方附近流入到深沟槽106中，利用填充材料的随型性保护沟槽的侧壁和圆角部分，并保持和沟槽相近的图形，同时可以保持该工艺的稳定性，为后续的涂胶曝光打下基础。本次旋涂后，光刻胶填充型材料在深沟槽中的填充效果可参见图15所示。

步骤8，再涂上一层光刻胶107，如图10所示。

光刻胶107是一种平坦化效果比较好而且厚度比较厚的光刻胶，典型的是东京应化的P6159涂胶1.6μm。

步骤9，曝光并显影，如图11所示。

所用的典型机台是Nikon I-14，TEL ACT-8。所用的显影液是2.38%四甲基氢氧化胺（TMAH）。

步骤10，刻蚀并形成最终的图案，如图12、13、16所示，沟槽岸上磁性材料104的绝对宽度（图12中的1）要大于在沟槽内的磁性材料104的绝对宽度（图12中的2）。本步刻蚀所用的刻蚀气体是四氟化碳和纯氧，所用机台为leam。

Claims (5)

1.深沟槽中感应材料的成膜方法，包括步骤：

1）在硅衬底上生长硬掩膜；

2）在硬掩膜上涂布光刻胶，并形成深沟槽光刻窗口；

3）以光刻胶为掩膜，光刻刻蚀形成深沟槽；

4）湿法刻蚀，去除硬掩膜；

5）淀积一层感应材料；

6）旋涂光刻胶填充型材料2次；

7）涂布一层光刻胶，曝光并显影；

8）刻蚀形成最终所需的图案；

其特征在于，步骤6），第2次旋涂光刻胶填充型材料完成后，静止10～20秒钟，再进行烘烤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3），所述深沟槽的角度是85度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5），所述感应材料为磁性材料，包括氮化钽和镍铁。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6），第2次旋涂光刻胶填充型材料完成后，静止15秒钟，再进行烘烤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤8），刻蚀气体是四氟化碳和纯氧。