CN109712879A - 一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，特别适用于单晶碳化硅或石英晶圆刻蚀工艺过程，采用了在晶圆表面制备金属种子层，并通过光刻胶形成光刻胶母型，并利用电铸方法制备电铸金属掩膜。所制备的金属掩膜厚度不受限制，可以从几百纳米至上百微米，大大拓宽了金属掩膜形成的厚度范围，同时避免了湿法腐蚀金属掩膜过程中带来的侧向腐蚀精度差的问题，尤其能够提升较厚刻蚀工艺用金属掩膜的图形精度。

Description

一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法

技术领域

本发明涉及一种晶圆刻蚀掩膜的微工艺形成方法，尤其涉及一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，适用于可采用金属掩膜进行深刻蚀加工的晶圆类工艺，如碳化硅或石英晶圆等。

背景技术

干法刻蚀是伴随着半导体晶圆的微工艺技术进步而逐步发展起来的一种真空等离子体加工技术。干法刻蚀目前已经发展为常用的微工艺加工方法，它主要是利用真空等离子体微粒对不同材料物理或化学作用的差异，轰击带有掩膜的晶圆表面，从而达到刻蚀晶圆材料并形成特定结构的目的。干法刻蚀最开始主要针对硅晶圆及金属薄膜结构的加工过程，用于湿法刻蚀无法形成预定结构或加工精度要求的体硅工艺、薄膜电阻的制备等。今年来，随着半导体以及MEMS、传感器等行业技术的发展进步，各类晶圆材料的制备技术也相对成熟，导致给类电子器件对微工艺技术的特定需也不断深化。其中，一些特定的材料需要采用干法刻蚀工艺形成特定的结构。如单晶碳化硅及石英晶圆，在制备传感器敏感元件时，需采用干法刻蚀技术形成深度在几十微米甚至上百微米的立体结构，这对该类材料的深刻蚀技术及掩蔽膜制备技术提出了较高的要求。

掩膜结构的制备与干法刻蚀最终形成的结构密切相关，主要是因为刻蚀结构的尺寸及精度基本是完全复制掩膜结构的尺寸及精度。此外，对于深度较大的刻蚀过程，掩膜的厚度、掩膜刻蚀过程中对晶圆刻蚀的影响对也十分关键。首先，不同刻蚀工艺对不同掩膜及刻蚀晶圆的选择比不同，刻蚀深度越大，往往要求所选掩膜与晶圆材料的刻蚀选择比要越大，即单位时间内，刻蚀工艺对掩膜材料的刻蚀速率尽量低，而对晶圆材料的刻蚀速率尽量大；其次，由于深刻蚀过程时间相对较长，且刻蚀碳化硅、石英等物理化学性质较为稳定的晶圆需要较高的刻蚀能量，带来了严重的升温效应，所选择的掩膜材料在刻蚀过程中必须保持相对稳定物理化学性质。

能够作为掩膜的材料包括很多，如光刻胶、金属、氧化硅、氧化铝等。而能够用于碳化硅或石英等材料的深刻蚀过程的掩膜主要选用金属材料。一般的晶圆表面的金属掩膜制备工艺主要采用物理法，包括电子束蒸发，离子束溅射、磁控溅射等方法。用于晶圆刻蚀工艺的主要金属掩膜包括、Al、Ni、Cu、Au、Cr、Mo、Ti等金属材料，这些金属完全可以通过物理气相沉积的方法制备，并通过湿法腐蚀、或者采用光刻胶玻璃的工艺形成刻蚀图形。例如，专利CN107275196A中提及了一种用于刻蚀碳化硅材料而发明的复合掩膜制备方法，其中采用了电子束蒸发的方法，制备复合掩膜结构中的金属掩膜，并采用湿法腐蚀方法去除不需要的金属掩膜。又如，专利201418003374.X中，针对碳化硅材料深刻蚀，提及了采用磁控溅射方法制备刻蚀碳化硅的金属Ni掩膜，并采用硝酸水溶液腐蚀方法形成Ni掩膜图形。上述专利中所写的掩膜制备方法并非针对较厚的掩膜结构，且存在以下的不足：(1)物理法无法制备厚度加大的金属掩膜结构，几乎所有的物理气相沉积方法主要用于制备几个微米以下厚度的金属掩膜材料，主要是因为物理法制备厚度较大的金属掩膜时，由于应力影响极易发生剥落；(2)采用湿法腐蚀金属掩膜材料或光刻胶剥离工艺方法形成的图形结构一般只能针对厚度较薄金属掩膜，主要是因为湿法腐蚀厚金属掩膜的过程属于各项同性，掩膜厚度越到，腐蚀时间越长，导致的图形结构侧向腐蚀液越严重，无法保持刻蚀图形精度，而光刻胶剥离工艺对于厚度大于几个微米的金属掩膜无法实现完全剥离。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，弥补物理法不易制备厚金属掩膜及腐蚀法不易控制厚金属精度的不足。

本发明的技术解决方案是：

一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，包括如下步骤：

(1)设计并制备用于形成刻蚀晶圆图形的光刻板；

(2)选取用于刻蚀的晶圆；

(3)对选取的晶圆进行去污清洗；

(4)利用物理气相沉积方法在晶圆表面生长金属种子层；

(5)采用步骤(1)中的光刻板，利用光刻胶在步骤(4)中金属种子层上进行光刻，在晶圆表面形成带有光刻胶母型结构的刻蚀图形并露出掩膜位置的金属种子层；

(6)采用电铸方法对步骤(5)中形成的带有光刻胶母型的晶圆进行电铸金属掩膜，电铸金属掩膜结构将在晶圆表面露出金属种子层的位置生长；

(7)根据光刻胶材料选择去胶剂，去除步骤(6)中晶圆上的光刻胶，暴露出原本由光刻胶覆盖的金属种子层结构；

(8)将步骤(7)中形成的晶圆，通过腐蚀溶液去除暴露的金属种子层，露出待进行干法刻蚀的晶圆表面，形成金属掩膜结构。

所述金属种子层厚度范围50～500nm。

金属种子层为Ni、Cu、Ti、Al、Au或Cr薄膜，或它们的复合薄膜或合金。

所述步骤(6)中，电铸金属掩膜结构的生长厚度低于步骤(5)中形成的光刻胶母型厚度。

所述步骤(6)中，电铸金属掩膜厚度范围1～150μm。

所述步骤(6)中，电铸金属掩膜材料为金属Ni、Cu、Au、Sn或Cr，或它们的复合层或者合金。

所述步骤(4)中，金属种子层为单层金属或两层金属膜的复合结构。

当金属种子层为两层金属膜的复合结构时，首先在晶圆表面生长一层金属粘附层，然后再生长一层金属导电层。

金属粘附层厚度为5～50nm，金属导电层厚度为50～300nm。

所述步骤(6)中，电铸时所选的电铸液不能破坏已经形成的光刻胶母型。

本发明与现有技术相比，由于在晶圆金属刻蚀掩膜制备工艺过程中，采用了先制备光刻胶母型再电铸生长金属掩膜的方法，所以本发明在以下方面具备明显的优点：

(1)可以制备厚度较大的金属掩膜结构。由于采用了电铸法进行金属掩膜制备，可以首先选用深宽比较高的光刻胶母型结构，再通过电铸生长金属掩膜，由于电铸工艺本身在生长金属厚度方面没有物理气相沉积(仅能用于较薄金属膜制备)的限制，故所制备的金属掩膜厚度不受限制，可以从几百纳米至上百微米，大大拓宽了金属掩膜形成的厚度范围，而该方法尤其适用于厚度较大需求，例如厚度大于5μm金属掩膜结构的制备工艺。

(2)常用的湿法腐蚀厚掩膜图形的精度由于各项同性原理往往较差，而相比于湿法腐蚀去除金属掩膜的过程，本发明中刻蚀的图形结构精度不再取决于金属掩膜的厚度和湿法腐蚀该金属图形的侧向精度，而主要取决于形成电铸掩膜母型结构的光刻胶本身的光刻精度，可以用于图形精度要求较高，而刻蚀掩膜厚度也需求较大的工艺过程，如单晶碳化硅或石英晶圆上刻蚀形成小间隙、大深宽比的叉指结构等工艺。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为实施例所用晶圆示意图；

图3为实施例所用晶圆利用物理气相沉积制备金属种子层后的结构示意图；

图4为实施例所用晶圆进行光刻后的结构示意图；

图5为实施例所用晶圆进行电铸掩膜后的结构示意图；

图6为实施例所用晶圆利用去胶剂进行光刻胶去除后的结构示意图；

图7为实施例所用晶圆利用腐蚀溶液去除晶圆表面种子层后的结构示意图。

具体实施方式

为了实现本发明的目的，本发明所采用的晶圆干法刻蚀的金属掩膜形成方法主要包括基片清洗，金属种子层生长，制备光刻胶母型，电铸金属掩膜结构，去除光刻胶母型，去除暴露的种子层等，流程如图1所示，具体工艺步骤如下：

(1)按照刻蚀结构要求设计掩膜结构光刻版图并制备加工，形成刻蚀晶圆图形的光刻板。

(2)选取一片用于刻蚀的晶圆，如单晶碳化硅、石英、硅酸镓镧、玻璃等可采用金属掩膜进行刻蚀的晶圆。

(3)对选取的晶圆进行去污清洗。可以采用湿法溶液清洗，如丙酮、乙醇等有机溶剂进行超声清洗10～20min，也可根据不同要求或晶圆材料采用浓H₂SO₄与H₂O₂按体积比配置清洗液，加热煮沸10～20min，再通过水洗后，用氮气吹扫晶圆表面残余水渍，放入烘箱做100℃以上烘干处理。

(4)利用物理气相沉积方法在晶圆表面沉积电铸用金属种子层结构，金属种子层一般为单层金属或两层金属膜的复合结构。例如，首先在晶圆表面生长一层5～50nm厚度范围的金属粘附层，最为常用的有Ti和Cr，再生长一层50～300nm厚度范围的金属导电层，最为常用的有Cu、Au、Ni等。

(5)选择一种适合的光刻胶，例如Microchem所出售的SU8光刻胶。按照所选择光刻胶的使用方法在晶圆表面旋涂，并配合(1)中所制光刻版进行匀胶、曝光、显影、热处理操作。

(6)采用晶圆电铸方法将(5)中晶圆进行电铸，所述电铸金属掩膜可为电铸工艺中的任意金属，但所选电铸液不能破坏已经形成的光刻胶母型。

(7)利用与所选用的光刻胶配套的去胶剂或任何能够去除光刻胶母型材料而不破坏金属掩膜的溶剂，对完成电铸的晶圆按照标准的去胶过程去胶，一般为加热搅拌浸泡或超声浸泡，使得光刻胶母型溶解或剥离，最终露出金属种子层。

(8)将步骤(7)中得到的带有金属掩膜结构并暴露出金属种子层的晶圆放置于种子层的腐蚀溶溶液液中，去除暴露的金属种子层。

(9)将去除种子层后的晶圆水洗，烘干后，通过显微镜等手段观察表面形成的金属掩膜结构，用于后续刻蚀工艺。

实施例：

(1)按照刻蚀结构要求设计掩膜结构光刻版图并制备加工，形成刻蚀晶圆图形的光刻板。

(2)选取一片用于刻蚀的晶圆1，如单晶碳化硅、石英、硅酸镓镧、玻璃等可采用金属掩膜进行刻蚀的晶圆。如图2所示。

(3)对选取的晶圆进行去污清洗。可以采用湿法溶液清洗，如丙酮、乙醇等有机溶剂进行超声清洗10～20min，也可根据不同要求或晶圆材料采用浓H₂SO₄与H₂O₂按体积比配置清洗液，加热煮沸10～20min，再通过水洗后，用氮气吹扫晶圆表面残余水渍，放入干燥箱做100℃以上烘干处理。

(4)利用物理气相沉积方法在晶圆表面沉积电铸用金属种子层结构2，金属种子层为两层金属膜的复合结构，。首先在晶圆表面生长一层20nm的Ti，再生长一层200nm的Ni。如图3所示。

(5)旋涂SU8 2025光刻胶3，匀胶转速3000转/min，前烘65℃5min，95℃15min，曝光能量160mJ/cm²，中烘65℃5min，95℃15min，显影时间50s，光刻胶厚度25μm，获得电铸掩膜的光刻胶母型。如图4所示。

(6)采用氨基磺酸镍溶液体系制备电铸金属镍掩膜4，如图5所示。镀液组分为氨基磺酸镍500g/L,氯化镍15g/L，硼酸40g/L，镀液温度50℃，电流密度5mA/cm²，电铸镍厚度15μm。

(7)采用与SU8光刻胶配套的N-N-二甲基吡咯烷酮溶液作为去胶剂，在90℃加热条件下去除SU8 2025，最终露出金属种子层。如图6所示。

(8)采用体积比10％的硝酸水溶液去除表面的Ni层，选用体积比5％的氢氟酸水溶液去除表面Ti层。如图7所示。

(9)将去除种子层后的晶圆进行去离子水洗5min，采用烘箱110℃烘干15min，形成金属掩膜结构。通过显微镜等手段观察表面形成的金属掩膜结构，用于后续刻蚀工艺。

本发明通过在晶圆表面采用光刻及电铸的微工艺加工方法形成晶圆干法刻蚀的金属掩膜结构，特别适用于碳化硅、石英、硅酸镓镧等需要厚金属掩膜实现深刻蚀加工的晶圆材料。本发明中刻蚀的图形结构精度不再取决于金属掩膜的厚度和湿法腐蚀该金属图形的侧向精度，而主要取决于形成电铸掩膜母型结构的光刻胶本身的光刻精度，可以用于图形精度要求较高，而刻蚀掩膜厚度也需求较大的工艺过程。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)设计并制备用于形成刻蚀晶圆图形的光刻板；

(2)选取用于刻蚀的晶圆；

(3)对选取的晶圆进行去污清洗；

(4)利用物理气相沉积方法在晶圆表面生长金属种子层；

(5)采用步骤(1)中的光刻板，利用光刻胶在步骤(4)中金属种子层上进行光刻，在晶圆表面形成带有光刻胶母型结构的刻蚀图形并露出掩膜位置的金属种子层；

(6)采用电铸方法对步骤(5)中形成的带有光刻胶母型的晶圆进行电铸金属掩膜，电铸金属掩膜结构将在晶圆表面露出金属种子层的位置生长；

(7)根据光刻胶材料选择去胶剂，去除步骤(6)中晶圆上的光刻胶，暴露出原本由光刻胶覆盖的金属种子层结构；

(8)将步骤(7)中形成的晶圆，通过腐蚀溶液去除暴露的金属种子层，露出待进行干法刻蚀的晶圆表面，形成金属掩膜结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：所述金属种子层厚度范围50～500nm。

3.根据权利要求2所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：金属种子层为Ni、Cu、Ti、Al、Au或Cr薄膜，或它们的复合薄膜或合金。

4.根据权利要求1所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：所述步骤(6)中，电铸金属掩膜结构的生长厚度低于步骤(5)中形成的光刻胶母型厚度。

5.根据权利要求1所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：所述步骤(6)中，电铸金属掩膜厚度范围1～150μm。

6.根据权利要求5所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：所述步骤(6)中，电铸金属掩膜材料为金属Ni、Cu、Au、Sn或Cr，或它们的复合层或者合金。

7.根据权利要求1所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：所述步骤(4)中，金属种子层为单层金属或两层金属膜的复合结构。

8.根据权利要求7所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：当金属种子层为两层金属膜的复合结构时，首先在晶圆表面生长一层金属粘附层，然后再生长一层金属导电层。

9.根据权利要求8所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：金属粘附层厚度为5～50nm，金属导电层厚度为50～300nm。

10.根据权利要求1所述的一种用于晶圆干法刻蚀工艺的金属掩膜形成方法，其特征在于：所述步骤(6)中，电铸时所选的电铸液不能破坏已经形成的光刻胶母型。