CN114171641B - 氧化钒薄膜的刻蚀方法与半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种氧化钒薄膜的刻蚀方法与半导体器件的制造方法。该氧化钒薄膜的刻蚀方法包括：形成覆盖氧化钒薄膜的部分表面的掩模；以及采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的氧化钒薄膜，其中，感应耦合等离子刻蚀工艺的工艺气体包括刻蚀气体和辅助气体，刻蚀气体包括NF3，辅助气体包括O2和Ar，辅助气体与氧化钒薄膜作用产生保护层覆盖氧化钒薄膜的侧壁。该刻蚀方法能够解决钻蚀以及悬垂的问题，避免刻蚀后腐蚀现象的发生，保证刻蚀后氧化钒薄膜的侧壁具有较高质量，使半导体器件具有较高的可靠性。
Description
技术领域
本公开涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及一种氧化钒薄膜的刻蚀方法与半导体器件的制造方法。
背景技术
在非制冷红外热成像领域，由于氧化钒(VxOy)具有较高的电阻温度系数(TCR)以及较小的热噪声，因此氧化钒经常被用来制作热敏电阻。关于氧化钒热敏电阻的制作，一般是先通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)溅射一层氧化钒薄膜，然后通过光刻工艺形成具有图案的掩模，最后通过刻蚀工艺将掩膜图案复制到氧化钒薄膜上，形成氧化钒热敏电阻。由于氧化钒(VxOy)是一种多价态的化合物，所以在实际制作中，需要对氧化钒薄膜进行各向异性刻蚀，一方面是为了实现对尺寸的精确加工，另一方面是为了实现对其形貌的精确控制。
在方阻一定的条件下，氧化钒热敏电阻的尺寸决定了其电阻值，而氧化钒热敏电阻的形貌则会影响后续金属薄膜的覆盖性，进而影响氧化钒薄膜和底层电路的电导通。现有技术中，多采用碳氟基气体和氧气对氧化钒薄膜进行常温下的各向异性刻蚀。但是在刻蚀过程中，容易发生横向钻蚀，如图1所示；或者形成如图2所示的悬垂(overhang)形貌。后续在上述两种形貌的氧化钒薄膜上溅射金属薄膜时，均可能会造成金属薄膜不能完全包覆氧化钒热敏电阻的问题，或者形成的金属薄膜不够致密的问题，从而导致器件断路及失效。
为避免发生横向钻蚀以及避免形成悬垂，目前干法刻蚀过程中的工艺气体多采用Cl基气体和Ar。由于Cl基气体反应生成的氯化物会沉积在氧化钒薄膜的侧壁上，起到保护作用；引入的Ar离子会溅射部分氧化钒反沉积于侧壁上，起到进一步的保护作用，从而避免发生横向钻蚀以形成悬垂形貌。但是由于Cl基气体易与空气中的H2O作用而产生酸性物质，这种酸性物质会吸附于刻蚀后的氧化钒薄膜表面，带来刻蚀表面后腐蚀的问题，影响了热敏电阻以及半导体器件的性能和可靠性。
因此，期待改进氧化钒薄膜的刻蚀工艺，以改善钻蚀或者悬垂的问题，从而提高氧化钒薄膜的质量进而提高半导体器件的质量。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种氧化钒薄膜的刻蚀方法与半导体器件的制造方法，在保证刻蚀后氧化钒薄膜的侧壁具有较高质量的同时，还有效避免了酸性物质对氧化钒薄膜表面造成腐蚀的问题。
未实现上述目的，根据本公开实施例的一方面，提供一种氧化钒薄膜的刻蚀方法，包括如下步骤：
形成覆盖氧化钒薄膜的部分表面的掩模；以及
采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的所述氧化钒薄膜，
其中，感应耦合等离子刻蚀工艺的工艺气体包括刻蚀气体和辅助气体，刻蚀气体包括NF3，辅助气体包括O2与Ar，辅助气体与氧化钒薄膜作用产生保护层覆盖所述氧化钒薄膜的侧壁。
可选地，在上述工艺气体中，NF3、O2以及Ar之间的流量比为(1～3)：(1～3)：(2～3)。
可选地，在前述工艺气体中，NF3的流量为5～100sccm，O2的流量为20～200sccm，Ar的流量为50～200sccm。
可选地，前述工艺气体的压强为3～50mT。
可选地，在采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的氧化钒薄膜的步骤中，上电极射频功率为100～800W，下电极射频功率为0～300W。
可选地，在采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的氧化钒薄膜的步骤中，上电极电源的频率为10～20MHz，下电极电源频率为350～450KHz。
可选地，在采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的氧化钒薄膜的步骤中，刻蚀温度为20～60℃。
可选地，形成覆盖氧化钒薄膜的部分表面的掩模的步骤包括：
在氧化钒薄膜的表面形成钝化层；
在钝化层的表面形成光刻胶掩模；
采用感应耦合等离子刻蚀工艺刻蚀光刻胶掩模的侧壁以形成斜面；以及
经光刻胶掩模去除钝化层暴露的部分，形成硬掩模，
其中，硬掩模的侧壁与光刻胶掩模的侧壁连续呈斜面。
可选地，在采用感应耦合等离子刻蚀工艺刻蚀光刻胶掩模的侧壁以形成斜面的步骤中，采用的工艺气体包括O2，O2的流量为50～500sccm，工艺气体的压强为10～100mT，上电极射频功率为100～800W，下电极射频功率为0～100W。
根据本公开实施例的另一方面，提供一种半导体器件的制造方法，包括如上所述的氧化钒薄膜的刻蚀方法。
本公开实施例提供的氧化钒薄膜的刻蚀方法，采用NF3作为刻蚀气体，采用O2与Ar作为辅助气体，由于NF3是一种优良的等离子刻蚀气体，在离子刻蚀时裂解为活性氟离子，这些活性氟离子对氧化钒薄膜具有优异的蚀刻速率和选择性，并且在刻蚀时，在氧化钒薄膜表面几乎不留任何残留物。由于钒的氟化物沸点相对较低，产生的副产物能很快挥发，从而保证了较快的刻蚀速率。同时，作为辅助气体的O2和Ar与氧化钒薄膜作用，生成的副产物会沉积在氧化钒薄膜侧壁，起到保护作用，避免发生横向钻蚀以及带来的悬垂问题，Ar离子在刻蚀过程中起到良好的各向异性刻蚀效果，最终使氧化钒薄膜具有理想的形貌。
进一步地，通过对光刻胶掩模进行预处理，有利于使氧化钒薄膜形成连续的倾斜刻蚀形貌，从而在后续步骤中进一步提高金属薄膜的覆盖性，避免半导体器件失效问题。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1为刻蚀氧化钒薄膜时发生横向钻蚀的SEM照片。
图2为刻蚀氧化钒薄膜形成悬垂形貌的SEM照片。
图3至图6出了本公开实施例制造半导体器件的方法在一些阶段的截面示意图。
具体实施方式
如前述，为了避免在刻蚀氧化钒(VxOy)薄膜过程中发生横向钻蚀(参考图1)以及形成悬垂形貌(参考图2)，目前多采用Cl基气体和Ar对氧化钒薄膜进行干法刻蚀。但是在刻蚀过程中生成的酸性物质会腐蚀氧化钒薄膜表面，进而影响热敏电阻的性能和可靠性。为此现有技术提出了一种改进的刻蚀方法，具体包括如下步骤：
S1、采用Cl基气体对氧化钒薄膜进行等离子体刻蚀，并在刻蚀的过程中通入O2和Ar；
S2、采用包括N2、H2和Ar中至少一种气体对刻蚀后的氧化钒薄膜进行等离子处理。
上述改进后的刻蚀方法，通过步骤S2的等离子处理，能够将酸性物质去除或转化成中性物质，从而有效地避免了刻蚀表面后腐蚀现象的发生。但是，采用等离子处理除去氧化钒薄膜表面酸性物质的同时，也会对氧化钒薄膜的刻蚀表面进行轰击，导致刻蚀表面粗糙。
为此，本公开对现有氧化钒薄膜的刻蚀工艺进行改进，以在解决横向钻蚀或者悬垂问题的前提下，避免刻蚀氧化钒薄膜侧面后腐蚀现象的发生，确保后续金属薄膜覆盖的连续性，避免发生断路等问题。
以下将参照附图更详细地描述本公开。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
图3至图6出了本公开实施例制造半导体器件的方法在一些阶段的截面示意图。
如图3所示，在衬底101上形成氧化层102。其中，衬底101具体可以是单晶硅、碳化硅等半导体器件中常用的半导体衬底材料；氧化层102又可称为氧化物垫层或垫氧化层，用于后续在刻蚀过程中保护衬底101。在本实施例中，例如采用等离子体增强化学的气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺在单晶硅上生长氧化硅层，氧化硅层的厚度例如为然而本公开实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对衬底101和氧化层102的构成进行其它设置。
进一步参考图3，在氧化层102上形成氧化钒薄膜103。
在本实施例中，例如采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺在氧化硅层上溅射形成一层氧化钒薄膜103，其中，氧化钒薄膜103的厚度例如为然而本公开实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对氧化钒薄膜103的形成方式与厚度进行其他设置。
进一步参考图3，在氧化钒薄膜103上形成钝化层104。
在本实施例中，钝化层104的材料例如为Si3N4，厚度例如为其中，钝化层104用于防止氧化钒薄膜103被空气中的O2氧化。然而本公开实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对钝化层104的材料与厚度进行其他设置。
如图4所示，在钝化层104的表面形成光刻胶掩模105。
在本实施例中，例如先在钝化层104的表面涂覆光刻胶(PR)，然后利用光刻工艺将光刻胶图案化从而形成光刻胶掩模105，使得一部分钝化层104被光刻胶掩模105所覆盖，另一部分钝化层104暴露。在本实施例中，光刻胶掩模105的厚度约为然而本公开实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对光刻胶掩模105的厚度进行其他设置。
如图5所示，采用感应耦合等离子刻蚀工艺刻蚀光刻胶掩模105的侧壁105a以形成斜面。
在本实施例中，例如采感应耦合等离子体刻蚀机(Inductive Coupled PlasmaEmission Spectrometer，ICP)，使用含有O2的工艺气体对光刻胶掩模105的侧壁105a进行等离子前处理，比如采用O2作为工艺气体。其中，O2的流量为50～500sccm，气体压强为10～100mT(毫托)，上电极射频功率为100W～800W，下电极射频功率为0～100W。
由于适宜的气体压强有利于提升气体的离化率，提高刻蚀效率，在一些优选的实施例中，气体压强为20～50mT。使用O2等离子体对光刻胶掩膜105进行边缘修整(trimming)，有利于扩大光刻胶掩膜105开口的角度，形成一定的连续斜面，即形成的开口呈倒梯形，梯形的上底(相对较短的底边)更靠近钝化层104。通过对光刻胶掩膜105进行上述处理，有利于对下方的钝化层104以及氧化钒薄膜103的刻蚀。因此最好使用相对较大的O2流量，O2的气体流量优选为100～300sccm。
在一些具体的实施例中，O2的气体流量为100sccm，等离子处理过程中保持气体压强50mT，上射频功率为300W，下射频功率为50W，时间为10s。
在一些具体的实施例中，对光刻胶掩模105的侧壁105a进行等离子前处理过程中的温度控制在20～60℃，比如22～25℃。
进一步参考图5，经光刻胶掩模105去除钝化层104暴露的部分形成硬掩模，其中，硬掩模的侧壁104a与光刻胶掩模105的侧壁105a连续呈斜面。硬掩模与光刻胶掩模105共同作为掩膜，覆盖一部分氧化钒薄膜103，另一部分氧化钒薄膜103暴露。
如图6所示，采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的氧化钒薄膜103，其中，氧化钒薄膜的侧壁103a与硬掩模的侧壁104a连续呈斜面，即氧化钒薄膜的侧壁103a与硬掩模的侧壁104a呈连续的斜面，两个侧壁的倾斜角度一致或基本一致。
在本实施例中，例如仍然采用ICP设备，使用NF3气体作为刻蚀气体、O2与Ar作为辅助气体，以刻蚀暴露的氧化钒薄膜103。其中，NF3是一种优良的等离子刻蚀气体，在离子刻蚀时裂解为活性氟离子，这些活性氟离子对氧化钒具有优异的蚀刻速率和选择性，并且在刻蚀时，在刻蚀物表面几乎不留任何残留物。O2主要起到保护氧化钒薄膜103侧壁103a的作用；Ar主要起到轰击的作用，增强各向异性刻蚀。
在本实施例中，NF3、O2以及Ar的气体流量比为(1～3)：(1～3)：(2～3)。优选地，NF3的流量为5～100sccm，O2的流量为20～200sccm，Ar的流量为50～200sccm。工艺气体(包括刻蚀气体和辅助气体)的压强为3～50mT，优选为5～30mT。离子体刻蚀过程中的刻蚀温度为20～60℃。
上电极射频功率为100～800W。下电极射频功率为0～300W之间。ICP设备的上电极采用10～20MHz、进一步为10～15MHz的射频电源，保留ICP设备离子密度高的特点；下电极采用低频电源，低频频率范围为350～450KHz。
在一些具体的实施例中，向ICP设备反应腔室中通入NF3、O2和Ar，在20℃下对裸露的氧化钒薄膜103进行感应耦合等离子体刻蚀，NF3的气体流量为50sccm，O2的气体流量150sccm，Ar的气体流量为100sccm，且刻蚀过程中保持气体压强为30mT，上射频功率为300W，下射频功率为150W，上电极采用13.56MHz的射频电源，下电极采用430KHz的低频电源，时间为20s。
在上述公开的氧化钒薄膜103的刻蚀方法与半导体器件的制造方法中，由于钒的氟化物沸点相对钒的氯化物低，因此刻蚀过程中产生的副产物能迅速挥发，从而保证了较快的刻蚀速率。在刻蚀的过程中通入O2和Ar，反应生成的副产物会沉积在氧化钒薄膜103的侧壁作为保护层以保护氧化钒薄膜103的侧壁103a，避免发生横向钻蚀和悬垂，此外Ar离子在刻蚀过程中还起到良好的各向异性刻蚀效果。
进一步地，NF3是一种优良的等离子刻蚀气体，也是一种非常良好的清洗剂，在刻蚀时，在刻蚀物表面几乎不留任何残留物，可以有效地避免刻蚀后腐蚀现象的发生。且不同于现有技术，本公开对光刻胶掩模104进行预处理，有利于形成连续的倾斜刻蚀形貌。
当然，在刻蚀完成之后，还需去除光刻胶掩模105，并进行后续工艺，比如淀积金属、对金属层进行刻蚀等。具体工艺可以根据半导体器件的制程确定，此处不再赘述。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种氧化钒薄膜的刻蚀方法，包括如下步骤：
形成覆盖氧化钒薄膜的部分表面的掩模；以及
采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的所述氧化钒薄膜，
其中，所述感应耦合等离子刻蚀工艺的工艺气体包括刻蚀气体和辅助气体，所述刻蚀气体包括NF3，所述辅助气体包括O2和Ar，所述辅助气体与所述氧化钒薄膜作用产生保护层覆盖所述氧化钒薄膜的侧壁；在所述工艺气体中，NF3、O2以及Ar之间的气体流量比为(1～3)：(1～3)：(2～3)，所述形成覆盖氧化钒薄膜的部分表面的掩模的步骤包括：
在所述氧化钒薄膜的表面形成钝化层；
在所述钝化层的表面形成光刻胶掩模；
采用感应耦合等离子刻蚀工艺刻蚀所述光刻胶掩模的侧壁以形成斜面；以及
经所述光刻胶掩模去除所述钝化层暴露的部分，形成硬掩模，
其中，所述硬掩模的侧壁与所述光刻胶掩模的侧壁连续呈斜面。
2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其中，在所述工艺气体中，NF3的流量为5～100sccm，O2的流量为20～200sccm，Ar的流量为50～200sccm。
3.根据权利要求1或2所述的刻蚀方法，其中，所述工艺气体的压强为3～50mT。
4.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其中，在所述采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的所述氧化钒薄膜的步骤中，上电极射频功率为100～800W，下电极射频功率为0～300W。
5.根据权利要求1或4所述的刻蚀方法，其中，在所述采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的所述氧化钒薄膜的步骤中，上电极电源的频率为10～20MHz，下电极电源频率为350～450KHz。
6.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其中，在所述采用感应耦合等离子刻蚀工艺去除暴露的所述氧化钒薄膜的步骤中，刻蚀温度为20～60℃。
7.根据权利要求1、2、4和6中任一项所述的刻蚀方法，其中，在所述采用感应耦合等离子刻蚀工艺刻蚀所述光刻胶掩模的侧壁以形成斜面的过程中，采用的工艺气体包含O2，O2的流量为50～500sccm，工艺气体的压强为10～100mT，上电极射频功率为100W～800W，下电极射频功率为0～100W。
8.根据权利要求3所述的刻蚀方法，其中，在所述采用感应耦合等离子刻蚀工艺刻蚀所述光刻胶掩模的侧壁以形成斜面的过程中，采用的工艺气体包含O2，O2的流量为50～500sccm，工艺气体的压强为10～100mT，上电极射频功率为100W～800W，下电极射频功率为0～100W。
9.根据权利要求5所述的刻蚀方法，其中，在所述采用感应耦合等离子刻蚀工艺刻蚀所述光刻胶掩模的侧壁以形成斜面的过程中，采用的工艺气体包含O2，O2的流量为50～500sccm，工艺气体的压强为10～100mT，上电极射频功率为100W～800W，下电极射频功率为0～100W。
10.一种半导体器件的制造方法，包括如权利要求1-9任一项所述的氧化钒薄膜的刻蚀方法。
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