CN118055680A - 高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜及其干法刻蚀工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜及其干法刻蚀工艺，属于半导体微纳加工技术领域。本发明为提高钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀均一性，先采用BCl3和Ar对Al1‑ xScxN薄膜进行预刻蚀，去除Al1‑xScxN薄膜表面的氧化铝薄膜，然后采用Cl2和Ar进行主刻蚀，同时预刻蚀残留的少量BClx有助于主刻蚀Cl2电离并产生足量Cl等离子体，保证对Al1‑xScxN薄膜的高刻蚀速率，有效提升了刻蚀均一性，提升了最终晶圆良率，更有利于大尺寸晶圆的批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体微纳加工技术领域，具体涉及一种具有高均一性的晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜及其干法刻蚀工艺。
背景技术
随着第五代(5G)通信网络和物联网(IoT)的快速发展，作为光子和电子元件基础的半导体钪(Sc)掺杂氮化铝Al1-xScxN薄膜材料已被证明是一个有前途的多功能平台。Al1- xScxN是一种具有显著改善压电性能潜力的压电材料。随着Sc掺杂浓度的提升，Al1-xScxN不但继承了原始AIN材料宽光学带隙、高纵向声速、高热稳定性等的优势，而且通过Sc掺杂还有效的克服了AIN材料压电系数低的缺陷。已经在半导体材料、未来传感器和微机电系统(MEMS)/纳机电系统(NEMS)等领域得到了广泛的应用。目前虽然对于各Sc浓度的Al1-xScxN的干法刻蚀均有研究报告，但都集中在刻蚀速率方面。
文献“Kusano,Y.,Ishii,I.,Kamiya,T.,et al.High-SPL Air-coupledPiezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers based on 36％ ScAlN Thin-film.IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2019,66(9)”中，采用传统Cl基与惰性Ar气体混合的单步刻蚀方案对Sc浓度为0的纯AIN和Sc浓度36％的Al0.64Sc0.36N进行刻蚀实验，发现Al0.64Sc0.36N的刻蚀速率仅为纯AIN的10％。相同工艺参数下，Sc掺杂浓度的增加会显著减少干法刻蚀速率。然而，该项工作对Al0.64Sc0.36N材料的刻蚀研究仅限于刻蚀速率。
文献“Wang,X.,Lin,W.,Yun,X.,et al.Research of etching process ofAl0.8Sc0.2N based on ICP etching equipment.2021 5th IEEE Electron DevicesTechnology&Manufacturing Conference(EDTM),2021.”，同样采用传统的单步刻蚀方案对Al0.8Sc0.2N材料进行了刻蚀实验分析。通过对比试验详细报告了各干法刻蚀工艺参数(感应耦合等离子体功率、射频功率、腔压、气体流速)对Al0.8Sc0.2N材料刻蚀速率的影响。另外，这项工作还报道了各工艺参数下掺Sc含量为20％的Al0.8Sc0.2N对光刻胶掩模的选择比。但遗憾的是该工作同样并未提及各工艺参数对刻蚀均一性的影响。
CN116072776A公开了一种图形化衬底的二次利用方法，该方法中所述待处理图形化衬底包括多个凸起结构，凸起结构包括由上至下层叠的第一部和第二部，第一部和第二部的材料不同；将待处理图形化衬底置于干法刻蚀设备内，利用主刻蚀气体和辅刻蚀气体的混合气体对待处理图形化衬底进行干法刻蚀，以调节凸起结构呈目标形状；通过辅刻蚀气体用于调节主刻蚀气体对第一部和/或第二部的刻蚀速率；其中，第一部2的材料可为氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)，第二部3的材料可为氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氧化铝(Al2O3)等；主刻蚀气体可包括三氯化硼(BCl3)和/或氯气(Cl2)等，辅刻蚀气体可包括氢气(H2)、氩气(Ar2)、氟化碳(CFx)和/或三甲基铝(TMA)等。该方法通过在刻蚀周期内调控添加辅刻蚀气体的时段，实现锥形凸起结构，但是其并未关注到添加辅助刻蚀气体后对于第一部和第二部的刻蚀均匀性影响，甚至其并未关注到每个凸起结构是否具有形貌一致性，并且未考虑到材料氧化层对刻蚀的影响，同时其同时通入主刻蚀气体和辅刻蚀气体，因此该方法难以实现刻蚀均一性的提升。
可见，目前为止，对于晶圆级Al1-xScxN薄膜的刻蚀均一性研究极少，且并无一种有效的干法刻蚀方案可以提高Al1-xScxN薄膜刻蚀均一性。而在晶圆代工厂的大批量生产中，往往使用较大面积的晶圆尺寸(如8inch、12inch)，相较于小尺寸晶圆，实现较高的刻蚀均一性则更富有挑战性。而Al1-xScxN薄膜刻蚀均一性的优劣直接影响了最终晶圆良率。鉴于此，目前亟需一种可以提升Al1-xScxN材料刻蚀均一性的干法刻蚀方案。
发明内容
本发明的目的是克服目前晶圆级Al1-xScxN薄膜干法刻蚀工艺研究中存在的不足，提供一种基于“预处理(BCl3/Ar)+主刻蚀(Cl2/Ar)”的两步混合刻蚀方案，以提升刻蚀均一性，继而提高晶圆良率，利于大型晶圆代工厂的批量化生产。
本发明提供了一种高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其包括以下步骤：
A、预刻蚀：采用预刻蚀气体对Al1-xScxN薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀，得预刻蚀Al1-xScxN薄膜；
B、主刻蚀：采用主刻蚀气体对预刻蚀Al1-xScxN薄膜进行第二步等离子体干法刻蚀，即得高均一性晶圆级压电Al1-xScxN薄膜；
所述预刻蚀气体为BCl3和Ar的混合气体，且BCl3流速为1～300sccm，Ar流速为1～150sccm；所述主刻蚀气体为Cl2和Ar的混合气体，且Cl2流速为1～300sccm，Ar流速为1～150sccm。
其中，上述干法刻蚀工艺中，预刻蚀气体中，BCl3流速为65～75sccm，Ar流速为15～25sccm；主刻蚀气体中，Cl2流速为85～95sccm，Ar流速为15～25sccm。
其中，上述干法刻蚀工艺，步骤A中，所述Al1-xScxN薄膜的厚度为0.1～100μm，x为0.01～0.45。
其中，上述干法刻蚀工艺，步骤A中，采用预刻蚀气体对Al1-xScxN薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀前，晶圆衬底上沉积Al1-xScxN薄膜具备良好c轴(0002)晶向。
其中，上述干法刻蚀工艺，步骤A中，所述第一步等离子体干法刻蚀的时间为1～60s。
优选的，上述干法刻蚀工艺，步骤A中，所述第一步等离子体干法刻蚀的时间为30～60s。
其中，上述干法刻蚀工艺，步骤A中，第一步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为1～100mTorr。
优选的，上述干法刻蚀工艺，步骤A中，第一步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为5～20mTorr。
其中，上述干法刻蚀工艺，步骤B中，第二步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为1～100mTorr。
优选的，上述干法刻蚀工艺，步骤B中，第二步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为5～20mTorr。
其中，上述干法刻蚀工艺中，所述预刻蚀和主刻蚀步骤在等离子体刻蚀设备同一工艺腔体内进行。
其中，上述干法刻蚀工艺中，所述等离子体刻蚀设备为反应离子刻蚀机、电感耦合等离子刻蚀机或电子回旋共振等离子体刻蚀机。
本发明还提供了一种高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜，其采用上述干法刻蚀工艺制备所得。
本发明的有益效果：
本发明不仅首次有效提升了晶圆级掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀均一性，而且不会增加工艺操作上的复杂程度，且能在有效提升刻蚀均一性的前提下，保证较高的刻蚀速率，可以有效提升晶圆代工厂的基础产能。
本发明改变了传统以Cl基气体(Cl2)和惰性气体(如氩气)混合的单步刻蚀方案，在此基础上添加了以三氯化硼(BCl3)和氩气(Ar)混合气体为主的预处理步骤，以有效去除Al1-xScxN薄膜表面与空气接触自发形成的氧化铝薄膜，避免了因Al2O3层厚度不均匀，对Al1-xScxN薄膜的实际刻蚀深度的影响；同时，少量BClx有助于主刻蚀步骤Cl2电离并产生足量的Cl等离子体，保证对Al1-xScxN薄膜的高刻蚀速率，最终形成基于“预处理(BCl3/Ar)+主刻蚀(Cl2/Ar)”的两步混合刻蚀方案，有效提升了刻蚀均一性，提升了最终晶圆良率，对大型晶圆代工厂批量生产大尺寸晶圆良率有重要意义。
附图说明
图1为本发明两步混合刻蚀的工艺流程示意图。
图2为实施例1中钪掺杂氮化铝薄膜晶圆的叠层结构示意图；其中，100为Si衬底材料，101为金属材料层，102为Al0.8Sc0.2N薄膜层。
图3为实施例1中8英寸晶圆级Al0.8Sc0.2N薄膜49点环形测量阵列分布图。
图4为实施例1中等离子体刻蚀设备腔体内刻蚀气体与Al0.8Sc0.2N薄膜发生反应的流程示意图。
图5为实施例1中8英寸晶圆级Al0.8Sc0.2N薄膜的区域刻蚀速率相对于平均速率变化对比灰度图；其中，(a)为Cl2/Ar单步刻蚀，(b)为BCl3/Ar预处理+Cl2/Ar主蚀刻两步混合刻蚀。
具体实施方式
具体的，一种高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，包括以下步骤：
A、预刻蚀：采用预刻蚀气体对Al1-xScxN薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀，得预刻蚀Al1-xScxN薄膜；
B、主刻蚀：采用主刻蚀气体对预刻蚀Al1-xScxN薄膜进行第二步等离子体干法刻蚀，即得高均一性晶圆级压电Al1-xScxN薄膜；
所述预刻蚀气体为BCl3和Ar的混合气体，且BCl3流速为1～300sccm，Ar流速为1～150sccm；所述主刻蚀气体为Cl2和Ar的混合气体，且Cl2流速为1～300sccm，Ar流速为1～150sccm。
本发明改变了传统以Cl基气体(BCl3/Cl2)和惰性气体(如氩气)混合的单步刻蚀方案，创新性的在传统工艺基础上，添加了以三氯化硼(BCl3)和氩气(Ar)混合气体为主的预处理步骤，形成了基于“预处理(BCl3/Ar)+主刻蚀(Cl2/Ar)”的两步混合刻蚀方案，用以提升目前晶圆级Al1-xScxN薄膜干法刻蚀均一性低的工艺现状。步骤A中，先采用BCl3/Ar预处理刻蚀气体对Al1-xScxN薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀，用以有效去除Al1-xScxN薄膜表面于空气接触自发形成的氧化铝薄膜。当第一步等离子体干法刻蚀完成后，不取出晶圆，立即在等离子体刻蚀设备同一工艺腔体内，采用如步骤B所述主刻蚀步骤刻蚀气体对已去除表面Al2O3的Al1-xScxN薄膜进行第二步等离子体干法刻蚀，对Al1-xScxN薄膜形成有效刻蚀；该方法不增加额外设备和操作。
本发明中，增加步骤A的主要原因是实际刻蚀工艺中无论物理或化学过程，Al2O3几乎不能被主要刻蚀剂(Cl2)气体刻蚀。由于同一晶圆区域间Al2O3层的厚度不均匀，相同的刻蚀时间可能会使晶圆上的Al2O3膜刻蚀速度不同，导致后续Al1-xScxN薄膜的实际刻蚀深度也会有所不同。除去Al2O3膜占用的刻蚀时间被称为“dead time”——等离子体点火到实际对Al1-xScxN薄膜形成刻蚀之间的时间延迟。造成现象是Al1-xScxN薄膜表面Al2O3厚度高的区域刻蚀气体还未刻蚀完Al2O3，而Al2O3厚度低的区域已经开始对Al1-xScxN薄膜进行刻蚀工艺，而这种区域间刻蚀速率的差异性最终表现出刻蚀均一性较差的刻蚀现象，这种现象随着薄膜或晶圆尺寸，以及刻蚀工艺时间的增大而更加明显，导致最终晶圆良率低的现象。而通过本发明提出的两步混合刻蚀方案可以有效减轻这种现象。
经试验，BCl3对于Al1-xScxN薄膜的是一种较柔和的刻蚀气体，对于Al1-xScxN的刻蚀速率远远小于Cl2，因为BCl3电离后形成的BClx(x＝1、2、3)自由基在等离子体中的氧化程度低于Cl，同时采用BCl3/Ar预刻蚀有利于除去氧化铝，因此本发明步骤A中预刻蚀气体为BCl3和Ar的混合气体，并控制两者流速。此外，BCl3会与腔室中存在的残余氧(O)反应生成挥发性气态聚合物BxClyOz，还能避免Al2O 3的再生成，影响主刻蚀；同时少量BClx(x＝1、2、3)自由基可以清除步骤B由于刻蚀气体转换可能带入的氧，也有助于主刻蚀步骤Cl2电离并产生足量的Cl等离子体，保证步骤B对薄膜产生的高刻蚀速率。优选的，干法刻蚀工艺中，预刻蚀气体中，BCl3流速为65～75sccm，Ar流速为15～25sccm；主刻蚀气体中，Cl2流速为85～95sccm，Ar流速为15～25sccm。
本发明步骤A中，Al1-xScxN薄膜可采用本领域常用的薄膜，其厚度一般为0.1～100μm，x为0.01～0.45。
本发明步骤A中，采用预刻蚀气体对Al1-xScxN薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀前，晶圆衬底上沉积Al1-xScxN薄膜具备良好c轴(0002)晶向。
本发明步骤A中，所述第一步等离子体干法刻蚀的时间为1～60s；优选为30～60s。
本发明步骤B中主刻蚀没有具体时间要求，按刻蚀实际刻蚀需求进行控制，例如部分需求可能需要在1μmAl1-xScxN薄膜上去除0.1μm，也有部分需求需要1μmAl1-xScxN薄膜完全去除；另外薄膜厚度不定，时间范围无法确定；因此一般第二步刻蚀时间不做规定。本发明步骤B中，其余工艺参数(温度、压力，射频等)的选择可根据实际情况(如Sc掺杂浓度)，参考传统刻蚀工艺而定，以保证刻蚀工艺达到所需的精度和形貌结果，例如控制衬底温度为10～30℃，ICP源功率为100～1500W，射频功率为100～1000W。
本发明步骤A中，第一步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为1～100mTorr，优选为5～20mTorr；步骤B中，第二步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为1～100mTorr，优选为5～20mTorr；两步气压设置可以不一致。
本发明步骤A和B中，所述预刻蚀和主刻蚀步骤在等离子体刻蚀设备同一工艺腔体内进行。所述等离子体刻蚀设备为反应离子刻蚀机、电感耦合等离子刻蚀机或电子回旋共振等离子体刻蚀机。
本发明还提供了一种高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜，其采用上述干法刻蚀工艺制备所得。
本发明中，刻蚀均一性由同等条件下Al1-xScxN薄膜区域间刻蚀速率差异表征，区域间刻蚀速率差异大代表刻蚀均一性差，最终晶圆良率低；反之差异小，则刻蚀均一性好，最终晶圆良率高。刻蚀速率由刻蚀前后Al1-xScxN薄膜的厚度变化与刻蚀时间的比值进行表征：刻蚀速率△d：刻蚀去除厚度/>t：工艺时间(min)。良率和刻蚀均一性的验证是通过Al1-xScxN薄膜区域间刻蚀速率差异来表征。以本发明实施例1为例，如图5所示，先计算图3所示所有测量点的平均刻蚀速率，然后计算图3各点与平均速率的差异比值，差异比值的绝对值越小，代表所有测量点刻蚀速率都接近于平均刻蚀速率，代表刻蚀均一性越好，导致后续晶圆良率越高；反之差异值越大，代表图3中各区域速率变化差异大，均一性就越差，后续晶圆良率就越低。简单讲，图5(b)所示颜色越统一，均一性越好。采用本发明方法，能够显著提高刻蚀均一性，提高晶圆良率。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
本发明实施例所获取最终数据均是实验10次以上获得的稳定数据。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种可以有效提升晶圆级Al0.8Sc0.2N薄膜干法刻蚀均一性的混合刻蚀方案，其包括如下步骤：
步骤S1：采用预处理步骤刻蚀气体对Al0.8Sc0.2N薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀；
步骤S2：采用主刻蚀步骤刻蚀气体对Al0.8Sc0.2N薄膜进行第二步等离子体干法刻蚀。
参考图2，首先对100硅(Si)晶圆表面进行氧等离子体清洁30s，对衬底表面存在的有机质和颗粒物进行预清洁，以保证后续沉积薄膜的一致性；在硅晶圆表面采用物理气相沉积(PVD)方法磁控溅射101金属钼(Mo)材料层，Mo层厚度为200nm，该层材料也可选用金属钌(Ru)和金属镍(Ni)等金属；然后沉积102Al0.8Sc0.2N薄膜层，形成叠层结构；Al0.8Sc0.2N薄膜整体沉积厚度控制在1～1.5μm。预先沉积101金属Mo材料层有助于后续沉积Al0.8Sc0.2N薄膜形成优异的c轴(0002)晶向。此时Al0.8Sc0.2N薄膜表面遇O2会自发形成一层极薄的、数量级为nm级的Al2O3薄膜，此处没有展示。
对沉积的Al0.8Sc0.2N薄膜进行厚度测量作为前值，刻蚀速率由刻蚀前后Al0.8Sc0.2N薄膜的厚度变化与刻蚀时间的比值进行表征：刻蚀速率△d：刻蚀去除厚度/>t：工艺时间(min)。
参考图3，以8英寸(直径200mm)晶圆为例，采用半径分别为30mm、60mm和90mm的49点环形测量阵列对Al0.8Sc0.2N薄膜进行全区域厚度测量。测量点阵列越密集，覆盖Al0.8Sc0.2N薄膜区域越广，对于刻蚀均一性的分析越精确。具体地，应保证测量前后测量区域或者测量点的一致性。刻蚀均一性由同等条件下Al0.8Sc0.2N薄膜区域间刻蚀速率差异表征，区域间刻蚀速率差异大代表刻蚀均一性差，最终晶圆良率低；反之差异小，则刻蚀均一性好，最终晶圆良率高。
如步骤S1所述将上述已经沉积的晶圆放入电感耦合等离子刻蚀机腔体进行第一步等离子体干法刻蚀；具体地，本实施例步骤S1在刻蚀腔体气压5mTorr的情况下，预刻蚀气体BCl3流速70sccm和Ar流速20sccm，对Al0.8Sc0.2N薄膜进行30～40s的预处理刻蚀步骤。第一步刻蚀对于提升刻蚀均一性尤为重要，因为常规刻蚀工艺中无论物理或化学过程，Al2O3几乎不能被主要刻蚀剂(Cl2)气体刻蚀。由于“dead time”的存在，不同区域间刻蚀速率会出现差异。这种差异随着薄膜或晶圆尺寸，以及刻蚀工艺时间的增大而更加明显，导致最终晶圆良率低的现象。另外，BCl3会与腔室中存在的残余氧(O)反应生成挥发性气态聚合物BxClyOz，避免了Al2O 3的再生成。BCl3对于Al0.8Sc0.2N薄膜的是一种较柔和的刻蚀气体，对于Al0.8Sc0.2N的刻蚀速率远远小于Cl2，因为BCl3电离后形成的BClx(x＝1、2、3)自由基在等离子体中的氧化程度低于Cl。
当第一步等离子体干法刻蚀完成后，不取出晶圆，立即在等离子体刻蚀设备同一工艺腔体内采用如步骤S2所述主刻蚀步骤刻蚀气体对已去除表面Al2O3的Al1-xScxN薄膜进行第二步等离子体干法刻蚀。具体地，维持刻蚀腔体气压5mTorr，通入Cl2和Ar的混合主刻蚀步骤气体，且主刻蚀气体Cl2流速90sccm和Ar流速20sccm。此时腔体内仍不可避免会存在步骤S1所述刻蚀气体BCl3电离形成的少量BClx(x＝1、2、3)自由基，这对于步骤S2是有益的。一方面，少量BClx(x＝1、2、3)自由基可以清除步骤S2由于刻蚀气体转换可能带入的氧；另一方面，少量BClx有助于主刻蚀步骤Cl2电离并产生足量的Cl等离子体，保证了步骤S2对Al0.8Sc0.2N薄膜产生的高刻蚀速率，这对于晶圆代工厂的高产能需求是有益的。
参考图4，此时等离子体刻蚀设备腔体内发生的物理化学反应包括：
步骤B1：非解离吸附
Cl2(gas)；→Cl2(ads)；
BCl3(gas)→BCl3(ads)；
步骤B2：解离吸附
Cl2(ads)→2Cl(ads)；
4BCl3(abs)→BCl3(abs)+BCl2(ads)+BCl(ads)+6Cl(ads)+B(ads)；
步骤B3：产物分子形成
6Cl(ads)+2Al1-xScxN→2(1-x)AlCl3(ads)+2cScCl3(ads)+N2(ads)；
BCl3(abs)+BCl2(abs)+BCl(abs)+2Al1-xScxN→2(1-x)AlCl3(ads)+2xScCl3(abs)+N2(abs)+3B(ads)
步骤B4：产物分子解吸附2AlCl3(ads)→Al2Cl6(gas)；
N2(ads)→N2(gas)；
ScCl3(ads)→ScCl3(gas)；
步骤B5：残留物去除
B(ads)+3Cl(abs)→BCl3(gas)；
其中，ads代表被吸附的活性粒子或自由基。
步骤S2第二步等离子体干法刻蚀完成后，采用所述Al0.8Sc0.2N薄膜前值厚度测量相同的测量设备和测量方案对刻蚀后Al0.8Sc0.2N薄膜后值进行测量。
参考图5，Sc含量为20％的8英寸晶圆级Al0.8Sc0.2N在传统单步刻蚀与本发明提出的基于“预处理(BCl3/Ar)+主刻蚀(Cl2/Ar)”的两步混合刻蚀方案经过相同刻蚀时间后区域刻蚀速率相对于平均速率的变化情况。具体地，图5(a)只采用Cl2和Ar的混合气体，且气体比例为Cl2：Ar＝90：20，工艺腔体气压为5mTorr，衬底温度为10-30℃，ICP源功率控制在100-1500W，射频功率控制在100-1000W；图5(b)采用本发明提出的两步刻蚀方案，首先在5mTorr工艺腔体气压下，采用步骤S1所述预处理步骤刻蚀气体对Al0.8Sc0.2N进行预处理刻蚀，刻蚀气体为BCl3和Ar的混合气体，且气体比例BCl3：Ar＝70：20；刻蚀30～40s后，停止第一步等离子体干法刻蚀；然后不取出晶圆，在相同5mTorr工艺腔体气压下，立即采用步骤S2所述主刻蚀步骤刻蚀气体对Al0.8Sc0.2N进行第二步等离子体干法刻蚀，通入Cl2和Ar的混合气体，且气体比例为Cl2：Ar＝90：20。区域最大刻蚀速率变化相对于平均速率变化从57％降低到21％，有效提升了刻蚀均一性。
在本发明提供的两步混合干法刻蚀方案中，其余工艺参数(温度、压力，射频等)的选择应根据实际情况(如Sc掺杂浓度)而定，以保证刻蚀工艺达到所需的精度和形貌结果。
实施例2
本实施例提供了另外Sc含量为9.6％的Al0.904Sc0.096N薄膜刻蚀结果。参考图2，首先对100硅(Si)晶圆表面进行氧等离子体清洁30s，对衬底表面存在的有机质和颗粒物进行预清洁，以保证后续沉积薄膜的一致性；在硅晶圆表面采用物理气相沉积(PVD)方法磁控溅射101金属钼(Mo)材料层，Mo层厚度为200nm；然后沉积102具备良好c轴(0002)晶向的Al0.904Sc0.096N薄膜层，最后形成叠层结构；薄膜整体沉积厚度控制在1～1.5μm。
将上述已经沉积的Al0.904Sc0.096N薄膜晶圆放入电感耦合等离子刻蚀机腔体进行第一步等离子体干法刻蚀；具体地，在刻蚀腔体气压5mTorr的情况下，预刻蚀气体BCl3流速70sccm和Ar流速20sccm，对Al0.904Sc0.096N薄膜进行40～50s的预处理刻蚀步骤；然后不取出晶圆，在相同5mTorr工艺腔体气压下，立即采用主刻蚀步骤刻蚀气体对Al0.904Sc0.096N进行第二步等离子体干法刻蚀，时间持续为1min，主刻蚀气体Cl2流速90sccm和Ar流速20sccm。区域最大刻蚀速率变化相对于平均速率变化从32％降低到15％，有效提升了刻蚀均一性。
综上所述，本发明提出的基于“预处理(BCl3/Ar)+主刻蚀(Cl2/Ar)”的两步混合刻蚀方案对于晶圆级Al1-xScxN薄膜干法刻蚀具备明显正向意义，可以有效提升刻蚀均一性，提高晶圆良率。
Claims (10)
1.高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：包括以下步骤：
A、预刻蚀：采用预刻蚀气体对Al1-xScxN薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀，得预刻蚀Al1-xScxN薄膜；
B、主刻蚀：采用主刻蚀气体对预刻蚀Al1-xScxN薄膜进行第二步等离子体干法刻蚀，即得高均一性晶圆级压电Al1-xScxN薄膜；
所述预刻蚀气体为BCl3和Ar的混合气体，且BCl3流速为1～300sccm，Ar流速为1～150sccm；所述主刻蚀气体为Cl2和Ar的混合气体，且Cl2流速为1～300sccm，Ar流速为1～150sccm。
2.根据权利要求1所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：预刻蚀气体中，BCl3流速为65～75sccm，Ar流速为15～25sccm；主刻蚀气体中，Cl2流速为85～95sccm，Ar流速为15～25sccm。
3.根据权利要求1所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：步骤A中，所述Al1-xScxN薄膜的厚度为0.1～100μm，x为0.01～0.45。
4.根据权利要求1所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：步骤A中，采用预刻蚀气体对Al1-xScxN薄膜进行第一步等离子体干法刻蚀前，晶圆衬底上沉积Al1-xScxN薄膜具备良好c轴(0002)晶向。
5.根据权利要求1所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：步骤A中，所述第一步等离子体干法刻蚀的时间为1～60s；优选为30～60s。
6.根据权利要求1所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：步骤A中，第一步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为1～100mTorr；优选为5～20mTorr。
7.根据权利要求1所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：步骤B中，第二步等离子体干法刻蚀时，控制腔体气压为1～100mTorr；优选为5～20mTorr。
8.根据权利要求1～7任一项所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：所述预刻蚀和主刻蚀步骤在等离子体刻蚀设备同一工艺腔体内进行。
9.根据权利要求8所述的高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜的干法刻蚀工艺，其特征在于：所述等离子体刻蚀设备为反应离子刻蚀机、电感耦合等离子刻蚀机或电子回旋共振等离子体刻蚀机。
10.采用权利要求1～9任一项所述干法刻蚀工艺制备所得高均一性晶圆级压电钪掺杂氮化铝薄膜。
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