一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法与流程

1.本发明属于聚酰亚胺的刻蚀技术领域，具体涉及一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法。

背景技术：

2.聚酰亚胺(polyimide,pi)是一类含有酰亚胺环和苯环构成的稳定共轭结构的高分子化学物质，其具有目前微电子广泛使用的沉积膜的一些特征如低应力、低吸水性、高模量和良好的延展性。同时，鉴于pi容易与氧气、氢氧化钠等发生化学反应而被刻蚀掉，因此常常被用作牺牲层来制备微机电系统(mems)中的悬空结构，比如非制冷红外焦平面探测器中的微桥结构，即是采用pi2600系列胶作为牺牲层材料来获得的。
3.为了降低黏附效应、降低失效的比例和风险，提高mems系统的良率，pi牺牲层通常采用干法等离子体刻蚀的开孔方法，然而在干法刻蚀的过程中，离子通常会对硅片上的光刻胶和其他材料同时进行轰击刻蚀。尤其是在氧气rie反应离子刻蚀系统中，光刻胶与聚合物有着相近的反应速率，即便采用厚胶作为掩膜，依然会导致离子刻蚀后pi经常出现通孔周围粗糙、有毛刺等现象，与理论设计形状不符，严重影响后续沉积薄膜的连续性，从而导致牺牲层释放后探测单元支撑臂金属线条发生断裂，降低了整个器件的良率。
4.在rie工艺中，通常采用o2与氟基混合气体作为刻蚀聚合物的刻蚀剂，对pi的刻蚀速率通常在0.13—0.2μm/min。当硬掩膜如介质层、金属层等覆盖于pi层上时，热传递会被阻挡，硬掩膜的温度高于pi牺牲层的温度，导致硬掩膜周围的刻蚀速率较快，因此可以有效提高pi刻蚀选择比。然而常用的介质硬掩膜，如sin或sio2等，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，而影响器件的性能及悬空结构的稳固性等问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，解决了目前介质硬掩膜仍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，从而影响器件的性能及悬空结构稳固性的问题。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，该方法包括：
7.s1、在半导体晶圆衬底上均匀涂覆聚酰亚胺并退火固化以形成聚酰亚胺层薄膜。
8.s2、在步骤s1中得到的聚酰亚胺层薄膜上淀积溅射铝膜。
9.本发明采用磁控溅射法得到的铝膜比其他方法得到的铝膜更加致密；所述的铝膜的厚度为30～100nm。本发明采用磁控溅射法得到的铝膜比其他方法得到的铝膜更加致密，采用磁控溅射法得到的铝膜厚度与镀膜时间、功率等有关，但铝膜厚度超过100nm会导致铝掩模还未形成，光刻胶已经被全部刻蚀。
10.s3、在步骤s2中得到的铝膜上均匀涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光、显影，在所述的光刻胶上形成预定图形。
11.所述的光刻胶的厚度为1.0～3.0μm(如果低于1μm，在刻蚀过程中会起不到好的掩膜效果；对于该光刻胶厚度的上限是根据光刻胶与涂胶机台综合来判定的，目前常用的厚度一般不会高于3μm，厚度过厚造成浪费并延长刻蚀时间)；所述的光刻胶作为软掩膜，与所述的硬掩膜铝膜为聚酰亚胺牺牲层刻蚀的“双重掩膜”；由于硬掩模的存在，刻蚀过程中氧原子会在al掩模表面形成钝化层，不会对掩模造成剧烈损伤。因此，无需采用传统的厚胶工艺。
12.s4、经步骤s3后，再刻蚀铝掩膜，使所述预定图形转移至铝掩膜上；
13.所述的刻蚀铝掩膜采用等离子体干法刻蚀的，所述的刻蚀的气体为cl2、bcl3和n2混合气体；所述的cl2与铝生成alcl3；所述的bcl3进行各向异性刻蚀，并将铝的氧化层还原，促进刻蚀过程的继续进行。
14.本发明刻蚀铝掩膜采用等离子体干法刻蚀的，所述的刻蚀的气体为cl2、bcl3和n2混合气体；cl2是主要的刻蚀气体，与铝生成的可挥发的alcl3被气流带出反应腔。bcl3可以提供bcl
3+
(混合气体被rf电源激发产生的)，垂直轰击硅片表面，实现各向异性刻蚀(水平方向和垂直方向刻蚀速率不同)，同时由于铝表面极易形成氧化铝钝化层，阻碍刻蚀进行，bcl3可将氧化层还原，促进刻蚀过程的继续进行，其反应方程式如下：al2o3+3bcl3→
2alcl3+3bocl。
15.s5、待步骤s4结束后，分两步反应对涂覆光刻胶的牺牲层进行离子刻蚀；
16.所述的两步反应采用不同流量比的氟基气体和氧气进行刻蚀，形成所需图形。所述的氟基气体选自sf6、cf4、chf3中的任意一种；当所述的氟基气体为sf6时，在第一步中o2与sf6的流量比不低于3：1，在第二步中o2与sf6的流量比不低于1：2；当所述的氟基气体为cf4时，在第一步中o2与cf4的流量比不低于2：1，在第二步中的o2与cf4的流量比不低于2：3；当所述的氟基气体为chf3时，在第一步中的o2与chf3的流量比不低于3：4，在第二步中的o2与chf3的流量比不低于2:5。
17.第一步为主刻蚀，第二步为所需形貌的修饰，因此进一步的刻蚀，需要控制第一步中的氧气含量高于第二步中的氧气含量；若低于其流量比则刻蚀的形貌以及对应参数会达不到要求；三种氟基气体在对应的流量比例下，在刻蚀pi后其侧壁的坡度、形貌以及pi孔径等关键参数的表现结果都比较接近。
18.第一步的气体压强为100～200mtorr，射频功率为200～450w，刻蚀时间为30～100s；第二步的气体压强为150～400mtorr，射频功率为350～600w，刻蚀时间为60～200s；
19.在所述的压强、功率和刻蚀时间范围内，不仅可以很好的进行对硬掩模图形转移而且有利于后续工艺对残留光刻胶以及铝掩膜的去除。若不在所述的范围进行刻蚀可能会出现的问题有：(1)低于第一步和第二步的射频功率范围，刻蚀机台起辉异常；低于第一步和第二步的压强或时间范围均无法完成刻蚀工作；(2)高于第一步和第二步的射频功率范围，会导致al掩膜的出现一定的横向腐蚀，导致开口掩膜孔径不均匀，也有可能会出现al掩膜不能完全彻底去除；高于第一步和第二步的压强或时间范围也均会对刻蚀铝掩膜、pi膜和刻蚀形貌等有影响。
20.本发明采用rie工艺进行牺牲层pi刻蚀，采用氟基气体与o2混合气体作为刻蚀气体。第一步刻蚀是光刻胶去除与牺牲层刻蚀同时进行的，氟元素可以促进o2的电离使得体系中氧原子浓度增加，加快氧化反应速率；同时活性较高的氟原子会与光刻胶中的氢元素
反应生成挥发性气体hf，被剥离氢元素的光刻胶获得更多的自由基位点，进一步与氧原子反应得到气相生成物达到去除光刻胶的目的。第二步是对牺牲层进一步刻蚀，其中氧原子与al掩膜形成钝化层达到保护掩膜的目的，并能够与溅射出的al原子形成侧壁保护层；氟原子能够激活pi表面并破坏其分子结构而产生更多自由基位点提高刻蚀速率。
21.s6、待步骤s5结束后，依次用酸性溶液与碱性溶液交替洗涤，腐蚀铝掩膜，并去除氧化铝微掩膜。
22.s7、清洗残留胶体。
23.优选地，所述的步骤s1中的退火固化在惰性气体氛围下先在100～180℃预烘30～120min，再在300～400℃固化5～30min；所述的固化的厚度为2.0～2.6μm。
24.优选地，所述的步骤s2中的铝膜是在反应室压力为1
×
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pa，射频功率为200w的磁控溅射台上溅射2min形成厚度为30nm的铝膜；所述的铝膜为硬掩膜。
25.优选地，所述的氟基气体为sf6，在第一步中o2与sf6的流量比为3：1，在第二步中o2与sf6的流量比为1：2；所述的氟基气体为cf4，在第一步中o2与cf4的流量比为2：1，在第二步中o2与cf4的流量比为2：3；所述的氟基气体为chf3，在第一步中o2与chf3的流量比为3：4，在第二步中的o2与chf3的流量比为2:5。以所述的流量比刻蚀pi后，其侧壁的坡度、形貌以及pi孔径等关键参数均能达到本发明的刻蚀效果，若偏离该范围可能会出现pi侧壁内掏，pi孔下沿有pi的残留等问题。
26.优选地，所述的腐蚀铝掩膜采用hf溶液。既不会对有机物pi层造成损伤，又能溶解一部分氧化铝微掩模。
27.优选地，所述的依次用酸性溶液与碱性溶液交替洗涤是先用酸性溶液、去离子水依次清洗后，用惰性气体吹干，再用氢氧化钠溶液清洗。氢氧化钠溶液用于去除氧化铝。
28.优选地，所述的清洗残留胶体是依次用有机化学溶剂ekc265、异丙醇溶液(ipa)以及去离子水进行的，目的是依次去除光刻胶、有机溶剂及无机溶液。
29.本发明的一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，解决了目前介质硬掩膜仍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，从而影响器件的性能及悬空结构稳固性的问题，具有以下优点：
30.1、本发明采用金属al与薄层光刻胶作为“双重掩膜”，有效避免了在氧气rie反应离子刻蚀系统中，牺牲层刻蚀的选择比不高，造成牺牲层刻蚀形貌、关键尺寸难以控制从而影响后续薄膜沉积及悬空结构稳定性的问题。
31.2、本发明两步中采用不同流量配比的氟基气体与氧原子的混合气体刻蚀，既可以完全去除光刻胶，又可以有效控制牺牲层的刻蚀尺寸和刻蚀形貌，进一步提高器件良率。
32.3、本发明两步对牺牲层进行反应离子刻蚀，在刻蚀过程中无需单独进行光刻胶灰化或湿法去胶工艺，简化了牺牲层刻蚀工艺，提高了该工序的稳定性和重复性。
附图说明
33.图1为本发明的一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法的流程示意图。
34.图2为本发明的聚酰亚胺薄膜刻蚀过程示意图；其中(a)为“双层掩膜”沉积；(b)为“双层掩膜”图形化；(c)为牺牲层第一次刻蚀；(d)为牺牲层第二次刻蚀；(e)为去除硬掩膜。
35.图3为本发明的实施例中对牺牲层聚酰亚胺刻蚀并清洗之后得到的形貌图。
具体实施方式
36.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明采用的聚酰亚胺(pi)型号为hitachi2610；有机化学溶剂ekc的型号为dupontekc265。
38.如图1所示，本发明的一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法的流程示意图；如图2所示，本发明的聚酰亚胺薄膜刻蚀过程示意图；结合图1～2，下面对本发明的聚酰亚胺牺牲层的刻蚀方法进行详细的描述：
39.一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，该方法包括：
40.s1、在半导体晶圆衬底上均匀涂覆pi并退火固化以形成聚酰亚胺层薄膜。
41.首先清洗晶圆表面，然后在涂覆设备上均匀沉积pi牺牲层，先在氮气氛围下100～180℃预烘30～120min，再在氮气氛围下300～400℃固化5～30min，测量固化后厚度为2.0～2.6μm。
42.s2、在步骤s1中得到的pi层薄膜上淀积溅射al膜。
43.s3、在步骤s2中得到的al膜上均匀涂覆光刻胶并对光刻胶进行曝光、显影，在光刻胶上形成预定图形。
44.在硬掩膜al膜溅射完成后，进一步涂覆光刻胶，光刻胶的厚度为1.0～3.0μm。
45.s4、经步骤s3后，再刻蚀铝掩膜，将预定图形转移至al掩膜上。
46.s5、待步骤s4结束后，分两步对涂覆光刻胶的牺牲层进行反应离子刻蚀，在两步中采用不同流量配比的氟基气体和氧原子的混合气体刻蚀，形成所需图形，无需去除光刻胶。
47.本发明采用rie工艺进行牺牲层pi刻蚀，采用氟基气体与o2混合气体作为刻蚀气体，氟基气体选自sf6、cf4、chf3中的任意一种；当氟基气体为sf6时，在第一步中o2与sf6的流量比不低于3：1，在第二步中o2与sf6的流量比不低于1：2；当氟基气体为cf4时，在第一步中o2与cf4的流量比不低于2：1，在第二步中的o2与cf4的流量比不低于2：3；当氟基气体为chf3时，在第一步中的o2与chf3的流量比不低于3：4，在第二步中的o2与chf3的流量比不低于2:5。
48.s6、待步骤s5结束后，依次用酸性溶液与碱性溶液交替洗涤，腐蚀al掩膜，并去除氧化铝微掩膜。
49.牺牲层刻蚀完成后，需要去除硬掩膜al层以及al与o原子形成的氧化铝微掩膜。
50.s7、清洗残留胶体。
51.根据本发明一具体实施例，步骤s1中pi牺牲层先在氮气氛围下180℃预烘1h，再在氮气氛围下400℃固化30min，测量固化后厚度为2.1μm。
52.根据本发明一具体实施例，步骤s2中采用磁控溅射台进行薄膜al溅射，其中反应室压力为1
×
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pa，射频功率为200w；溅射时间为2min，测得薄膜厚度为30nm。
53.根据本发明一具体实施例，步骤s4中采用等离子体干法刻蚀，刻蚀气体为cl2、bcl3和n2混合气体。cl2是主要的刻蚀气体，与铝生成的可挥发的alcl3被气流带出反应腔。bcl3可以提供bcl
3+
，垂直轰击硅片表面，实现各向异性刻蚀，同时由于铝表面极易形成氧化铝钝
化层，阻碍刻蚀进行，bcl3可将氧化层还原，促进刻蚀过程的继续进行。
54.根据本发明一具体实施例，步骤s5中第一步刻蚀的气体压强为150mtorr，射频功率为300w，刻蚀时间为50s；第二步刻蚀的气体压强为300mtorr，射频功率为450w，刻蚀时间为100s。
55.根据本发明一具体实施例，步骤s5中第一步刻蚀的气体压强为100mtorr，射频功率为200w，刻蚀时间为30s；第二步刻蚀的气体压强为150mtorr，射频功率为300w，刻蚀时间为60s。
56.根据本发明一具体实施例，步骤s5中第一步刻蚀的气体压强为200mtorr，射频功率为450w，刻蚀时间为100s；第二步刻蚀的气体压强为400mtorr，射频功率为600w，刻蚀时间为200s。
57.根据本发明一具体实施例，步骤s5中氟基气体为sf6，在第一步中o2与sf6的流量比为3：1，在第二步中o2与sf6的流量比为1：2。
58.根据本发明一具体实施例，步骤s5中氟基气体为cf4，在第一步中o2与cf4的流量比为2：1，在第二步中o2与cf4的流量比为2：3。
59.根据本发明一具体实施例，步骤s5中氟基气体为chf3，在第一步中o2与chf3的流量比为3：4，在第二步中的o2与chf3的流量比为2:5。
60.根据本发明一具体实施例，步骤s6中腐蚀铝掩膜采用0.55％hf溶液，既不会对有机物pi层造成损伤，又能溶解一部分氧化铝微掩模。
61.根据本发明一具体实施例，步骤s6中依次用酸性溶液与碱性溶液交替洗涤是先用酸性溶液、去离子水依次清洗后，用惰性气体吹干，再用氢氧化钠溶液清洗，氢氧化钠溶液用于去除氧化铝，此洗涤过程重复三次。
62.根据本发明一具体实施例，步骤s7中清洗残留胶体是依次用有机化学溶剂ekc265(dupontekc265)、有机溶液ipa(异丙醇)以及去离子水进行的，目的是依次去除光刻胶、有机溶剂及无机溶液。
63.如图3所示，本发明的实施例中对牺牲层聚酰亚胺刻蚀并清洗之后得到的形貌图。由图3可以得出，pi孔下沿孔径为4.5μm，上沿孔径为5.0μm，具有光滑的侧壁形貌，其坡度的大小为75
°
以上。如果不采用本发明的方法，可能导致上沿开口小于下沿开口孔径，或者导致pi在刻蚀过程中出现内掏，这样非常不利于后续薄膜沉积工艺的进行。
64.本发明采用硬掩模al方式完成pi的刻蚀，且在刻蚀完成后去除硬掩模al的过程中不会对其下层pi以及后续的其他工艺造成影响，以及借助al的掩膜和分为两步的刻蚀方法能够将pi孔侧壁刻蚀的比较光滑，其坡度、孔径都满足制造工艺的需求。
65.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：

1.一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，其特征在于，该方法包括：s1、在半导体晶圆衬底上均匀涂覆聚酰亚胺并退火固化以形成聚酰亚胺层薄膜；s2、在步骤s1中得到的聚酰亚胺层薄膜上淀积溅射铝膜；所述的铝膜的厚度为30～100nm；s3、在步骤s2中得到的铝膜上均匀涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光、显影，在所述的光刻胶上形成预定图形；所述的光刻胶的厚度为1.0～3.0μm；所述的光刻胶作为软掩膜；s4、经步骤s3后，再刻蚀铝掩膜，使所述预定图形转移至铝掩膜上；所述的刻蚀铝掩膜采用等离子体干法刻蚀的，所述的刻蚀的气体为cl2、bcl3和n2混合气体；所述的cl2与铝生成alcl3；所述的bcl3进行各向异性刻蚀，并将铝的氧化层还原，促进刻蚀过程的继续进行；s5、待步骤s4结束后，分两步反应对涂覆光刻胶的牺牲层进行离子刻蚀；所述的两步反应采用不同流量比的氟基气体和氧气进行刻蚀，形成所需图形；所述的氟基气体选自sf6、cf4、chf3中的任意一种；当所述的氟基气体为sf6时，在第一步中o2与sf6的流量比不低于3：1，在第二步中o2与sf6的流量比不低于1：2；当所述的氟基气体为cf4时，在第一步中o2与cf4的流量比不低于2：1，在第二步中的o2与cf4的流量比不低于2：3；当所述的氟基气体为chf3时，在第一步中的o2与chf3的流量比不低于3：4，在第二步中的o2与chf3的流量比不低于2:5；第一步的气体压强为100～200mtorr，射频功率为200～450w，刻蚀时间为30～100s；第二步的气体压强为150～400mtorr，射频功率为350～600w，刻蚀时间为60～200s；s6、待步骤s5结束后，依次用酸性溶液与碱性溶液交替洗涤，腐蚀铝掩膜，并去除氧化铝微掩膜；s7、清洗残留胶体。2.根据权利要求1所述的干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，其特征在于，所述的步骤s1中的退火固化在惰性气体氛围下先在100～180℃预烘30～120min，再在300～400℃固化5～30min；所述的固化的厚度为2.0～2.6μm。3.根据权利要求1所述的干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，其特征在于，所述的步骤s2的铝膜是在反应室压力为1
×
10-4
pa，射频功率为200w的磁控溅射台上溅射2min形成厚度为30nm的铝膜。4.根据权利要求1所述的干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，其特征在于，所述的氟基气体为sf6，在第一步中o2与sf6的流量比为3：1，在第二步中o2与sf6的流量比为1：2；所述的氟基气体为cf4，在第一步中o2与cf4的流量比为2：1，在第二步中o2与cf4的流量比为2：3；所述的氟基气体为chf3，在第一步中o2与chf3的流量比为3：4，在第二步中的o2与chf3的流量比为2:5。5.根据权利要求1所述的干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，其特征在于，所述的腐蚀铝掩膜用hf溶液。6.根据权利要求1所述的干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，其特征在于，所述的依次用酸性溶液与碱性溶液交替洗涤是先用酸性溶液、去离子水依次清洗后，用惰性气体吹干，再用氢氧化钠溶液清洗。
7.根据权利要求1所述的干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，其特征在于，所述的清洗残留胶体是依次用有机化学溶剂ekc265、异丙醇溶液以及去离子水进行的。

技术总结

本发明公开了一种干法刻蚀聚酰亚胺牺牲层的方法，该方法包括：S1、在半导体晶圆衬底上均匀涂覆聚酰亚胺并退火固化以形成聚酰亚胺层薄膜；S2、在聚酰亚胺层薄膜上淀积溅射铝膜；S3、在铝膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光、显影；S4、继续刻蚀铝掩膜，使预定图形转移至铝掩膜上；S5、再分两步反应对涂覆光刻胶的牺牲层进行离子刻蚀；S6、依次用酸性溶液与碱性溶液交替洗涤，腐蚀铝掩膜，并去除氧化铝微掩膜；S7、清洗残留胶体。本发明采用金属Al与薄层光刻胶作为“双重掩膜”，解决了目前介质硬掩膜仍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，从而影响器件的性能及悬空结构稳固性的问题。稳固性的问题。稳固性的问题。

技术研发人员：

袁秋雁 杜建林 陈环玉 左元呈 毛敏

受保护的技术使用者：

成都市精鹰光电技术有限责任公司

技术研发日：

2022.08.12

技术公布日：

2022/11/11