改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法
2023-10-07 05:40:24
專利名稱：改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法
技術領域：
本發明屬於半導體集成電路製造領域，具體涉及一種幹法刻蝕工藝方法，尤其涉及一種改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法。
背景技術：
在微機電系統(MEMS)的一種壓敏傳感器件製程中，作為傳感薄膜的伸縮空間空腔(cavity)必須通過在晶圓表面的刻蝕(ETCH)工藝來完成。空腔側壁的坡度(profile angle)是由幹法刻蝕(DRY ETCH)工藝控制的，空腔側壁的坡度直接影響到後續犧牲層的填充和溼法刻蝕工藝，坡度越小，後續的這兩項工藝窗口越大，犧牲層容易填充平緩，溼法刻蝕中藥液容易進入腔體。幹法刻蝕出平緩坡度的腔體後向空腔填充犧牲層，CMP平坦化， 然後在空腔的周圍的犧牲層刻蝕一圈通孔用作為定錨，進行定錨通孔填充和傳感薄膜澱積，刻蝕出傳感薄膜形狀，再通過溼法刻蝕工藝把所有犧牲層刻蝕乾淨。其中由於MEMES空腔的深度很深，一般大於或等於1. 5微米，很難使腔體側壁坡度很小即側壁很傾斜。傳統的壓敏傳感器件空腔刻蝕方法中光刻曝光後如圖1所示，然後進行幹法刻蝕，幹法刻蝕後空腔示意圖如圖2所示，就傳統的一步幹法刻蝕只能獲得70度以上的坡度(見圖2)，因為傳統一步幹法刻蝕工藝中，側壁的傾斜只能通過刻蝕打落的光刻膠和刻蝕過程中自己生成的聚合物保護側壁，雖然側壁很光滑，但是對於MEMS如此深的空腔，很難有足夠的聚合物把坡度做到70度以下。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，該方法通過把微機電系統傳感薄膜空腔的側壁坡度做得平緩，擴大後續犧牲層的填充和溼法刻蝕工藝的窗口，犧牲層容易填充平緩，溼法刻蝕中藥液容易進入腔體。為解決上述技術問題，本發明提供一種改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，包括如下步驟第一步，在刻蝕微機電系統傳感薄膜空腔之前，預先將空腔在晶圓上圖形曝光的尺寸做的比設計尺寸小，進行光刻曝光；第二步，採用幹法刻蝕把空腔刻蝕出一個淺槽；第三步，在同一個刻蝕腔中各向同性刻蝕光刻膠；第四步，循環使用第二步和第三步工藝；第五步，滿足空腔的深度和開口度後停止刻蝕，形成有階梯的空腔。第一步中，所述光刻曝光中光刻膠的厚度大於1微米。第二步中，採用光刻膠對矽選擇比比較大的各向異性刻蝕方法把空腔刻蝕出一個淺槽。第二步中，通過壓力為5mT 100mT、下部電極偏置功率為IOW !350W的包含CL2， HBR或02氣體的各向異性幹法刻蝕矽基板。
第三步中，採用各向同性刻蝕光刻膠，橫向損失光刻膠，使光刻膠圖形的尺寸比第二步的淺槽尺寸大，形成階梯的首個臺階。第三步中，採用對光刻膠和氧化膜刻蝕性很強的氣體(例如CF4)，並降低偏置功率為OW 50W的各向同性的刻蝕方法；或者使用02氣體進行各向同性刻蝕光刻膠，然後補充一步時間為5秒到10秒的含有CF4氣體的刻蝕步驟以去除自然氧化層。在第三步和第四步之間還包括如下步驟A 在刻蝕腔中通惰性氣體；則第四步為循環使用第二步、第三步和步驟A工藝。步驟A中，所述惰性氣體可以為氬氣，在刻蝕腔中通惰性氣體時把所有的電極功率設為零，以便帶走第二步和第三步刻蝕留在刻蝕腔內的顆粒和漂浮聚合物。第四步中，通過反覆的刻蝕臺階，使微機電系統空腔開口從下往上的由小變大，側壁則形成階梯狀的爬坡。第五步中，所述滿足空腔的深度和開口度後停止刻蝕，需合理計算出空腔深度和開口尺寸的關係，在幹法刻蝕停止前深度和開口大小都能達到目標。和現有技術相比，本發明具有以下有益效果本發明是通過多步的幹法刻蝕把深度很大的腔體側壁做成階梯狀，總體的坡度將會變得平緩，本發明適用於光刻膠掩模幹法刻蝕工藝而非硬掩模幹法刻蝕工藝。本發明工藝通過把微機電系統傳感薄膜空腔的側壁坡度做得平緩，擴大後續犧牲層的填充和溼法刻蝕工藝的窗口，犧牲層容易填充平緩，溼法刻蝕中藥液容易進入腔體。通過此工藝可以有效把MEMS空腔的側壁坡度做到70度以下，並且可以根據需要合理調節坡度大小，臺階多少和大小。
圖1是傳統的壓敏傳感器件空腔刻蝕方法中光刻曝光後的示意圖；圖2是傳統的壓敏傳感器件空腔刻蝕方法中幹法刻蝕後空腔的示意圖；圖3是本發明方法第一步完成後的示意圖；圖4是本發明方法第二步完成後的示意圖；圖5是本發明方法第三步和第四步完成後的示意圖；圖6是本發明方法第五步和第六步完成後的示意圖；其中，1是矽襯底，2是光刻膠。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。本發明是通過多步的幹法刻蝕把深度很大的腔體側壁做成階梯狀，總體的坡度將會變得平緩，本發明適用於光刻膠掩模幹法刻蝕工藝而非硬掩模幹法刻蝕工藝。本發明工藝方法主要包括如下步驟第一步，需要預先把空腔在晶圓上曝光的尺寸做的比實際設計的尺寸小，光刻膠的厚度最好大於1微米，通過半導體的光刻技術可以改變任何圖形的尺寸，主要是光刻膠的塗布儘量的厚，以此能抵抗住後面幹法刻蝕的損失，光刻曝光後如圖3所示；第二步，用幹法刻蝕即光刻膠對矽選擇比比較大的各向異性刻蝕方法把空腔刻出一個淺槽(見圖4)，這步通過壓力為5mT 100mT、下部電極偏置功率為IOW 350W的包
4含CL2，HBR, 02等氣體的刻蝕方法就能實現。第三步是採用如CF4等對光刻膠和氧化膜刻蝕性很強的氣體，並儘量降低偏置功率為OW 50W的各向同性的刻蝕方法，使光刻膠在橫向損失一小部分，使光刻膠圖形的尺寸比第二步的淺槽尺寸大，這樣就形成了腔體側壁階梯的首個臺階(見圖5)。當然也可以使用02等氣體進行各向同性刻蝕光刻膠，但後面必須補充一步時間很短(大約5秒到10 秒左右)含有CF4氣體的刻蝕步驟，目的是去除自然氧化層。第四步可以通過吹AR (氬氣)等惰性氣體，並把所有的電極功率設為零，這樣可以帶走前兩步刻蝕留在刻蝕腔內的顆粒和漂浮聚合物(見圖幻，當然對於缺陷控制不是很嚴的工藝，可以省略這步。第五步，循環使用以上第二步、第三步、第四步的刻蝕；通過反覆的刻蝕臺階，使 MEMS空腔開口從下往上的由小變大，側壁則形成階梯狀的爬坡(見圖6)。第六步，滿足空腔的深度和開口度後停止刻蝕，形成有階梯的空腔(見圖6)。合理計算出空腔深度和開口尺寸的關係，在幹法刻蝕停止前深度和開口大小都能達到目標；把 MEMS空腔側壁做成階梯狀，雖然不是很平滑，但是能夠把整體的坡度做得很小，對擴大後續的工藝窗口起到作用。本發明方法適用於微機電系統中的壓敏傳感器件，但不僅限於這種器件。本發明方法適用於所有的基於矽襯底的微機電系統傳感器件中需要挖槽的幹法刻蝕工藝。本發明工藝通過把微機電系統傳感薄膜空腔的側壁坡度做得平緩，擴大後續犧牲層的填充和溼法刻蝕工藝的窗口，犧牲層容易填充平緩，溼法刻蝕中藥液容易進入腔體。
權利要求
1.一種改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，包括如下步驟第一步，在刻蝕微機電系統傳感薄膜空腔之前，預先將空腔在晶圓上圖形曝光的尺寸做的比設計尺寸小，進行光刻曝光；第二步，採用幹法刻蝕把空腔刻蝕出一個淺槽；第三步，在同一個刻蝕腔中各向同性刻蝕光刻膠；第四步，循環使用第二步和第三步工藝；第五步，滿足空腔的深度和開口度後停止刻蝕，形成有階梯的空腔。
2.如權利要求1所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，第一步中，所述光刻曝光中光刻膠的厚度大於1微米。
3.如權利要求1所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，第二步中，採用光刻膠對矽選擇比比較大的各向異性刻蝕方法把空腔刻蝕出一個淺槽。
4.如權利要求1或3所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法， 其特徵在於，第二步中，通過壓力為5mT 100mT、下部電極偏置功率為IOW 350W的包含 CL2，HBR或02氣體的各向異性幹法刻蝕矽基板。
5.如權利要求1所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，第三步中，採用各向同性刻蝕光刻膠，橫向損失光刻膠，使光刻膠圖形的尺寸比第二步的淺槽尺寸大，形成階梯的首個臺階。
6.如權利要求1或5所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，第三步中，採用對光刻膠和氧化膜刻蝕性很強的氣體，並降低偏置功率為 Off 50W的各向同性的刻蝕方法；或者使用02氣體進行各向同性刻蝕光刻膠，然後補充一步時間為5秒到10秒的含有CF4氣體的刻蝕步驟以去除自然氧化層。
7.如權利要求6所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，所述對光刻膠和氧化膜刻蝕性很強的氣體是CF4。
8.如權利要求1所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，在第三步和第四步之間還包括如下步驟A 在刻蝕腔中通惰性氣體；則第四步為循環使用第二步、第三步和步驟A工藝。
9.如權利要求8所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，步驟A中，所述惰性氣體為氬氣，在刻蝕腔中通惰性氣體時把所有的電極功率設為零，以便帶走第二步和第三步刻蝕留在刻蝕腔內的顆粒和漂浮聚合物。
10.如權利要求1所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，第四步中，通過反覆的刻蝕臺階，使微機電系統空腔開口從下往上的由小變大， 側壁則形成階梯狀的爬坡。
11.如權利要求1所述的改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，其特徵在於，第五步中，所述滿足空腔的深度和開口度後停止刻蝕，需合理計算出空腔深度和開口尺寸的關係，在幹法刻蝕停止前深度和開口大小都能達到目標。
全文摘要
本發明公開了一種改善微機電系統傳感薄膜空腔側壁坡度的幹法刻蝕方法，包括如下步驟第一步，在刻蝕微機電系統傳感薄膜空腔之前，預先將空腔在晶圓上圖形曝光的尺寸做的比設計尺寸小，進行光刻曝光；第二步，採用幹法刻蝕把空腔刻蝕出一個淺槽；第三步，在同一個刻蝕腔中各向同性刻蝕光刻膠；第四步，循環使用第二步和第三步工藝；第五步，滿足空腔的深度和開口度後停止刻蝕，形成有階梯的空腔。該方法通過把微機電系統傳感薄膜空腔的側壁坡度做得平緩，擴大後續犧牲層的填充和溼法刻蝕工藝的窗口，犧牲層容易填充平緩，溼法刻蝕中藥液容易進入腔體。
文檔編號B81C1/00GK102249179SQ20101018007
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者吳智勇, 方精訓 申請人:上海華虹Nec電子有限公司