的方法
【專利摘要】本發明公開了一種各向異性干法刻蝕VO2的方法，包括以下步驟：a、提供SiN作為襯底；b、在所述襯底上磁控反應濺射形成VO2薄膜；c、在VO2薄膜表面進行SiN的生長，形成SiN掩膜；d、在所述SiN掩膜上涂覆光刻膠，將SiN掩膜圖形化；e、依次對SiN掩膜和VO2薄膜進行反應離子刻蝕,其中，SiN掩膜和VO2薄膜均采用氟基氣體進行刻蝕，在對VO2薄膜進行刻蝕的過程中通入O2；f、用干法去膠機去除殘余光刻膠；g、進行清洗和甩干去除反應殘余物。本發明解決了VO2薄膜干法刻蝕過程中產生的鉆刻、形貌及關鍵尺寸難以有效控制的問題，增加了VO2敏感材料的有效面積，提高了探測器的探測率，及工藝的穩定性、重復性。
【專利說明】一種各向異性干法刻蝕VO2的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微機電系統非制冷紅外探測器制造工藝【技術領域】，具體涉及一種各向 異性干法刻蝕方法。
【背景技術】
[0002] 紅外熱成像運用光電技術檢測超過絕對零度物體的熱輻射紅外線特定波段信號， 將該信號轉換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形。探測物體紅外熱輻射的探測器按工作原 理分為：光子型紅外探測器和非制冷紅外探測器。
[0003] 光子型紅外探測器采用窄禁帶半導體材料，如HgCdTe、InSb等，它是利用光電效 應實現紅外信號向電信號的轉換，因而需要工作在77K或更低的溫度下，因此也稱之為制 冷型紅外探測器。由于該類探測器體積大、價格昂貴、制備困難、兼容性差等缺點，只能用于 高端領域，如航空、軍事等。而制冷型紅外探測器雖然在溫度分辨率等靈敏度方面與制冷型 有一定差距，但它更具有一些突出的優點：不需制冷，成本低、功耗小、重量輕、小型化、啟動 快、使用方便、靈活、消費比高等，從而在軍用和民用領域越來越廣泛，并伴隨著大規模非制 冷焦平面陣列的發展，將在各領域慢慢替代制冷型探測器。
[0004] 1978年美國TexasInstruments在世界上首次研制成功第一個非制冷紅外熱像 儀系統，主要紅外材料為a-Si(非晶硅）與BST(鈦酸鍶鋇）。1983年美國Honeywell開始 研制室溫下以VO2為熱敏材料的熱探測器，并使用硅微型機械加工技術，使熱隔離性提高， 成本降低。1990-1994年美國很多公司從Honeywell獲技術轉讓，使以VO2S探測材料的非 制冷探測器得到了迅速廣泛發展。VO2熱敏薄膜材料具有高的電阻溫度系數、高電阻率、低 熱導率、低噪聲系數、高動態響應和線性響應等特性，因此VO2作為目前首選的熱敏電阻型 非制冷紅外焦平面陣列而制備紅外探測器。
[0005] 目前VO2的刻蝕各種專利及文獻提及的較少，一般有兩種方法，一種為濕法刻蝕， 即溶劑刻蝕；另一種為干法刻蝕，即等離子刻蝕。由于濕法刻蝕有許多困難，如刻蝕端面不 齊，浮膠和側蝕等，并且工藝復雜而較少被采用。干法等離子刻蝕由于工藝簡單，較濕法 刻蝕其刻蝕效果較好而被業界廣泛采用，但由于VO2的性質，干法刻蝕一般都需要SiN介質 作為掩膜，然而SiN采用F基作為刻蝕劑，V與CL基反應，因此一般都采用不同刻蝕機臺分 別進行刻蝕或使用同一機臺通入不同氣體分步刻蝕。盡管如此，仍然會出現鉆刻、無法形成 良好的刻蝕形貌，不能有效控制關鍵尺寸，以及由于V的價態多變容易導致刻蝕殘留等，而 影響紅外探測器的性能。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種有效控制刻蝕形貌、關鍵尺寸、防止鉆刻的各向異性VO2 的干法刻蝕方法。
[0007] 具體的，本發明提供了一種各向異性干法刻蝕VO2薄膜的方法，包括以下步驟：a、 提供SiN作為襯底；b、在所述襯底上形成VO2薄膜；c、在VO2薄膜表面進行SiN的生長，形 成SiN掩膜；d、在所述SiN掩膜上涂覆光刻膠，將SiN掩膜圖形化；e、依次對SiN掩膜和VO2 薄膜進行反應離子刻蝕，其中，SiN掩膜和VO2薄膜均采用氟原子與碳原子的氣體流量配比 小于4:1的氟基氣體進行刻蝕，在對VO2薄膜進行刻蝕的過程中通入O2 ;f、用干法去膠機去 除殘余光刻膠；g、進行清洗和甩干去除反應殘余物。
[0008] 可選地，在步驟a中，襯底的厚度為0? 5um。
[0009] 可選地，在步驟e中，先采用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟基氣體 及氬氣的混合氣體對SiN掩膜進行刻蝕，再采用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1 的氟基氣體與氧氣的混合氣體對VO2薄膜進行刻蝕。
[0010] 可選地，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子與碳原子的氣體流量配比為 4:1?3:1，氟原子與氬原子的氣體流量配比為2:1?3:1 ;在所述氟基氣體與氧氣的混合 氣體中，氟原子與碳原子的氣體流量配比為4:1?2:1，氟原子與氧氣的氣體流量配比為 1:2 ?1:3。
[0011] 可選地，在步驟e中，刻蝕的的氣體壓力為200?500mtoor，刻蝕的射頻功率為 200 ?800W。
[0012] 可選地，在步驟e中，采用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟基氣體及 氬氣的混合氣體對SiN掩膜進行刻蝕時，氣體壓力為300mtoor，刻蝕的射頻功率為800W，刻 蝕時間為15s;采用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟基氣體與氧氣的混合氣 體對VO2薄膜進行刻蝕時，氣體壓力為300mtoor，刻蝕的射頻功率為400W，刻蝕時間為35s。
[0013] 可選地，在步驟g中，清洗包括依次進行用有機化學溶液、無機化學溶液、去離子 水的清洗。
[0014] 可選地，所述有機化學溶液為丙酮；所述無機化學溶液為異丙醇。
[0015] 由于本發明提出了一種VO2薄膜的各向異性干法刻蝕方法，它對SiN掩膜及VO2薄 膜均采用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟基氣體進行刻蝕，在VO2膜刻蝕過 程中，通入具有氧化性的O2，使與刻蝕劑氟基接觸的V盡可能地被氧化為V5+，并且氟原子與 碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟基氣體對VO2具有各向異性的刻蝕特性，其中的氟基 能與0基生成活性更高、壽命更長的COF基團，從而優化了刻蝕VO2的工藝流程，解決了刻 蝕形貌、關鍵尺寸難控制的問題，提高了該工藝的穩定性、重復性，提高了產品的良率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖I(a)?圖I(f)為本發明的各向異性刻蝕的VO2干法刻蝕工藝流程；
[0017] 圖2為現有技術單純采用四氟化碳與氧氣對VO2薄膜各向異性干法刻蝕后的SEM 照片；
[0018] 圖3為本發明采用CHF3氣體與氧氣對VO2薄膜各向異性干法刻蝕后的SEM照片。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步描述：
[0020] 所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類 似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅 用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0021] 如圖1(a)?圖1(f)所示，本發明提供一種各向異性干法刻蝕方法。本實施例中 所采用的熱敏薄膜材料為VO2，各個步驟所使用的設備和材料型號如表1所示，需要注意的 是，表1中所示出的材料和設備均為可替換的，僅作為對本發明的解釋和說明，而不能理解 為對本發明的限制。
[0022] 具體工藝流程如下：
[0023] 首先，提供硅片，并清洗表面，如圖1(a)所示，可以采用等離子體技術實現清洗過 程，其目的在于去除硅片表面的氧化層和損傷部分，以及從金屬表面去除污染物。接下來， 在硅片表面進行SiN淀積形成所需厚度的SiN薄膜作為襯底1，為了消除SiN與硅片之間的 界面態、應力和缺陷，所述襯底1具有比較大的厚度，一般為0. 2?lum，本實施例中，所述襯 底1厚度為〇.5um。在另一個實施例中，襯底厚度為0.2um。在又一個實施例中，襯底厚度 為lum。
[0024] 接下來，如圖1(b)所示，通過磁控反應濺射形成VO2薄膜。具體的，基于現有集成 電路工藝，用VO2反應離子源，在襯底1表面濺射反應，形成進行90nm厚的VO2薄膜2。該 90nm只是作為舉例，也可以形成其它厚度的VO2薄膜。
[0025] 接下來，生長SiN作為VO2薄膜的掩膜3,如圖1(c)所示。具體的，基于現有集成 電路工藝，可以采用外延生長，等離子體淀積等方法形成所述掩膜3,該SiN掩膜的的厚度 為50?200nm，在本實施例中，所述SiN掩膜3的厚度為100nm。
[0026] 接下來，在SiN掩膜3表面涂覆光刻膠4,將所述SiN掩膜3圖形化，準備進行下一 步的光刻。具體的，所述光刻步驟基于現有集成電路工藝，首先所述SiN掩膜3上涂覆光刻 膠4,并通過掩膜版將所需要的圖形形狀轉移到光刻膠4上，接下來，依次進行曝光、顯影等 光刻工藝，最終得到如圖1(d)所示的半導體結構。
[0027] 接下來，將硅片放入刻蝕設備，用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟 基氣體與O2的混合氣體進行反應離子刻蝕形成圖形4,如圖1(e)所示。具體的刻蝕方法是 反應離子刻蝕。刻蝕的射頻功率為200?800W，氣體壓強為200?500mtoor。氟基氣體總 流量為100?200sccm，氧氣總流量為500?lOOOsccm。刻蝕時，分兩步刻蝕步驟進行。第 一步，先米用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1氟基氣體及氦氣的混合氣體對SiN 掩膜3進行刻蝕，再采用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1氟基氣體與氧氣的混合 氣體對VO2薄膜2進行刻蝕。
[0028] 然后，將圖1(e)的結構放入干法去膠設備中，對殘留的光刻膠進行去，并放入濕 法清洗及甩干設備，依次進行有機化學溶液（可以是EKC等）、無機化學溶液（可以是IPA 等）、去離子水的清洗及甩干，甩干后的圖形如圖1(f)所示。由于為了達到對VO2的各向異 性刻蝕，從而采用了含碳原子的氟基氣體與氧氣的混合氣體，可以在VO2側壁形成一周反應 生成聚合物，該聚合物在VO2的刻蝕過程中，為獲得可控的刻蝕尺寸及刻蝕形貌充當了重要 的作用，然而在刻蝕工藝完成后，就需要去除該聚合物，否則后續工藝無法進行，因此需要 依次進行有機化學溶液（可以是EKC等）、無機化學溶液（可以是IPA等）、去離子水的濕 法清洗工藝，來去除該聚合物，其中有機化學溶液主要去除該聚合物，無機化學溶液主要溶 解晶圓上的殘留有機化學溶劑，而去離子水是清洗掉晶圓上殘留的無機化學溶液，最后通 過甩干機來干燥晶圓；同時可以去除工藝過程中掉落到晶圓上的顆粒及其它沾污物等，保 證了廣品性能指標的穩定性，減小了芯片的失效比率，提_ 了生廣良率。
[0029] 在一個實施例中，所述有機化學溶液為丙酮，所述無機化學溶液為異丙醇，但也可 以是其它有機化學溶液或無機化學溶液。
[0030] 現有技術中，采用CF4和氧氣的混合氣體對VO2進行刻蝕，其對VO2具有各向同性 的刻蝕特性，刻蝕過程中對VO 2的刻蝕尺寸、刻蝕形貌無法有效控制，最終形成"碗"狀，對后 續薄膜（特別金屬PVD濺射時）的淀積及懸空結構的穩固性造成隱患。而含C原子的氟基 氣體可與氧氣可以發生如下化學反應：
[0031] CxFy+02 -F*+0*+C0F*+C0+......?,
[0032]其中C0F*活性基團壽命較長，當它運動到樣品表面時發生COF* -F*+C0丨，加 長了F*活性基的壽命，促進了VO2的刻蝕；并且當氟基氣體中的F原子與C原子小于等于 3時，刻蝕混合氣體主要以生產側壁保護的聚合物（polymer)為主，從而避免對VO2薄膜的 橫向掏蝕，達到對VO2各向異性的刻蝕特性。因此，當y/x小于等于3時，可以實現較好的 刻蝕形貌和關鍵尺寸。但當氟原子與碳原子的氣體流量配比較小時，干法刻蝕速率會大幅 降低，且會生成更多的聚合物，將會導致后續去除聚合物的清洗工藝難度增加，因此可以在 CHF3、C3F8、CH2F2等y/x小于等于3的氟基氣體中增加少量的高y/x氣體，如CF4等氣體，只 需控制氟原子與碳原子的總的氣體流量配比小于等于4:1就可以有效控制刻蝕工藝。
[0033] 由于本發明實施例采用兩步刻蝕來進行SiN掩膜3和VO2薄膜2的刻蝕，對SiN掩 膜3的刻蝕和對VO2薄膜2的刻蝕有時需要分別設置不同的刻蝕參數，如需要的氣體混合 比例等，因而有利于結合不同階段進行控制，從而達到對刻蝕形貌、刻蝕關鍵尺寸的有效控 制。
[0034] 尤其是，兩步中的每一步中用不同的氟原子與碳原子的氣體流量比、氟原子與氧 元素的氣體流量比等。由于不同的氟原子與碳原子的氣體流量比、氟原子與氧元素的氣體 流量比等可以有效的形成刻蝕生產物聚合物及控制VO2對光刻膠的刻蝕選擇比，從而達到 對刻蝕形貌、刻蝕關鍵尺寸的有效控制。優選地，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原 子與碳原子的氣體流量配比為4:1?3:1，氟原子與氬原子的氣體流量配比為2:1?3:1 ; 在所述氟基氣體與氧氣的混合氣體中，氟原子與碳原子的氣體流量配比為4:1?2:1，氟原 子與氧氣的氣體流量配比為1:2?1:3。
[0035] 在一個實施例中，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子與碳原子的氣體流 量配比為3:1 ;在另一個實施例中，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子與碳原子的 氣體流量配比為3.5:1 ;在又一個實施例中，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子與 碳原子的氣體流量配比為4:1。
[0036] 在一個實施例中，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子與氬原子的氣體流 量配比為2:1 ;在另一個實施例中，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子與氬原子的 氣體流量配比為2.5:1 ;在又一個實施例中，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子與 氬原子的氣體流量配比為3:1。
[0037] 在一個實施例中，在所述氟基氣體與氧氣的混合氣體中，氟原子與碳原子的氣體 流量配比為4:1 ;在另一個實施例中，在所述氟基氣體與氧氣的混合氣體中，氟原子與碳原 子的氣體流量配比為3:1 ;在又一個實施例中，所述氟基氣體與氧氣的混合氣體中，氟原子 與碳原子的氣體流量配比為2:1。
[0038] 在一個實施例中，在所述氟基氣體與氧氣的混合氣體中，氟原子與氧氣的氣體流 量配比為1:2 ;氟原子與氧氣的氣體流量配比為1:2. 5 ;氟原子與氧氣的氣體流量配比為 1:3。
[0039] 含碳原子的氟基氣體，其中氟原子與碳原子的比例，主要決定刻蝕反應生成聚合 物的多少，即刻蝕形貌的垂直度等。當F原子與C原子的比例（即F原子與氧原子的氣體 流量配比）小于等于3 :1時，混合氣體與VO2反應可以生成的較多聚合物，保護VO2側壁，防 止橫向掏蝕，因此優選選用F原子與C原子的比例小于等于3:1的CHF3X3F8等氟基氣體與 O2混合，來進行VO2薄膜的刻蝕。
[0040] 現有技術中采用CF4與O2混合氣體刻蝕VO2，其他試驗參數和條件如下表1和表 2所述，即氟原子與碳原子的氣體流量配比為4:1的條件下進行刻蝕，此時反應生成的聚合 物過少，無法對VO2側壁起到保護作用，在側壁處下方形成橫向掏蝕，影響刻蝕工藝特征，如 圖2所示。
[0041] 圖3為本實施例中完全采用CHF3與O2混合氣體刻蝕VO2的形貌，即F原子與C原 子的比例（即氟基氣體中的F原子與C原子總量比）為3:1、其他試驗參數和條件如下表1 和表2所述時刻蝕VO2的形貌。
[0042] 對比圖3和圖2可以看出，當F原子與C原子的比例（即氟基氣體中的F原子與 C原子總量比）為3 :1時，相比于F原子與C原子的比例（即氟基氣體中的F原子與C原 子總量比）為4 :1時，能夠有效改善VO2薄膜刻蝕形貌。
[0043] 由于F原子與C原子的比例（氣體流量配比）較小時，后續去除聚合物的工藝難 度會增加，因此，可以考慮增加少量對的CF4，使所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原子 與碳原子的氣體流量配比為4:1?3:1，在所述氟基氣體與氧氣的混合氣體中，氟原子與碳 原子的氣體流量配比為4:1?2:1，即控制F原子與C原子的比例（氣體流量配比），可以 達到形成不同刻蝕形貌、刻蝕關鍵尺寸的目的。
[0044] 刻蝕時間由人為設置。可以根據工藝需要，在刻蝕過程中，通過調整刻蝕菜單中的 氟原子與碳原子氣體流量配比、氟原子與氧元素氣體流量配比等，形成不同刻蝕形貌、刻蝕 關鍵尺寸。
[0045]
【權利要求】
1. 一種各向異性干法刻蝕vo2薄膜的方法，包括以下步驟： a、 提供SiN作為襯底（1); b、 在所述襯底（1)上形成￥02薄膜（2); c、 在V02薄膜（2)表面進行SiN的生長，形成SiN掩膜（3); d、 在所述SiN掩膜（3)上涂覆光刻膠（4)，將SiN掩膜（3)圖形化； e、 依次對SiN掩膜（3)和V02薄膜（2)進行反應離子刻蝕，其中，SiN掩膜（3)和V02薄膜（2)均采用氟原子與碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟基氣體進行刻蝕，在對￥02薄 膜（2)進行刻蝕的過程中通入02 ; f、 用干法去膠機去除殘余光刻膠； g、 進行清洗和甩干去除反應殘余物。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟a中，襯底（1)的厚度為0.5um。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟e中，先采用氟原子與碳原子的氣 體流量配比小于4:1的氟基氣體及氬氣的混合氣體對SiN掩膜（3)進行刻蝕，再采用氟原 子與碳原子的氣體流量配比小于4:1的氟基氣體與氧氣的混合氣體對￥02薄膜（2)進行刻 蝕。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述氟基氣體及氬氣的混合氣體中，氟原 子與碳原子的氣體流量配比為4:1?3:1，氟原子與氬原子的氣體流量配比為2:1?3:1 ; 在所述氟基氣體與氧氣的混合氣體中，氟原子與碳原子的氣體流量配比為4:1?2:1，氟原 子與氧氣的氣體流量配比為1:2?1:3。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟e中，刻蝕的的氣體壓力為200? 500mtoor，刻蝕的射頻功率為200?800W。
6. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在步驟e中，采用氟原子與碳原子的氣體 流量配比小于4:1的氟基氣體及氬氣的混合氣體對SiN掩膜（3)進行刻蝕時，氣體壓力為 300mt〇〇r，刻蝕的射頻功率為800W，刻蝕時間為15s ;采用氟原子與碳原子的氣體流量配比 小于4:1的氟基氣體與氧氣的混合氣體對￥02薄膜（2)進行刻蝕時，氣體壓力為300mt〇〇r， 刻蝕的射頻功率為400W，刻蝕時間為35s。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟g中，清洗包括依次進行用有機化 學溶液、無機化學溶液、去離子水的清洗。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述有機化學溶液為丙酮；所述無機化 學溶液為異丙醇。
【文檔編號】H01L21/02GK104332392SQ201410450255
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】史曄, 雷述宇 申請人:北方廣微科技有限公司