一种硬掩模刻蚀图形的方法及制冷红外探测器的制备方法与流程

1.本发明涉及制冷红外探测器技术领域，特别是涉及一种硬掩模刻蚀图形的方法。


背景技术：

2.在目前第1-3代半导体制造中，icp刻蚀(inductively coupled plasma，感应耦合等离子体刻蚀)或者rie刻蚀(reactive ion etching，反应离子刻蚀)是必不可少的工艺步骤。在icp刻蚀或rie刻蚀时，通常采用sio2作为硬膜层，以得到良好的sio2剖面。
3.近年来，icp刻蚀或rie刻蚀作为常见的等离子体干法刻蚀，在对硅、二氧化硅、三五族化合物等材料的刻蚀时可以获得很好的刻蚀效果，因此，icp刻蚀或rie刻蚀被广泛应用到各种光电子器件的制作工艺中。目前人们已经采用该技术制作基于gasb材料的制冷红外探测器的sio2硬掩膜的刻蚀工艺中。sio2硬掩膜的刻蚀端面具有良好的平整度、垂直度、合适的刻蚀速率、以及高选择比。
4.但是，在sio2硬掩膜的刻蚀过程中，很容易出现下切(undercut)的现象，该现象影响了后续工艺的正常进行，降低了制冷红外探测器的良率和性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种硬掩模刻蚀图形的方法及制冷红外探测器的制备方法，减少下切现象的产生，从而降低其对后续工艺的影响，提高了后续工艺的良率，以及器件的性能。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种硬掩模刻蚀图形的方法，包括以下步骤：
7.提供一衬底，所述衬底包括基底和形成于所述基底上的导电材料层；
8.在所述衬底上依次形成硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有第一开口；
9.以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第一开口处的硬掩模层，并刻蚀停止在所述硬掩模层中，所述第一开口处的硬掩模层上出现残留物膜层；
10.执行清洁工艺以去除所述残留物膜层，同时清洁工艺扩大了所述第一开口的尺寸，以形成第二开口；
11.以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第二开口处的硬掩模层，并暴露出所述第二开口处的部分所述导电材料层；
12.以图形化的所述光刻胶层为掩模，进一步刻蚀所述第二开口处的硬掩模层以及暴露出的所述导电材料层，并刻蚀停止在所述导电材料层中，以形成图形化的硬掩模层和双台阶的导电材料层，从而形成双台阶的衬底。
13.可选的，执行清洁工艺以去除所述残留物膜层，同时清洁工艺扩大了所述第一开口的尺寸，以形成第二开口包括：
14.通过所述硬掩模层的表面通入氧气或氧气电浆等离子体，去除所述硬掩模层的表面的残留物膜层，同时清洁工艺扩大了所述第一开口的尺寸，以形成第二开口。
15.进一步的，所述清洁工艺通入氧气或氧气电浆等离子体的流量为10sccm～50sccm，控制压力为5mt～50mt；射频功率为90w～500w，工艺时间小于10min。
16.进一步的，所述清洁工艺通入氧气或氧气电浆等离子体的流量为20sccm～40sccm，控制压力为10mt～35mt，射频功率为100w～500w，工艺时间小于5min。
17.进一步的，所述第二开口的尺寸较第一开口的尺寸大0.5μm～2μm。
18.进一步的，以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第一开口处的硬掩模层，并刻蚀停止在所述硬掩模层中包括：
19.以图形化的所述光刻胶层为掩模，通过等离子干法刻蚀工艺刻蚀所述第一开口处的硬掩模层，并刻蚀停止在所述硬掩模层中。
20.进一步的，等离子干法刻蚀工艺的刻蚀气体包括sf6、chf3和ar的混合气体，其中，chf3的气体流量为20sccm～80sccm，sf6的气体流量小于30sccm，ar的气体流量小于50sccm，射频功率为90w～500w，控制压力为4mt～30mt工艺时间为10min～25min。
21.进一步的，以图形化的所述光刻胶层为掩模，通过等离子干法刻蚀工艺刻蚀所述第二开口处的硬掩模层，并暴露出所述第二开口处的部分所述导电材料层。
22.进一步的，等离子干法刻蚀工艺的刻蚀气体包括chf3和ar的混合气体，其中，chf3的气体流量为60sccm～80sccm，ar的气体流量小于30sccm，射频功率为90w～500w，控制压力为3mt～30mt。
23.另一方面，本发明提供了一种制冷红外探测器的制备方法，包括上述所述的硬掩模刻蚀图形的方法。
24.与现有技术相比，本发明提供的一种硬掩模刻蚀图形的方法及制冷红外探测器的制备方法，硬掩模刻蚀图形的方法包括以下步骤：提供一衬底，所述衬底包括基底和形成于所述基底上的导电材料层；在所述衬底上依次形成硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有第一开口；以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第一开口处的硬掩模层，并刻蚀停止在所述硬掩模层中，所述第一开口处的硬掩模层上出现残留物膜层；执行清洁工艺以去除所述残留物膜层，同时清洁工艺扩大了所述第一开口的尺寸，以形成第二开口；以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第二开口处的硬掩模层，并暴露出所述第二开口处的部分所述导电材料层；以图形化的所述光刻胶层为掩模，进一步刻蚀所述第二开口处的硬掩模层以及暴露出的所述导电材料层，并刻蚀停止在所述导电材料层中，以形成图形化的硬掩模层和双台阶的导电材料层，从而形成双台阶的衬底。本发明通过一次光刻工艺，两次或三次刻蚀工艺完成了硬掩模刻蚀图形，同时形成了双台阶的刻蚀图形，减少了下切现象的产生，缓解了刻蚀侧壁的内应力，提高了台阶区域的导电能力，并减少后续在台阶上填充物质时产生的填充缺陷，提高了器件在后续工艺中的良率，以及器件的性能；还通过以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第二开口处的硬掩模层，可以形成台阶状的硬掩模层，该台阶状的硬掩模层降低了硬掩模层断裂的现象。
附图说明
25.图1a-1c为一种制冷红外探测器的制备方法的各步骤的结构示意图；
26.图2为本发明一实施例的一种硬掩模刻蚀图形的流程图；
27.图3a-3f为本发明一实施例的一种硬掩模刻蚀图形的各步骤的结构示意图。
28.附图标记说明：
29.图1a-1c中：
30.10-超晶格衬底；20-sio2硬掩模层；30-光刻胶层；40-沟槽；
31.图3a-3f中：
32.100-衬底；110-基底；120-导电材料层；200-硬掩模层；300-光刻胶层；a-第一开口；b-第二开口。
具体实施方式
33.目前的制冷红外探测器的制备方法包括以下步骤：
34.如图1a所示，步骤s11：提供一超晶格衬底10，所述超晶格衬底10上形成有sio2硬掩模层20。
35.如图1b所示，步骤s12：在所述硬掩模层20上形成图形化的光刻胶层30，图形化的所述光刻胶层30具有图案，该图案用于形成台面。
36.如图1c所示，步骤s13：以图形化的所述光刻胶层30为掩模一次性刻蚀所述sio2硬掩模层20，以将所述图案转移至所述sio2硬掩模层20中，并暴露出所述超晶格衬底10。此时，由于图形效应，在所述sio2硬掩模层20的刻蚀区域会存在sio2材料残留，从而产生了下切现象。另外，刻蚀后的所述sio2硬掩模层20很容易出现断裂的现象。
37.根据分析发现，在刻蚀所述sio2硬掩模层20时，会在sio2硬掩模层20的表面形成不均匀的碳氟薄膜，该薄膜使得部分区域的sio2硬掩模层20的刻蚀速率减小，在大部分区域的sio2硬掩模层20已经被刻蚀完毕时，被薄膜覆盖的区域还未刻蚀完毕，这就造成了在所述sio2硬掩模层20的刻蚀区域会存在材料残留，从而产生了下切现象。该现象影响了后续工艺的正常进行，降低了后续工艺的良率，以及器件的性能。
38.为了解决上述问题，本发明提供了一种硬掩模刻蚀图形的方法，通过三次刻蚀工艺完成了硬掩模刻蚀图形，并在以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第一开口处的硬掩模层，并刻蚀停止在所述硬掩模层中之后对所述硬掩模层的表面执行清洁工艺，可以去除所述硬掩模层的表面的碳氟薄膜，使得后续所述硬掩模层的表面刻蚀工艺没有了碳氟薄膜的影响，减少了下切现象的产生，从而降低其对后续工艺的影响，提高了器件的良率，以及器件的性能。
39.下面将结合示意图对本发明的一种硬掩模刻蚀图形的方法及制冷红外探测器的制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
40.为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节丽混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
41.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非
精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
42.图2为本发明一实施例的一种硬掩模刻蚀图形的方法的流程图。如图2所示，本实施例提供了一种硬掩模刻蚀图形的方法，所述方法例如是用于制冷红外探测器的制备方法中。所述硬掩模刻蚀图形的方法包括以下步骤：
43.步骤s21：提供一衬底，所述衬底包括基底和形成于所述基底上的导电材料层；
44.步骤s22：在所述衬底上依次形成硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有第一开口；
45.步骤s23：以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第一开口处的硬掩模层，并刻蚀停止在所述硬掩模层中，所述第一开口处的硬掩模层上出现残留物膜层；
46.步骤s24：执行清洁工艺以去除所述残留物膜层，同时清洁工艺扩大了所述第一开口的尺寸，以形成第二开口；
47.步骤s25：以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第二开口处的硬掩模层，并暴露出所述第二开口处的部分所述导电材料层；
48.步骤s26：以图形化的所述光刻胶层为掩模，进一步刻蚀所述第二开口处的硬掩模层以及暴露出的所述导电材料层，并刻蚀停止在所述导电材料层中，以形成图形化的硬掩模层和双台阶的导电材料层，从而形成双台阶的衬底。
49.以下结合图2至图3f具体说明一种硬掩模刻蚀图形的方法。
50.图3a为本实施例所提供的衬底的结构示意图。如图3a所示，首先执行步骤s1，提供一衬底100，所述衬底100包括基底110和形成于所述基底110上的导电材料层120。所述基底110可以是硅基底，也可以是化合物基底。
51.在本实施例中，所述基底110例如是化合物基底，所述导电材料层120例如是超晶格复合层。在所述基底110和导电材料层120之间还包括一缓冲层(图中未示出)。其中，所述化合物基底和缓冲层的材料例如是均包括磷化铟(inp)，所述缓冲层可以为掺杂了杂质的缓冲层，也可以是未掺杂杂质的缓冲层。在其他实施例中，所述化合物基底的材料例如是包括砷化镓(gaas)，所述缓冲层的材料例如是锑化镓(gasb)。所述超晶格复合层包括依次形成于所述缓冲层上的p型超晶格结构层和n型超晶格结构层。
52.图3b为本实施例形成图形化的光刻胶层后的结构示意图。如图3b所示，接着执行步骤s22，在所述衬底100上依次形成有硬掩模层200和图形化的光刻胶层300，所述光刻胶层300具有第一开口a。其中，所述硬掩模层200的材料包括二氧化硅、氮化硅等介质材料，其厚度为0.9nm～2.2nm。
53.本步骤具体包括以下步骤：
54.首先，在所述衬底100上通过沉积工艺形成所述硬掩模层200；
55.接着，在所述硬掩模层200上涂覆一光刻胶层300；
56.接着，通过曝光、显影等工艺图形化处理所述光刻胶层300，以形成图形化的光刻胶层300。此时，图形化的所述光刻胶层300具有第一开口a，所述第一开口a用于后续在所述衬底中形成凹槽，所述凹槽为在沿所述衬底100高度方向上的截面呈l型的台面，或呈u型的沟槽，或呈u型的凹孔等。在本实施例中，所述凹槽为在沿所述衬底100高度方向上的截面呈l型的台面。需要说明的是，为了便于说明，本实施例仅包括了一个在沿所述衬底高度方向上的截面呈l型的台面。
57.图3c为本实施例刻蚀所述第一开口并刻蚀停止在所述硬掩模层中的结构示意图。如图3c所示，接着执行步骤s23，以图形化的所述光刻胶层300为掩模，刻蚀所述第一开口a处的硬掩模层200，并刻蚀停止在所述硬掩模层200中，所述第一开口a处的硬掩模层200上出现残留物膜层(图中未示出)。具体的，以图形化的所述光刻胶层300为掩模，通过等离子干法刻蚀工艺刻蚀所述第一开口a处的硬掩模层200，并刻蚀停止在所述硬掩模层200中。
58.在本步骤中，等离子干法刻蚀工艺的刻蚀气体包括sf6、chf3和ar的混合气体，其中，chf3的气体流量为20sccm～80sccm，优选的，chf3的气体流量为65sccm～75sccm；sf6的气体流量小于30sccm，优选的，sf6的气体流量为小于10sccm；ar的气体流量小于50sccm，优选的，ar的气体流量为小于15sccm；射频功率为90w～500w，优选的，射频功率为100w～120w；控制压力为4mt～30mt(吨)，优选的，控制压力为15mt～25mt。刻蚀后的所述硬掩模层200的厚度大约大于刻蚀前所述硬掩模层200的总厚度的70％，进一步的，刻蚀后的所述硬掩模层200的厚度大约大于刻蚀前所述硬掩模层200的90％。该刻蚀工艺在第一开口a处的所述硬掩模层200的表面形成了一碳氟薄膜(即残留物膜层)，该碳氟薄膜在刻蚀后的所述硬掩模层200的表面是不均匀的，且该碳氟薄膜影响碳氟所述硬掩模层200刻蚀工艺的正常进行。
59.图3d为本实施例清洁工艺后的结构示意图。如图3d所示，为了清除该碳氟薄膜，接着执行步骤s24，执行清洁工艺以去除所述残留物膜层，同时清洁工艺扩大了所述第一开口a的尺寸，以形成第二开口b。
60.所述清洁工艺例如是氧气清除工艺，也就是说，通过对所述硬掩模层200的表面通入氧气或氧气电浆等离子体，去除所述硬掩模层200的表面的碳氟薄膜，使得后续所述硬掩模层200的表面刻蚀工艺没有了碳氟薄膜的影响，减少了下切现象的产生，从而降低其对后续工艺的影响，提高了器件的良率，以及器件的性能。在清洁过程中，由于氧气的对光刻胶的灰化作用，使得位于所述第一开口a处的部分光刻胶被去除掉，扩大了第一开口a的尺寸，从而形成了第二开口b，其中，所述第二开口b的尺寸较第一开口a的尺寸大0.5μm～2μm。此时暴露出的硬掩模层200呈台阶状。
61.在本步骤中，所述清洁工艺通入氧气或氧气电浆等离子体的流量为10sccm～50sccm，优选的，所述清洁工艺通入氧气或氧气电浆等离子体的流量为20sccm～40sccm；控制压力为5mt～50mt；优选的，控制压力为10mt～35mt；射频功率为90w～500w，优选的，射频功率为100w～500w；工艺时间小于10min，优选的，工艺时间小于5min。通过所述清洁工艺扩大了所述第一开口a处的开口尺寸，以形成第二开口b，此时暴露出了部分未经过刻蚀的所述硬掩模层200，使得所述第二开口b暴露出的硬掩模层200呈台阶状，该台阶状的硬掩模层200可以大大降低硬掩模层200断裂的现象；相较于后续工艺中在衬底表面形成钝化层来形成双台阶的衬底来说，减少了步骤，同时仅需要形成一次光刻胶就能完成工艺需求，其优化了工艺步骤，减少了光刻胶材料的浪费，还大大减少了钝化层断裂的现象。
62.图3e为本实施例在进一步刻蚀所述第二开口处的硬掩模层后的结构示意图。如图3e所示，接着执行步骤s25，以图形化的所述光刻胶层300为掩模，刻蚀所述第二开口b处的硬掩模层200，并暴露出所述第二开口b处的部分所述导电材料层120。具体的，通过等离子干法刻蚀工艺刻蚀所述第二开口b处的硬掩模层200，并暴露出所述第二开口b处的部分所述导电材料层120。
63.在本步骤中，等离子干法刻蚀工艺的刻蚀气体包括chf3和ar的混合气体，其中，chf3的气体流量为60sccm～80sccm，优选的，chf3的气体流量为65sccm～75sccm；ar的气体流量小于30sccm，优选的，ar的气体流量为小于15sccm；射频功率为90w～500w，优选的，射频功率为130w～500w；控制压力为3mt～30mt，优选的，控制压力为3mt～25mt。本步骤的刻蚀后，所述第二开口b中大部分的硬掩模层200(所述第一开口a处的硬掩模层200)已经被全部刻蚀完毕，并暴露出来导电材料层120，而所述第一开口a扩大了的部分由于硬掩模层200的厚度较厚，因此该部分还没有刻蚀掉，此时，所述第二开口b处的硬掩模层200呈台阶状，台阶状的硬掩模层200降低了硬掩模层断裂的现象。
64.图3f为本实施例形成双台阶的衬底后的结构示意图。如图3f所示，接着执行步骤s26，以图形化的所述光刻胶层300为掩模，进一步刻蚀所述第二开口b处的硬掩模层200以及暴露出的所述导电材料层120，并刻蚀停止在所述导电材料层120中，以去除所述第二开口b处的剩余的硬掩模层200，并形成图形化的硬掩模层200和双台阶的导电材料层120，从而形成双台阶的衬底100’，以实现双色或多色的制冷红外探测器的制造。双台阶的所述导电材料层120可以提高台阶区域的导电能力，并减少后续在台阶上填充物质时产生的填充缺陷，提高了器件在后续工艺中的良率，以及器件的性能。
65.综上所述，本发明提供的一种硬掩模刻蚀图形的方法及制冷红外探测器的制备方法，所述方法包括以下步骤：提供一衬底，所述衬底包括基底和形成于所述基底上的导电材料层；在所述衬底上依次形成硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有第一开口；以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第一开口处的硬掩模层，并刻蚀停止在所述硬掩模层中，所述第一开口处的硬掩模层上出现残留物膜层；执行清洁工艺以去除所述残留物膜层，同时清洁工艺扩大了所述第一开口的尺寸，以形成第二开口；以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第二开口处的硬掩模层，并暴露出所述第二开口处的部分所述导电材料层；以图形化的所述光刻胶层为掩模，进一步刻蚀所述第二开口处的硬掩模层以及暴露出的所述导电材料层，并刻蚀停止在所述导电材料层中，以形成图形化的硬掩模层和双台阶的导电材料层，从而形成双台阶的衬底。本发明通过一次光刻工艺，两或三次次刻蚀工艺完成了硬掩模刻蚀图形，同时形成了双台阶的刻蚀图形，减少了下切现象的产生，缓解了刻蚀侧壁的内应力，提高了台阶区域的导电能力，并减少后续在台阶上填充物质时产生的填充缺陷，提高了器件在后续工艺中的良率，以及器件的性能。通过以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述第二开口处的硬掩模层，可以形成台阶状的硬掩模层，该台阶状的硬掩模层降低了硬掩模层断裂的现象。
66.此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
67.可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。