专利名称：控制背孔剖面形状的方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种控制背孔剖面形状的方法。
背景技术：
背孔技术是制备某些半导体器件，尤其是GaN微波器件的关键技术。背孔技术实现了源端的接地，缩短了器件、电路的接地距离，可以有效降低器件接地端的串联电感，从而提高了器件微波状态下的功率特性。在实际的半导体器件制作工艺中，背孔的刻蚀结束后，溅射起镀层，然后电镀金， 实现半导体器件的源端接地。在背孔技术中，背孔刻蚀是关键技术之一。背孔剖面形状直接影响起镀层的覆盖情况，进而影响电镀金属填充情况。现有技术中，背孔刻蚀及后续工序的步骤如下步骤Sl 图1为现有技术在SiC背面溅射金属薄膜层后的示意图。如图1所示， 在减薄的SiC背面(即图1中与源金属相对的面)溅射(或蒸发)金属掩模层(以下以Ni 为例进行说明)；步骤S2 在金属薄膜层上涂覆正性光刻胶(光刻胶9918)约1. 5 μ m,利用光刻机 (Karl Suss MA6)曝光、显影所需要的光刻胶图形。图2为现有技术光刻显影后的示意图。 如图2所示，背孔部分的金属薄膜暴露，其余部分的金属薄膜被光刻胶覆盖保护；步骤S3 将曝光后的器件浸入腐蚀液当中进行湿法刻蚀，上述腐蚀液可以为 H2SO4 H2O2 = 2 1的溶液，刻蚀时间为130秒。图3为现有技术湿法刻蚀金属薄膜层后的示意图(光刻胶已去除)；步骤S4 以金属为掩膜，采用等离子刻蚀机(Corial 200iL)进行背孔刻蚀。背孔刻蚀完成后，如果有残余的金属薄膜，可以保留并和以后的镀金层连为一体，也可以一并去除。图4为现有技术背孔刻蚀后的示意图；步骤S5 采用溅射生成起镀层(Ti/Au厚度约为40/400nm)。图5为现有技术溅射起镀层后的示意图；步骤S6 背孔金属采用镀金技术进行填充，厚度在15μπι左右，背孔内电镀金用于器件源端接地，以减小器件的接地电阻和电感。图6为现有技术背孔镀金后的示意图。现有背孔技术存在一个较大的问题，由于单一金属薄膜Ni刻蚀方向选择比太高， 刻蚀过程中侧壁非常陡直。图7为现有技术背孔镀金后的背孔剖面SEM照片，由于侧壁非常陡直，起镀层发生断裂，导致溅射起镀层金属时极易出现起镀层断裂，导致电镀金时镀层断裂，造成器件接地不良。解决这一问题的关键是需要获得一个侧壁倾斜的剖面，这样的剖面可以保证起镀层金属能够全面覆盖，避免因为起镀层断裂而导致的电镀金属断裂，影响器件的接地特性。如果增加刻蚀机腔体的压力，以增强各项异性刻蚀来达到倾斜剖面的目的， 将会导致由于压力增大，刻蚀速率下降等问题，在深孔刻蚀中，甚至会出现由于刻蚀反应生成不能及时排出，而导致的刻蚀停止状态。背孔的剖面形状直接影响起镀层的覆盖情况，进而影响电镀金属填充情况。理想的剖面有利于提高背孔起镀层的覆盖能力，进而提高背孔金属填充的成品率。在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下问题由于金属薄膜的刻蚀方向选择比高，造成背孔侧壁非常陡直，不利于后续的起镀层和电镀金属的制备。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是解决现有技术中背孔侧壁陡直，不利于后续的起镀层和电镀金属的制备的技术问题，提供一种背孔剖面形状控制方法，以获得合适倾斜角度的背孔剖面。(二)技术方案为实现上述目的，本发明提供了一种背孔剖面形状控制方法，该方法包括在底层材料上沉积多层金属薄膜，多层金属薄膜中的各层对底层材料具有不同的刻蚀方向选择比；刻蚀去除底层材料背孔位置沉积的多层金属薄膜；以底层材料上剩余的多层金属薄膜为掩膜对底层材料进行刻蚀，利用多层金属薄膜对底层材料的不同刻蚀方向选择比来实现对背孔剖面形状的控制。优选地，本技术方案中，底层材料为碳化硅SiC，多层金属薄膜为两层，其中上层为具有高SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜层，下层为具有低SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜层。(三)有益效果本发明采用多层金属掩模，利用相同刻蚀条件下不同金属掩膜对SiC的不同刻蚀方向选择比来实现背孔剖面形状控制，可以获得了倾斜的刻蚀剖面，便于背孔内壁起镀层金属的完整覆盖，从而实现了背孔内镀层金的完整填充。
图1为现有技术在SiC背面溅射金属薄膜层后的示意图；图2为现有技术光刻显影后的示意图；图3为现有技术湿法刻蚀金属薄膜层后的示意图；图4为现有技术背孔刻蚀后的示意图；图5为现有技术溅射起镀层后的示意图；图6为现有技术背孔镀金后的示意图；图7为现有技术背孔镀金后的背孔剖面SEM照片；图8为根据本发明实施例一背孔剖面控制方法的流程图；图9为本发明实施例二在SiC背面溅射双层金属薄膜的示意图；图10为本发明实施例二光刻显影后的示意图；图11为本发明实施例湿法刻蚀双层金属薄膜后的示意图；图12为本发明实施例二 Ni掩膜部分刻蚀后的器件示意图；图13为本发明实施例二 Ti掩膜部分刻蚀后的器件示意图；图14为本发明实施例二背孔镀金后的示意图；图15为本发明实施例二背孔镀金后的背孔剖面SEM照片。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。实验证明，不同的掩膜材料对衬底材料(底层材料)具有不同的方向刻蚀方向选择比。本发明利用上述特性实现剖面形状控制，获得倾斜的刻蚀剖面。图8为根据本发明实施例一背孔剖面控制方法的流程图。如图8所示，本实施例包括如下步骤S802，在底层材料上沉积多层金属薄膜，多层金属薄膜中的各层对底层材料具有不同的刻蚀方向选择比；S804，刻蚀去除底层材料背孔位置沉积的多层金属薄膜；S806，以底层材料上剩余的多层金属薄膜为掩膜对底层材料进行刻蚀，利用多层金属薄膜对底层材料的不同刻蚀方向选择比来实现对背孔剖面形状的控制。本实施例中，底层材料为碳化硅SiC，多层金属薄膜为两层，其中上层为具有高 SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜层，下层为具有低SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜层。优选地，上层为钛Ti薄膜Ομπι)或钨W薄膜O. 5-3 μ m)，下层为镍Ni薄膜(1 μ m)。此外，为了实现对背孔剖面形状的精确控制，也可以设置多层薄膜为掩膜层，例如，可以设置Ti/Al/ Ni或者Ti/Al/Ti/Ni掩膜层。在上述情况下，Ti厚度1 μ m、Al厚度1 μ m，Ni厚度1 μ m,根据剖面的控制需要，各层厚度可以有30%的变化量。本实施例中，背孔的倾斜角度介于60° -80°之间。优选地为65° _75°之间，最好为70°。上述步骤S804中，刻蚀去除底层材料背孔位置沉积的多层金属薄膜包括在多层金属薄膜上旋涂光刻胶；通过曝光、显影步骤，将背孔位置的光刻胶去除，暴露背孔位置沉积的多层金属薄膜；通过湿法刻蚀，将背孔位置沉积的多层金属薄膜去除。上述步骤S806中，以多层金属薄膜为掩膜对底层材料进行刻蚀采用等离子刻蚀的方法。并且，在等离子刻蚀过程中可以不改变刻蚀参数。上述步骤S806之后还包括在具有背孔的底层材料上溅射起镀层，起镀层为双层，下层为Ti层，上层为Au层；在起镀层上电镀Au。基于图8所示的背孔剖面形状控制方法，以下结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。本实施例包括以下步骤步骤Si，在减薄的SiC衬底(以厚度约为90 μ m的减薄SiC衬底为例)背面依次溅射Ti/Ni，厚度分别是2 μ m、1 μ m，图9为本发明实施例二在SiC背面溅射双层金属薄膜的示意图；步骤S2，涂覆胶光刻，采用正性光刻胶9918，光刻胶的厚度为1. 5 μ m，利用预设图形在光刻机(Karl Suss MA6)进行曝光、显影。图10为本发明实施例二光刻显影后的示意图。如图10所示，背孔部分的双层金属薄膜暴露，大部分金属薄膜被光刻胶保护；步骤S3，采用湿法腐蚀金属薄膜，具体包括首先采用H2SO4 H2O2 = 2 1的溶液浸泡上述器件130S，腐蚀不被光刻胶保护的Ni金属薄膜；而后采用HF H2O=I 10 的溶液浸泡上述器件60S，腐蚀不被光刻胶保护的Ti金属薄膜。图11为本发明实施例湿法刻蚀双层金属薄膜后的示意图(已去除残余的光刻胶)；
步骤S4，去除器件上剩余的光刻胶，采用等离子束刻蚀的方法刻蚀SiC，在高密度等离子刻蚀机里刻蚀SiC衬底，等离子体刻蚀由于第一层金属薄膜M对SiC的刻蚀方向选择比高，M掩膜部分刻蚀比较陡直。图12为本发明实施例二 M掩膜部分刻蚀后的器件示意图；步骤S5，不改变刻蚀条件继续刻蚀，由于第二层掩膜Ti对SiC刻蚀方向选择比低，刻蚀过程中导致掩膜横向刻蚀明显，即背孔的直径逐渐扩大。在垂直方向刻蚀的同时， 出现了横向的刻蚀，越靠近上面，横向刻蚀就越严重。背孔口径尺寸逐渐增大。背孔刻蚀完成后，如果有残余的Ti金属薄膜，可以保留并和以后的镀金层连为一体，也可以一并去除。 图13为本发明实施例二 Ti掩膜部分刻蚀后的器件示意图；倾斜度表示为α，优选地，α = 70° ο步骤S6，溅射起镀层电镀。溅射起镀层(Ti/Au，其厚度约为400/400nm)然后采用自行研制的电镀设备电镀Au(厚度约15 μ m)，由于剖面倾斜，溅射时起镀层金属容易覆盖， 电镀时保证了侧壁金属完整，实现了背孔的金属填充，保证了器件源端有效接地。图14为本发明实施例二背孔镀金后的示意图。图15为本发明实施例二背孔镀金后的背孔剖面SEM 照片；本实施例中，背孔的刻蚀过程中既不用增加刻蚀的压力，也不用改变刻蚀的功率， 利用两层掩膜的相同刻蚀条件下对SiC的不同刻蚀方向选择比实现剖面形状的控制，从而解决了背孔刻蚀过程中的侧壁过于陡直的问题，在保持刻蚀条件不变的情况下，获得了倾斜的刻蚀剖面，便于背孔内壁起镀层金属的完整覆盖，从而实现了背孔内镀层金的完整填充。以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，包括在底层材料上沉积多层金属薄膜，所述多层金属薄膜中的各层对所述底层材料具有不同的刻蚀方向选择比；刻蚀去除所述底层材料背孔位置沉积的多层金属薄膜；以所述底层材料上剩余的多层金属薄膜为掩膜对所述底层材料进行刻蚀，利用所述多层金属薄膜对所述底层材料的不同刻蚀方向选择比来实现对背孔剖面形状的控制。
2.根据权利要求1所述的控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，所述底层材料为碳化硅SiC，所述多层金属薄膜为两层，其中上层为具有高SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜层，下层为具有低SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜层。
3.根据权利要求2所述的控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，所述SiC的厚度为 90 μ m,所述具有高SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜为钛Ti薄膜，厚度为2 μ m ；所述具有低 SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜为镍Ni薄膜，厚度为1 μ m。
4.根据权利要求2所述的控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，所述SiC的厚度为 90 μ m,所述具有高SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜为钨W薄膜，厚度为2. 5-3 μ m ；所述具有低SiC刻蚀方向选择比的金属薄膜为镍Ni薄膜，厚度为1 μ m。
5.根据权利要求3或4所述的控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，所述背孔的倾斜角度介于60°至80°之间。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，所述刻蚀去除底层材料背孔位置沉积的多层金属薄膜包括在所述多层金属薄膜上旋涂光刻胶；通过曝光、显影步骤，将背孔位置的光刻胶去除，暴露所述背孔位置沉积的多层金属薄膜；通过湿法刻蚀，将所述背孔位置沉积的多层金属薄膜去除。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，所述以底层材料上剩余的多层金属薄膜为掩膜对底层材料进行刻蚀，采用等离子刻蚀方式实现。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的控制背孔剖面形状的方法，其特征在于，所述在底层材料上获得具有倾斜侧壁的背孔的步骤之后还包括在具有背孔的所述底层材料上溅射起镀层，所述起镀层为双层，下层为Ti层，上层为金Au层；在所述起镀层上电镀Au。
全文摘要
本发明公开了一种控制背孔剖面形状的方法。该方法包括在底层材料上沉积多层金属薄膜，多层金属薄膜中的各层对底层材料具有不同的刻蚀方向选择比；刻蚀去除底层材料背孔位置沉积的多层金属薄膜；以底层材料上剩余的多层金属薄膜为掩膜对底层材料进行刻蚀，利用多层金属薄膜对底层材料的不同刻蚀方向选择比来实现对背孔剖面形状的控制。利用本发明公开的方法，可以获得了倾斜的刻蚀剖面，便于背孔内壁起镀层金属的完整覆盖，从而实现了背孔内镀层金的完整填充。
文档编号H01L21/02GK102456611SQ20101052027
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者刘新宇, 刘果果, 罗卫军, 魏珂, 黄 俊 申请人:中国科学院微电子研究所