通过合金化和蚀刻铂合金图案化铂

摘要

提供一种在衬底(101)上图案化铂的方法。铂层(103)沉积在衬底上，并且经图案化的光致抗蚀剂层(105)形成在铂层上方，留下铂层的部分暴露区域。铝层(109)沉积在铂层(103)的部分暴露区域上方。合金(111)由来自部分暴露区域的铝和铂形成。铂铝合金(111)被蚀刻掉，留下铂层(103)的剩余部分，以在衬底(101)上形成经图案化的铂层。优选地，在形成经图案化的光致抗蚀剂层(105)之前，在半导体衬底(101)上的铂层(103)上沉积薄硬掩模层(107)。

说明书

技术领域

本公开总体上涉及金属薄膜，并且更具体地涉及在微电子设备和传感器中图案化金属薄膜。

背景技术

通常，在恶劣环境下的薄膜技术传感器需要长寿命和化学稳定性，并且将非常受益于铂和其他类似相对惰性的金属以进行半导体金属化。由于如特殊物理特性(如PT1000电阻温度计设备(RTD)中的电阻温度系数(TCR))的关键特征，因此对于需要铂、铂族金属或合金或含有大量铂族金属的复合材料的微电子传感器或类似设备尤其如此。然而，铂和其他类似金属的极高期望惰性品质使它们难以图案化。到目前为止，这种传感器通常以分立元件的形式出售。由于难以向大型半导体制造商的数字和模拟晶圆厂引入相对惰性的MEMS材料及其工艺，因此在工业级生产方面几乎看不到任何实际发展。

尽管铂在IC工业中用于形成PtSi，但并未像铝或铜那样用作金属。由于铂的催化行为，铂通常被认为是晶圆厂中的污染风险，因此要非常小心地进行处理。现有技术铂图案化工艺在污染方面具有严重的缺点，导致禁止大量生产。

对生物医学或生物微机电(bio-MEMS)设备的兴趣日益浓厚，导致铂作为薄膜电极材料的重要性日益提高。固有的耐腐蚀性、良好的导电性、高生物相容性和不透射线的特性使铂适合各种生物MEMS设备。铂还用于电容器和热敏电阻以及许多其他应用。它的惰性使Pt本质上难以图案化。对于厚膜(>100nm)尤其如此，该厚膜能够承受传感应用中的苛刻条件而不会损坏或退化。

发明内容

以下呈现简化的概述，以便提供对本公开的一个或多个方面的基本理解。该概述不是本公开的广泛概述，并且既不旨在标识本公开的关键或重要元素，也不旨在划定其范围。相反，概述的主要目的是以简化形式呈现本公开的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

根据本公开的第一方面，提供一种在衬底上图案化铂的方法。铂层沉积在衬底上，并且在铂层上方形成图案化的光致抗蚀剂层，留下铂层的部分暴露区域。牺牲铝层沉积在铂层的部分暴露区域上方。由来自部分暴露区域的铝和铂形成合金。蚀刻掉铂铝合金以及非合金铝，留下铂层的剩余部分，以在衬底上形成图案化的铂层。在一个实施例中，在形成图案化的光致抗蚀剂层之前，薄硬掩模层沉积在半导体衬底上的铂层上。通过SiO

在一个实施例中，使用湿法蚀刻浸浴工具和稀王水(3HCL:HNO

在进一步的实施例中，使用湿法蚀刻工艺去除铂铝合金，该湿法蚀刻工艺采用喷涂蚀刻工具和3:1HCl:H

在另一个实施例中，铂与铝的合金化包括在氮气(N

在又一个实施例中，铝层被溅射沉积在铂层和暴露区域上方。在另一个实施例中，铂层被溅射沉积在半导体衬底上方。在又一个实施例中，在沉积铂层之前，粘合层形成在半导体衬底上方。粘合层可以包含氧化铝(Al

根据本公开的另一方面，提供一种微电子设备。在微电子设备的衬底上形成铂层，并且在铂层上方形成图案化的光致抗蚀剂层，留下铂层的部分暴露区域。铝层沉积在铂层的部分暴露区域上方。由来自部分暴露区域的铝和铂形成合金。从衬底剥离铂铝合金以及非合金铝，留下铂层的剩余部分以在衬底上形成图案化的铂层。在一个实施例中，使用高度选择性的湿法蚀刻化学去除铂铝合金。铂与铝的合金化可以包括在氮气(N

在本公开的另一方面，提供一种微电子设备，该微电子设备包括半导体衬底和在该衬底的顶表面上的铂电极，其中该铂电极的厚度≥0.1μm。铂电极的厚度可以≥0.4μm。在一个实施例中，铂电极的厚度在≥0.1μm到lμm的范围内。

在本公开的又一方面，一种电化学传感器包括微电子设备，该微电子设备包括衬底和在该衬底的顶表面上的铂电极，其中该铂电极的厚度≥0.1μm。

在本公开的又一方面，一种电阻温度计设备(RTD)包括微电子设备，该微电子设备包括衬底和在衬底的顶表面上的铂电极，其中该铂电极的厚度≥0.1μm。

附图说明

图1A至图1H是在示例性形成方法的连续阶段中描绘的具有铂层的微电子设备的局部截面图。

图2示出示例性形成方法的图1G所描绘的步骤之后的测试结构的掩模布局与实际SEM图像的对比。

图3是示例性形成方法的图1E所描绘的Pt和Al合金化步骤之后的横截面的SEM图像。

图4是另一示例性形成方法的铂测试结构的SEM俯视图图像和横截面。

图5A至图5E是示出根据又一示例性形成方法的FSI汞批量酸喷涂蚀刻工具的均匀性改善的晶片检查图像。

图6是在另一示例性形成方法的工艺阶段期间形成的铂铝合金的EDX图。

图7A和图7B是示出根据又一示例性形成方法的用于去除铂铝合金的两种蚀刻工艺的比较的示图。

图8A和图8B是又一示例性形成方法的快速热退火步骤之前(在图8A中示出)和之后(在图8B中示出)的铂结构的SEM俯视图图像。

图9是根据微电子设备的另一示例性形成方法的激光修整的铂结构的图像。

具体实施方式

参考附图描述本发明。附图未按比例绘制，并且提供附图仅用于说明本发明。下面参考用于说明的示例性应用来描述本发明的几个方面。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对本发明的理解。本发明不受所图示的动作或事件的顺序的限制，因为一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，并非所有示出的动作或事件都是实施根据本发明的方法所必需的。

根据本公开的至少一个实施例，公开一种在衬底上图案化铂的方法。在该实施例中，在衬底上的铂层上方形成图案化的光致抗蚀剂层或掩模，留下铂的暴露区域，并且暴露的铂与牺牲金属层合金化。选择牺牲金属，以使其在对工业半导体工具有利的温度下易于与铂形成合金，并且相比于铂以及相对于所得的铂牺牲金属合金，具有选择性地良好的蚀刻。从衬底上蚀刻与牺牲金属合金化的铂和牺牲金属层，留下铂层的剩余部分，以在衬底上形成图案化的铂层。在一个实施例中，使用高度选择性的湿法蚀刻化学去除铂牺牲金属合金。

对于铂膜，没有可靠工业水平的与IC兼容的图案化工艺。关于半导体环境中的大量生产，先前设想的Pt图案化工艺均具有明显的缺点，在半导体环境中，交叉污染会导致重大问题。最突出的示例将在下文说明。

将Pt沉积到光致抗蚀剂上(优选具有负侧壁)并随后去除光致抗蚀剂是一种常见的实验室方法，但是由于光致抗蚀剂的严重工具污染，因此在IC工业中被排除。发明人等实现用除光致抗蚀剂以外的牺牲材料作为提离层，但由于牺牲层侧壁处的良好的Pt台阶覆盖，发现该工艺难以控制。提离后的Pt突起被留为所谓的“耳”。美国专利申请公开号US2018/0204767A1中详细描述了该工艺。

对于厚度大于100nm的膜，干法蚀刻铂是困难的。由于其惰性，几乎没有发生对Pt的化学蚀刻，因此仅对其进行物理蚀刻(例如，被Ar离子蚀刻)。对硬掩模和粘合层的低选择性以及长蚀刻时间，会导致侧壁重新沉积。继而，这使得难以去除硬掩模，而长时间的过蚀刻导致跨较大直径的晶片均匀性低。而且，蚀刻工具被催化活性的Pt污染会引起不希望的副作用。

发明人已经发现在王水(3:1HCl:HNO

根据本公开的其他方面，本文所公开的公开方法和技术可以用于图案化其他相对惰性且难于蚀刻的金属。然后根据本文详述的原理，相应地选择用于与这些金属合金化的合适的牺牲金属。

本公开的实施例利用铝作为用于与铂合金化的牺牲金属层。该方法利用以下事实：Pt和Al在相对低的温度下形成合金，该温度从200℃以上开始，并且更优选从250℃及以上开始。发明人已经发现，如此形成的合金以高达纯Pt的100倍的速率蚀刻。当Pt被消耗时，在Pt-Al界面上，最主要的共存相为Pt/PtAl

在一个实施例中，类似于大多数湿法蚀刻工艺，通过扩散来控制合金化工艺。给定的工艺提供了更好的特征尺寸/长宽比，因为它可以进行高度的工艺控制，因为与湿化学法相比，可以更加严格地控制扩散的材料量和持续时间。以这种方式，该方法可以被描述为固态湿法蚀刻工艺。已经发现有两种方法效果很好。

参考图1A至图1G，描述了根据本公开的实施例的通过合金化来图案化铂的第一方法。参考图1A，衬底101用作用于形成铂结构的基底。衬底可以包括诸如晶片或晶片的一部分的半导体结构，并且可以由硅、锗或其他合适的材料制成。在衬底上待被图案化的铂可以用于多种目的中的任何一种，包括但不限于，形成电阻器、形成电容器、形成用于传感器的电极、形成电阻温度设备(RTD)或金属化目的。衬底101可能已经包括在其上形成的结构，因此可能不是完全平坦的。在一个实施例中，对铂进行图案化以便在集成电路的不同电子部件之间传导电流。在一个可替代实施例中，在对衬底101上的铂进行图案化之后，形成其他集成电路部件。

仍然参考图1A，粘合层102沉积在衬底101的顶部上。粘合层102可以用于促进其他层到衬底的附着。例如，粘合层102可以由适合于将铂附着到硅衬底的材料制成。在一些实施例中，粘合层102包括钛、氮化钛或钛钨。可以使用多种技术中的任何一种来将粘合层102沉积在衬底101上。具体技术可以取决于用作粘合层的材料的类型。例如，可以使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)或其他合适的方法中的任何一种来沉积粘合层。在一个示例中，粘合层102包括溅射在衬底101的顶部上的钛层。粘合层的厚度可以是大约

在其他实施例中，粘合层102可以包括例如由Ta

尽管图1A至图1G中所示的实施例说明粘合层102的使用，但是其他实施例可以避免使用粘合层。在这些后者的实施例中，铂结构可以直接形成在衬底101的表面上。例如，在一个实施例中，衬底101可以是蓝宝石衬底(Al

再次参考图1A，将厚度大约为400nm

参考图1B，去除薄硬掩模层107的未被光致抗蚀剂层104覆盖(并因此暴露)的部分。已经发现短的湿法蚀刻工艺在薄硬掩模层107上再现光致抗蚀剂层105的图案，而特征尺寸没有显著损失。在本公开的其他实施例中，代替地使用干法蚀刻工艺。适当地图案化的薄硬掩模层107在铂层中留下暴露区域；

参考图1C，在一些实施例中，在去除图1B中所示的光致抗蚀剂105之后，将铝层109溅射沉积到现在部分暴露的铂(如图1C中的铂层103中的暴露区域所示)上。在一个实施例中，沉积的铝层109的厚度大于0.8μm

参考图1D，随后在氮气(N

图3是在图1D所说明的铂与铝合金化后的实际截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。在图3中，薄硬掩膜不可见。

参考图1E，通过使用HCl执行湿法蚀刻工艺来去除铝层的非合金区域。37％HCl的化学蚀刻剂本身不会蚀刻铂-铝合金铂铝化物。该去除步骤是可选的，并且在一些实施例中，可以省略用于剥离铝的湿法蚀刻工艺。

参考图1F，在一些实施例中，通过使用稀释的铂蚀刻化学物质(如王水或3:1HCl:H

图7A描绘湿法蚀刻喷涂工具工艺，并且图7B描绘湿法蚀刻浸没工具。浸没工具湿法蚀刻工艺会遭受交叉污染，以及蚀刻化学物质的老化。在图2的测试结构的SEM图像中看到的喷涂图案是由于科里奥利力作用在由静态中央喷柱喷出的雾化化学物质上引起的。

参考图1G，通过短浸在氢氟酸HF或缓冲氢氟酸BHF中来去除硬掩模，氢氟酸HF或缓冲氢氟酸BHF两者都不侵蚀铂。图2示出最终铂结构的SEM图像。

在图3中，可以看到由硬掩模边缘下方的横向铝扩散引起的固有过蚀刻。从图2至图4中所示的横截面的TEM图像和SEM图像，从铂侧壁斜率可以明显看出，所公开的方法具有与湿法蚀刻类似的各向同性性质。在本公开的一些实施例中，过蚀刻可以通过Pt:Al的化学计量比以及合金化时间来控制，这允许比湿法蚀刻更大的工艺控制。

结合图1A至图1G描述的工艺被验证为达到1μm的铂厚度。发明人已经发现，在铂-铝铂铝化物合金形成期间，控制硬掩模弯曲的难度越来越大，这可能最终导致Pt厚度的上限。Al/Pt/Al三明治结构或采用壕沟状的拓扑结构可以能够形成更厚的铂膜。此外，该工艺不需要平坦化。类似于湿法蚀刻，只要Al的台阶覆盖率可以接受，拓扑结构就不阻碍Pt-Al合金化。发明人已经验证其可以在小于120°的角度下工作。

根据本公开的另一方面，描述了在衬底上图案化铂的第二方法。该衬底用作用于形成铂结构的基底。衬底可以包括诸如晶片或晶片的一部分的半导体结构，并且可以由硅、锗或其他合适的材料制成。在衬底上待被图案化的铂可以用于多种目的中的任何一种。铂层沉积在衬底的上方，并且铝层沉积在铂层上。在一个实施例中，铝层被原位沉积在毯状铂晶片的顶部上。

在铝层上方形成光致抗蚀剂层，并且通过光刻技术将光致抗蚀剂层图案化，从而在光致抗蚀剂层中形成掩模。在一些实施例中，在晶片上施加期望的Pt图案的负性光致抗蚀剂。使用负性光致抗蚀剂，其中光致抗蚀剂的暴露于光的部分变得不溶于光致抗蚀剂显影剂(即，光致抗蚀剂的未曝光部分将被溶解)。随后，光致抗蚀剂显影剂溶液去除光致抗蚀剂层的未曝光部分，并且曝光的抗蚀剂保留在牺牲层的表面上。因此，形成包括反图案的抗蚀剂掩模。

蚀刻铝层以在铂层的顶部上形成Al图案。由于干法蚀刻带来污染风险，因此用铝浸出材料对铝进行湿法蚀刻，在一个实施例中，该铝浸出材料是磷酸、乙酸和硝酸的混合物。由于必要的过蚀刻，这导致特征尺寸有所减小，取决于铂层(以及铝)的厚度。在去除抗蚀剂之后，在一个实施例中，在氧气环境中使铂和铝合金化，其中暴露的作为有益副作用的铂也被氧化。在一些实施例中，通过执行稀释的铂蚀刻湿化学工艺来去除铂-铝合金。

图6示出所形成的铂-铝合金PtAl

为了将公开的铂图案化工艺无缝地集成到现有的晶圆厂工艺或回路中，在铂结构形成之前和之后都必须考虑粘合问题以及污染问题。众所周知，铂在大多数表面上都不能很好地粘合。已经发现Ti和ALD沉积的Al

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尽管上面已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，它们仅是通过示例而非限制的方式给出。可以组合不同示例的各种元素以提供本发明的不同方面。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以根据本文的公开内容对所公开的实施例进行多种改变。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述实施例的限制。而是，本发明的范围应根据所附权利要求及其等同物来限定。