一种用于监控介质平坦化过程的方法转让专利
申请号 : CN200810104224.1
文献号 : CN101562135B
文献日 : 2010-09-22
发明人 : 金智 , 刘新宇
申请人 : 中国科学院微电子研究所
摘要 :
本发明公开了一种用于监控介质平坦化过程的方法，包括：A、在制作异质结双极性晶体管HBT的过程中，制作特定的监控图形；B、在有监控图形且已进行介质平坦化的基片上，旋涂光刻胶、光刻、显影，在监控图形上制作特定形状的图形；C、利用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀基片一定时间；D、在光学显微镜下观察监控图形；E、重复步骤C和D直到露出发射极金属、基极和集电极接线柱。本发明制作监控图形与器件的工艺同步进行，不需要额外的工艺过程，降低了监控难度，提高了监控精度；同时本发明也避免了使用复杂设备的开销，有效节约成本，可以准确监控平坦化过程，使工艺稳定，避免过刻蚀或欠刻蚀造成的工艺不稳定。
权利要求 :
1.一种用于监控介质平坦化过程的方法，其特征在于，该方法包括：
A、在制作异质结双极性晶体管HBT的过程中，制作特定的监控图形；
B、在有监控图形且已进行介质平坦化的基片上，旋涂光刻胶、光刻、显影，在监控图形上制作特定形状的图形；
C、利用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀基片一定时间；
D、在光学显微镜下观察监控图形；
E、重复步骤C和D直到露出发射极金属、基极和集电极接线柱。
2.根据权利要求1所述的用于监控介质平坦化过程的方法，其特征在于，步骤A中所述特定的监控图形包括发射极监控图形、基极接线柱监控图形和集电极接线柱监控图形，该监控图形的最高点与发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱的高度相等。
3.根据权利要求1所述的用于监控介质平坦化过程的方法，其特征在于，步骤B中平坦化基片的介质材料为可用氧气或含有氧气等离子体刻蚀的已经高温固化的聚酰亚胺或BCB材料；所用的光刻胶是正胶、负胶或反转胶；在光刻显影后，光刻胶覆盖HBT器件和部分监控图形。
4.根据权利要求1所述的用于监控介质平坦化过程的方法，其特征在于，步骤C中产生氧气或含有氧气等离子体的设备为RIE或ICP刻蚀机，所述等离子体刻蚀的时间，根据刻蚀速率和发射极顶端的介质厚度和光刻胶的厚度而定，刻蚀深度不超过顶部介质和光刻胶的厚度。
5.根据权利要求1所述的用于监控介质平坦化过程的方法，其特征在于，步骤D中所述在光学显微镜下观察监控图形，是在光学显微镜下观察监控图形中被光刻胶盖住的部分和未盖住部分的差别，颜色不同且金属顶部有一条线，表明还需进一步刻蚀；颜色相同且金属顶部没有线，表明露出了金属层发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱。
6.根据权利要求1所述的用于监控介质平坦化过程的方法，其特征在于，步骤E中所述露出发射极金属、基极和集电极接线柱，是通过在光学显微镜下观察，直到监控图形的顶部颜色相同，表明发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶部已经没有介质，露出了发射极金属、基极和集电极接线柱。
说明书 :
技术领域
本发明涉及III-V族半导体异质结双极性晶体管(HeterojunctionBipolar Transistor，HBT)器件制造工艺技术领域，尤其涉及一种用于监控介质平坦化过程的方法，以解决小尺寸电极的引出和相互联结中的平坦化工艺问题。
背景技术
随着HBT技术的发展，HBT发射极的尺寸越来越小，现有的采用微空气桥的工艺已经不能满足HBT在小尺寸、低寄生方面的要求。这时整套工艺必须采用平坦化技术。即利用介质将基极、集电极的金属埋在下面，而将接触部分露出在介质上面。
发射极的金属较高，而基极和集电极金属的位置要比发射极金属低1微米左右。为进行发射极、基极、集电极的电极引出，采用在基极和集电极上制作接线柱的方法。器件间的连接采用聚酰亚胺或BCB等介质，然后采用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀的方式，直到露出发射极金属和基极、集电极接线柱。
聚酰亚胺和BCB固化后为透明物质，在等离子体刻蚀的过程中，很难判断发射极金属、基极和集电极的接线柱是否露出。通常采用扫描电子显微镜多次观察或采用刻蚀中用陪片多次测量厚度的方法进行监控。
采用电子显微镜进行多次观察的方法虽然较为精确，但浪费了大量的时间，占用很多扫描电子显微镜的资源。且在电子显微镜观察的过程中，样品需固定在样品台上，会对样品造成损伤。
采用相同介质厚度的陪片的方法，在氧气等离子体刻蚀过程中多次测量陪片上介质的厚度直到露出发射极金属，基极接线柱和集电极为止。这种方法虽然避免了在电子显微镜观察时对样品造成的损伤，但监控非常不准确，常常造成介质的过刻蚀或欠刻蚀，造成器件制作中可重复性低，成品率差的缺点。
发射极的金属较高，而基极和集电极金属的位置要比发射极金属低1微米左右。为进行发射极、基极、集电极的电极引出，采用在基极和集电极上制作接线柱的方法。器件间的连接采用聚酰亚胺或BCB等介质，然后采用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀的方式，直到露出发射极金属和基极、集电极接线柱。
聚酰亚胺和BCB固化后为透明物质，在等离子体刻蚀的过程中，很难判断发射极金属、基极和集电极的接线柱是否露出。通常采用扫描电子显微镜多次观察或采用刻蚀中用陪片多次测量厚度的方法进行监控。
采用电子显微镜进行多次观察的方法虽然较为精确，但浪费了大量的时间，占用很多扫描电子显微镜的资源。且在电子显微镜观察的过程中，样品需固定在样品台上，会对样品造成损伤。
采用相同介质厚度的陪片的方法，在氧气等离子体刻蚀过程中多次测量陪片上介质的厚度直到露出发射极金属，基极接线柱和集电极为止。这种方法虽然避免了在电子显微镜观察时对样品造成的损伤，但监控非常不准确，常常造成介质的过刻蚀或欠刻蚀，造成器件制作中可重复性低，成品率差的缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对以上两种监控方法的不足，本发明的主要目的在于提供一种用于监控介质平坦化过程的简便方法，以降低监控难度，提高监控精度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于监控介质平坦化过程的方法，该方法包括：
A、在制作异质结双极性晶体管HBT的过程中，制作特定的监控图形；
B、在有监控图形且已进行介质平坦化的基片上，旋涂光刻胶、光刻、显影，在监控图形上制作特定形状的图形；
C、利用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀基片一定时间；
D、在光学显微镜下观察监控图形；
E、重复步骤C和D直到露出发射极金属、基极和集电极接线柱。
优选地，步骤A中所述特定的监控图形包括发射极监控图形、基极接线柱监控图形和集电极接线柱监控图形，该监控图形的最高点与发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱的高度相等。
优选地，步骤B中平坦化基片的介质材料为可用氧气或含有氧气等离子体刻蚀的已经高温固化的聚酰亚胺或BCB材料，所用的光刻胶是正胶、负胶或反转胶；在光刻显影后，光刻胶覆盖HBT器件和部分监控图形。
优选地，步骤C中产生氧气或含有氧气等离子体的设备为RIE或ICP刻蚀机，所述等离子体刻蚀的时间，根据刻蚀速率和发射极顶端的介质厚度和光刻胶的厚度而定，刻蚀深度不超过顶部介质和光刻胶的厚度。
优选地，步骤D中所述在光学显微镜下观察监控图形，是在光学显微镜下观察监控图形中被光刻胶盖住的部分和未盖住部分的差别，颜色不同且金属顶部有一条线，表明还需进一步刻蚀；颜色相同且金属顶部没有线，表明露出了金属层发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱。
优选地，步骤E中所述露出发射极金属、基极和集电极接线柱，是通过在光学显微镜下观察，直到监控图形的顶部颜色相同，表明发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶部已经没有介质，露出了发射极金属、基极和集电极接线柱。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制作监控图形与器件的工艺同步进行，不需要额外的工艺过程，降低了监控难度，提高了监控精度。
2、利用监控图形，只用光学显微镜即可对平坦化工艺进行监控。避免了使用复杂设备的开销，有效节约成本。
3、利用监控图形，可以准确监控平坦化过程，使工艺稳定，避免过刻蚀或欠刻蚀造成的工艺不稳定。
针对以上两种监控方法的不足，本发明的主要目的在于提供一种用于监控介质平坦化过程的简便方法，以降低监控难度，提高监控精度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于监控介质平坦化过程的方法，该方法包括：
A、在制作异质结双极性晶体管HBT的过程中，制作特定的监控图形；
B、在有监控图形且已进行介质平坦化的基片上，旋涂光刻胶、光刻、显影，在监控图形上制作特定形状的图形；
C、利用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀基片一定时间；
D、在光学显微镜下观察监控图形；
E、重复步骤C和D直到露出发射极金属、基极和集电极接线柱。
优选地，步骤A中所述特定的监控图形包括发射极监控图形、基极接线柱监控图形和集电极接线柱监控图形，该监控图形的最高点与发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱的高度相等。
优选地，步骤B中平坦化基片的介质材料为可用氧气或含有氧气等离子体刻蚀的已经高温固化的聚酰亚胺或BCB材料，所用的光刻胶是正胶、负胶或反转胶；在光刻显影后，光刻胶覆盖HBT器件和部分监控图形。
优选地，步骤C中产生氧气或含有氧气等离子体的设备为RIE或ICP刻蚀机，所述等离子体刻蚀的时间，根据刻蚀速率和发射极顶端的介质厚度和光刻胶的厚度而定，刻蚀深度不超过顶部介质和光刻胶的厚度。
优选地，步骤D中所述在光学显微镜下观察监控图形，是在光学显微镜下观察监控图形中被光刻胶盖住的部分和未盖住部分的差别，颜色不同且金属顶部有一条线，表明还需进一步刻蚀；颜色相同且金属顶部没有线，表明露出了金属层发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱。
优选地，步骤E中所述露出发射极金属、基极和集电极接线柱，是通过在光学显微镜下观察，直到监控图形的顶部颜色相同，表明发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶部已经没有介质，露出了发射极金属、基极和集电极接线柱。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制作监控图形与器件的工艺同步进行，不需要额外的工艺过程，降低了监控难度，提高了监控精度。
2、利用监控图形，只用光学显微镜即可对平坦化工艺进行监控。避免了使用复杂设备的开销，有效节约成本。
3、利用监控图形，可以准确监控平坦化过程，使工艺稳定，避免过刻蚀或欠刻蚀造成的工艺不稳定。
附图说明
图1为本发明提供的用于监控介质平坦化过程的方法流程图。
图2为监控图形的示意图，(a)为监控图形的俯视图，(b)为监控图形的截面图。
图3为监控图形做完介质平坦化以及光刻胶曝光显影后的结构简图，(a)为监控图形的俯视图，(b)为监控图形沿线1的截面图，(c)为监控图形沿线2的截面图；监控图形被介质完全盖住，一部分介质上面没有光刻胶；而另一部分介质上面有光刻胶。器件部分则被介质和光刻胶盖住，其结构如图(c)所示。
图4和图5为监控图形在刻蚀中的变化情况；其中，
图4为刻蚀过程中，未被光刻胶覆盖的部分的金属完全暴露出来，而被光刻胶覆盖的部分还未暴露的情况；这种情况在光学显微镜下通过两部分的对比度很容易观察到；另外，在监控图形的金属顶部可以看到一条线；
图5为两部分的介质刻蚀完毕，完全暴露出来的情况；在光学显微镜下观察，监控图形的金属上没有对比度的变化，而且金属上的线条消失，这很容易通过光学显微镜观察到。因为器件上也覆盖着介质和光刻胶，此时，发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶端都露出介质外，而基极和集电极金属都被埋在介质里。
图2为监控图形的示意图，(a)为监控图形的俯视图，(b)为监控图形的截面图。
图3为监控图形做完介质平坦化以及光刻胶曝光显影后的结构简图，(a)为监控图形的俯视图，(b)为监控图形沿线1的截面图，(c)为监控图形沿线2的截面图；监控图形被介质完全盖住，一部分介质上面没有光刻胶；而另一部分介质上面有光刻胶。器件部分则被介质和光刻胶盖住，其结构如图(c)所示。
图4和图5为监控图形在刻蚀中的变化情况；其中，
图4为刻蚀过程中，未被光刻胶覆盖的部分的金属完全暴露出来，而被光刻胶覆盖的部分还未暴露的情况；这种情况在光学显微镜下通过两部分的对比度很容易观察到；另外，在监控图形的金属顶部可以看到一条线；
图5为两部分的介质刻蚀完毕，完全暴露出来的情况；在光学显微镜下观察，监控图形的金属上没有对比度的变化，而且金属上的线条消失，这很容易通过光学显微镜观察到。因为器件上也覆盖着介质和光刻胶，此时，发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶端都露出介质外，而基极和集电极金属都被埋在介质里。
具体实施方式
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。
如图1所示，图1为本发明提供的用于监控介质平坦化过程的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤101：在制作HBT的过程中，制作特定的监控图形；
步骤102：在有监控图形且已进行介质平坦化的基片上，旋涂光刻胶、光刻、显影，在监控图形上制作特定形状的图形；
步骤103：利用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀基片一定时间；
步骤104：在光学显微镜下观察监控图形；
步骤105：重复步骤103和步骤104直到露出发射极金属、基极和集电极接线柱。
上述步骤101在制作HBT的过程中，制作特定的监控图形。如图2所示，特定的监控图形包括发射极监控图形、基极接线柱监控图形和集电极接线柱监控图形，该监控图形的最高点与发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱的高度相等。
上述步骤102中所述平坦化基片的介质材料为可用氧气或含有氧气等离子体刻蚀的已经高温固化的聚酰亚胺或BCB材料，所用的光刻胶是正胶、负胶或反转胶；在光刻显影后，光刻胶覆盖HBT器件和部分监控图形。
上述步骤103中所述产生氧气或含有氧气等离子体的设备为RIE、ICP刻蚀机，所述等离子体刻蚀的时间，根据刻蚀速率和发射极顶端的介质厚度和光刻胶的厚度而定，刻蚀深度不超过顶部介质和光刻胶的厚度。
上述步骤104中所述在光学显微镜下观察监控图形，是在光学显微镜下观察监控图形中金属顶部被光刻胶盖住的部分和未盖住部分的差别，颜色不同且金属顶部有一条线，如图4所示，表明还需进一步刻蚀；颜色相同且金属顶部没有线表明露出了金属层发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱，如图5所示，则平坦化过程结束。
上述步骤105中所述露出发射极金属、基极和集电极接线柱，是通过在光学显微镜下观察，直到监控图形的顶部颜色相同，表明发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶部已经没有介质，露出了发射极金属、基极和集电极接线柱。
上述步骤105是在步骤104进行后，发现监控图形金属顶部的颜色不同且有线而进行的进一步刻蚀，如果步骤104进行后，监控图形的颜色相同，这步可以省略。
步骤105中所选取的刻蚀间隔要较小，通常为1至3分钟。通过在光学显微镜下观察，直到监控图形的顶部金属颜色相同且没有线，表明发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶部已经没有介质，这时可以结束平坦化工艺。
基于图1至图5所示的本发明用于监控介质平坦化过程的方法，以下结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。
在本实施例中，使用聚酰亚胺作为介质层、S9918光刻胶作为二次平坦化的光刻胶、氧气等离子刻蚀去除S9918和聚酰亚胺。下面结合具体的工艺进一步说明本发明的详细工艺方法和步骤。
如图2为监控图形的结构。当HBT器件进行完集电极接线柱的制作后，同时也完成了监控图形的制作。监控图形顶部金属宽度为3微米。
在基片上涂布一层聚酰亚胺，并在高温下长时间固化。在固化后的聚酰亚胺上涂敷一定厚度的光刻胶9918，厚度可为2.0μm，目的是使表面更平坦，然后在90℃条件下烘烤90秒，以去除胶中的溶剂。将涂敷有光刻胶9918的基片在曝光机下曝光；例如G、H、I线光源的接触式曝光机或投影光刻机。例如用I线光源的曝光机，在光强10mW/cm2的光强下，曝光10秒。将曝光后的基片置于显影液中显影，显影时间以刚好去除曝光部分的光刻胶为宜。整个HBT器件都被介质和光刻胶覆盖；而监控图形有一部分被光刻胶覆盖，如图3所示。
用氧气等离子体刻蚀，刻蚀设备可以采用RIE，也可以采用ICP刻蚀机。这里采用RIE等离子体刻蚀。当功率为50W时对聚酰亚胺和光刻胶刻蚀速率几乎相同，为120nm/min。刻蚀一定的时间，例如刻蚀15分钟。
取出样品在光学显微镜下观察，这时可以看到监控图形金属的顶部颜色不同且有一条线，如图4所示。
将样品放入RIE腔体，继续刻蚀，选择时间间隔为1至3分钟，例如选择1分钟时间间隔，刻蚀后在光学显微镜下观察。如图5所示，直到发现监控图形金属的顶部颜色一致，且没有线时，表明平坦化过程结束，可以进行下一步工艺。
在本发明所举的实施例中，使用聚酰亚胺作为介质，利用9918为覆盖介质上的光刻胶。在实际应用中，介质也可以是BCB；光刻胶也可以采用AZ5206、9912、S18系列的光刻胶或者反转胶、负胶等作为覆盖在介质上的光刻胶。这样的技术方案与本发明提供的技术方案在技术思路上是一致的，应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述的具体实施例，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，以上所述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。
如图1所示，图1为本发明提供的用于监控介质平坦化过程的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤101：在制作HBT的过程中，制作特定的监控图形；
步骤102：在有监控图形且已进行介质平坦化的基片上，旋涂光刻胶、光刻、显影，在监控图形上制作特定形状的图形；
步骤103：利用氧气或含有氧气的等离子体刻蚀基片一定时间；
步骤104：在光学显微镜下观察监控图形；
步骤105：重复步骤103和步骤104直到露出发射极金属、基极和集电极接线柱。
上述步骤101在制作HBT的过程中，制作特定的监控图形。如图2所示，特定的监控图形包括发射极监控图形、基极接线柱监控图形和集电极接线柱监控图形，该监控图形的最高点与发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱的高度相等。
上述步骤102中所述平坦化基片的介质材料为可用氧气或含有氧气等离子体刻蚀的已经高温固化的聚酰亚胺或BCB材料，所用的光刻胶是正胶、负胶或反转胶；在光刻显影后，光刻胶覆盖HBT器件和部分监控图形。
上述步骤103中所述产生氧气或含有氧气等离子体的设备为RIE、ICP刻蚀机，所述等离子体刻蚀的时间，根据刻蚀速率和发射极顶端的介质厚度和光刻胶的厚度而定，刻蚀深度不超过顶部介质和光刻胶的厚度。
上述步骤104中所述在光学显微镜下观察监控图形，是在光学显微镜下观察监控图形中金属顶部被光刻胶盖住的部分和未盖住部分的差别，颜色不同且金属顶部有一条线，如图4所示，表明还需进一步刻蚀；颜色相同且金属顶部没有线表明露出了金属层发射极金属、基极接线柱和集电极接线柱，如图5所示，则平坦化过程结束。
上述步骤105中所述露出发射极金属、基极和集电极接线柱，是通过在光学显微镜下观察，直到监控图形的顶部颜色相同，表明发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶部已经没有介质，露出了发射极金属、基极和集电极接线柱。
上述步骤105是在步骤104进行后，发现监控图形金属顶部的颜色不同且有线而进行的进一步刻蚀，如果步骤104进行后，监控图形的颜色相同，这步可以省略。
步骤105中所选取的刻蚀间隔要较小，通常为1至3分钟。通过在光学显微镜下观察，直到监控图形的顶部金属颜色相同且没有线，表明发射极、基极接线柱和集电极接线柱的顶部已经没有介质，这时可以结束平坦化工艺。
基于图1至图5所示的本发明用于监控介质平坦化过程的方法，以下结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。
在本实施例中，使用聚酰亚胺作为介质层、S9918光刻胶作为二次平坦化的光刻胶、氧气等离子刻蚀去除S9918和聚酰亚胺。下面结合具体的工艺进一步说明本发明的详细工艺方法和步骤。
如图2为监控图形的结构。当HBT器件进行完集电极接线柱的制作后，同时也完成了监控图形的制作。监控图形顶部金属宽度为3微米。
在基片上涂布一层聚酰亚胺，并在高温下长时间固化。在固化后的聚酰亚胺上涂敷一定厚度的光刻胶9918，厚度可为2.0μm，目的是使表面更平坦，然后在90℃条件下烘烤90秒，以去除胶中的溶剂。将涂敷有光刻胶9918的基片在曝光机下曝光；例如G、H、I线光源的接触式曝光机或投影光刻机。例如用I线光源的曝光机，在光强10mW/cm2的光强下，曝光10秒。将曝光后的基片置于显影液中显影，显影时间以刚好去除曝光部分的光刻胶为宜。整个HBT器件都被介质和光刻胶覆盖；而监控图形有一部分被光刻胶覆盖，如图3所示。
用氧气等离子体刻蚀，刻蚀设备可以采用RIE，也可以采用ICP刻蚀机。这里采用RIE等离子体刻蚀。当功率为50W时对聚酰亚胺和光刻胶刻蚀速率几乎相同，为120nm/min。刻蚀一定的时间，例如刻蚀15分钟。
取出样品在光学显微镜下观察，这时可以看到监控图形金属的顶部颜色不同且有一条线，如图4所示。
将样品放入RIE腔体，继续刻蚀，选择时间间隔为1至3分钟，例如选择1分钟时间间隔，刻蚀后在光学显微镜下观察。如图5所示，直到发现监控图形金属的顶部颜色一致，且没有线时，表明平坦化过程结束，可以进行下一步工艺。
在本发明所举的实施例中，使用聚酰亚胺作为介质，利用9918为覆盖介质上的光刻胶。在实际应用中，介质也可以是BCB；光刻胶也可以采用AZ5206、9912、S18系列的光刻胶或者反转胶、负胶等作为覆盖在介质上的光刻胶。这样的技术方案与本发明提供的技术方案在技术思路上是一致的，应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述的具体实施例，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，以上所述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。