多层膜的干湿结合蚀刻方法.pdf

本发明涉及多层膜的蚀刻方法，特别是各向异性磁电阻效应(AMR)传感器制造中所使用的多层膜的蚀刻方法。一种多层膜的干湿结合蚀刻方法，包括：干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的保护层；湿法腐蚀各向异性磁电阻效应薄膜的坡莫合金层；干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的过渡层。各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜为钽(Ta)/坡莫合金(NiFe)/钽(Ta)组成的多层膜。本发明与传统的方法相比，缩短了刻蚀的时间，提高了刻蚀工艺的效率，电阻条边缘整齐，图形质量高。

1.  一种多层膜的干湿结合蚀刻方法，其特征在于，包括：
干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的保护层；
湿法腐蚀各向异性磁电阻效应薄膜的坡莫合金层；
干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的过渡层。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)根据需要，准备各向异性磁电阻效应薄膜；
(b)首先，在各向异性磁电阻效应薄膜上形成光刻胶掩膜层；
(c)接着，以所述光刻胶掩膜层作为掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的保护层；
(d)然后，以上述干法刻蚀后的保护层作为掩膜，利用化学方法湿法腐蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的坡莫合金层；
(e)再后，重新在各向异性磁电阻效应薄膜上形成光刻胶掩膜层，并以此为掩膜利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的过渡层；
(f)得成品。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)根据需要，准备各向异性磁电阻效应薄膜；
(b)首先，在各向异性磁电阻效应薄膜上形成光刻胶掩膜层；
(c)接着，以所述光刻胶掩膜层作为掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的保护层；
(d)然后，以上述干法腐蚀后的保护层作为掩膜，利用化学方法湿法腐蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的坡莫合金层；
(e)最后，不使用任何掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的过渡层，同时减薄保留下的各向异性磁电阻效应电阻条上的保护层；
(f)得成品。

4.  如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述各向异性磁电阻效应薄膜是由过渡层/坡莫合金/保护层组成的多层膜，为钽(Ta)/坡莫合金(NiFe)/钽(Ta)。

5.  如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述化学方法湿法腐蚀，是使用硝酸(HNO₃)、磷酸(H₃PO₄)、水(H₂O)的混合液，或使用硝酸(HNO₃)、乙酸(CH₃COOH)、水(H₂O)的混合液，在一定温度下腐蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的坡莫合金(NiFe)层；其混合液的体积比为HNO₃/H₃PO₄/H₂O＝1/3/20或HNO₃/CH₃COOH/H₂O＝1/3/20。

6.  如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述干法刻蚀方法，包括各种离子束刻蚀、反应离子刻蚀以及等离子刻蚀。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的保护层，是利用磁增强反应离子刻蚀机刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的钽保护层，反应气体SF₆，流量为29~31sccm，RF功率为48~52W，刻蚀时间为79~81Sec。

8.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在蚀刻各向异性磁电阻效应薄膜的保护层和坡莫合金层后，不再蚀刻各向异性磁电阻效应薄膜的过渡层，而在后续工艺中采取其它措施消除或降低未被腐蚀的各向异性磁电阻效应薄膜过渡层对器件性能的影响。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的其它措施，是在蚀刻各向异性磁电阻效应薄膜的保护层和坡莫合金层后，在后续工艺中，以磁增强反应离子刻蚀机，用氧离子处理各向异性磁电阻效应薄膜中未去除的钽过渡层。

10.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的磁增强反应离子刻蚀，反应气体O₂，流量为29~31sccm，RF功率为48~52W，处理时间为190~210Sec。

多层膜的干湿结合蚀刻方法
技术领域
本发明涉及多层膜的蚀刻方法(本件申请文件中将干法刻蚀和湿法腐蚀统称为蚀刻)，特别是各向异性磁电阻效应(AMR)传感器制造中所使用的以坡莫合金(NiFe)与钽(Ta)形成的多层膜的蚀刻方法。
背景技术
由于各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜能够制备高集成度器件，因此基于该效应的传感器具有非常广泛的用途，如硬盘高密度磁头、磁编码器、电子罗盘、动态汽车目标捕获及电流传感器等。各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜结构简单、制作相对容易、价廉、稳定性好，在体积、质量及成本上有很大优势，即使在发现了巨磁电阻效应(GMR)并且其产品已经出现的今天，用传统(AMR)薄膜做的硬盘磁头和传感器在市场上仍占主流。
用于制备各向异性磁电阻效应(AMR)传感器的薄膜一般是由过渡层/坡莫合金层/保护层构成的三明治结构，整个薄膜一般沉积在硅或玻璃基片上。通常过渡层和保护层材料采用的是钽(Ta)，因为它具有比较大的电阻率，而且在薄膜生长的过程中能使NiFe形成很好的FCC(111)结构。
图1是各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条的芯片剖面图。如图1所示，在表面覆盖绝缘膜的硅片或玻璃基板a上面，形成钽(Ta)过渡层b，在其上面为坡莫合金(NiFe)层c，最上层为钽(Ta)保护层d。
一般利用干法刻蚀或者湿法腐蚀的办法实现各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条的成形，其工艺过程如图2所示。
首先，如图2.1所示，在过渡层/坡莫合金/保护层多层膜上涂敷光刻胶e，利用光刻技术得到具有与各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条图形对应的光刻胶图形(图2.2)。接着，将光刻胶图形作为掩膜，利用离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)等干法刻蚀Ta/NiFe/Ta多层膜，或者利用能与钽、坡莫合金(NiFe)发生反应的溶液(例如：一种Ta腐蚀液为K₂CrO₇+NaOH+C₄H₄O₆KNa+H₂O，一种NiFe合金的腐蚀液为HNO₃+HCl+CH₃COOH+H₂O)湿法腐蚀Ta/NiFe/Ta多层膜(图2.3)，最后除去光刻胶e，以得到各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条(图2.4)。
上述蚀刻方法都存在一些缺陷。
离子束刻蚀(IBE)制备出的各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条图形质量比较好，但大面积刻蚀速率均匀的离子束源制作困难，而且IBE对不同材料刻蚀速的选择性不高，采用离子束刻蚀(IBE)制备各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条时必然过刻，对基片造成损伤(如图3所示)，此问题在刻蚀大面积基片时更为突出。
反应离子刻蚀(RIE)对不同材料的选择性比离子束刻蚀(IBE)高，但很难找到合适的反应气体来刻蚀坡莫合金。
湿法腐蚀对不同材料的选择性很高，但由于光刻胶抗蚀能力不强以及湿法腐蚀固有的横向钻蚀效应，腐蚀出的各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条边缘很容易出现锯齿状缺陷，如图4所示，降低了电阻条的各向异性磁电阻效应，严重影响器件性能。
发明内容
鉴于上述各种蚀刻方法的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种多层膜的干湿结合蚀刻方法，特别是针对各向异性磁电阻效应(AMR)多层膜的蚀刻方法，该方法易于实现、而且对基片损伤小，制备出的各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条边缘整齐，图形质量高。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种多层膜的干湿结合蚀刻方法，其包括：
干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的保护层；
湿法腐蚀各向异性磁电阻效应薄膜的坡莫合金层；
干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的过渡层。
所述的方法，其包括以下步骤：
(a)根据需要，准备各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜；
(b)首先，在各向异性磁电阻效应薄膜上形成光刻胶掩膜层；
(c)接着，以所述光刻胶掩膜层作为掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的保护层；
(d)然后，以上述干法刻蚀后的保护层作为掩膜，利用化学方法湿法腐蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的坡莫合金层；
(e)再后，重新在各向异性磁电阻效应薄膜上形成光刻胶掩膜层，并以此为掩膜利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的过渡层；
(f)得成品。
所述的方法，其包括以下步骤：
(a)根据需要，准备各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜；
(b)首先，在各向异性磁电阻效应薄膜上形成光刻胶掩膜层；
(c)接着，以所述光刻胶掩膜层作为掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的保护层；
(d)然后，以上述干法腐蚀后的保护层作为掩膜，利用化学方法湿法腐蚀各向异性磁电阻效应薄膜中的坡莫合金层；
(e)最后，不使用任何掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的过渡层，同时减薄保留下的各向异性磁电阻效应电阻条上的保护层；
(f)得成品。
所述的方法，其所述各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜是由过渡层/坡莫合金/保护层组成的多层膜，为钽(Ta)/坡莫合金(NiFe)/钽(Ta)。
所述的方法，其所述化学方法湿法腐蚀，是使用硝酸(HNO₃)、磷酸(H₃PO₄)、水(H₂O)的混合液，或使用硝酸(HNO₃)、乙酸(CH₃COOH)、水(H₂O)的混合液，在一定温度下腐蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的坡莫合金(NiFe)层；其混合液的体积比为HNO₃/H₃PO₄/H₂O＝1/3/20或HNO₃/CH₃COOH/H₂O＝1/3/20。
所述的方法，其所述干法刻蚀方法，包括各种离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)以及等离子刻蚀(PE)。
所述的方法，其所述干法刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的保护层，是利用磁增强反应离子刻蚀(MERIE)机刻蚀各向异性磁电阻效应薄膜的钽保护层，反应气体SF₆，流量为29~31sccm，RF功率为48~52W，刻蚀时间为79~81Sec。
所述的方法，其在蚀刻各向异性磁电阻效应薄膜的保护层和坡莫合金层后，不再蚀刻各向异性磁电阻效应薄膜的过渡层，而在后续工艺中采取其它措施消除或降低未被腐蚀的各向异性磁电阻效应薄膜过渡层对器件性能地影响。
所述的方法，其所述的其它措施，是在蚀刻各向异性磁电阻效应薄膜的保护层和坡莫合金层后，在后续工艺中，以磁增强反应离子刻蚀(MERIE)机，用氧离子处理各向异性磁电阻效应薄膜中未去除的钽过渡层。
所述的方法，其所述的磁增强反应离子刻蚀(MERIE)，反应气体O2，流量为29~31sccm，RF功率为48~52W，处理时间为190~210Sec。
本发明的方法有以下优点：
首先，本发明方法在干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的保护层和过渡层之间利用湿法腐蚀坡莫合金层。由于湿法腐蚀的选择性极佳，在腐蚀坡莫合金层时对各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的钽(Ta)保护层和过渡层影响很小，干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜保护层的不均匀不会影响对(AMR)薄膜钽(Ta)过渡层的蚀刻。而需要进行干法刻蚀的各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜保护层和过渡层都比较薄，可以比较容易地将过刻控制在能够容忍的范围内。与传统的干法刻蚀相比本发明方法降低了对干法刻蚀设备大面积刻蚀速率均匀性的要求。
其次，干法刻蚀坡莫合金大多只能一片一片地进行，速率比较慢，效率比较低，而且干法刻蚀对基片的最大尺寸有一定限制，而湿法腐蚀坡莫合金从理论上讲对基片尺寸没有任何限制，并且可以成批加工。与传统干法刻蚀相比本发明方法只需对比较薄的各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜保护层和过渡层进行干法刻蚀，缩短了干法刻蚀的时间，提高了刻蚀工艺的效率。
此外，本发明在进行湿法化学腐蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的坡莫合金(NiFe)层时利用干法刻蚀后的保护层作为掩膜，替代传统湿法腐蚀工艺中的光刻胶掩膜。各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜保护层(常见的一种是钽(Ta))对坡莫合金(NiFe)腐蚀液的抗蚀能力很强，而且保护层上的图形是由干法刻蚀制备的，图形边缘很整齐，这保证了腐蚀后的各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条边缘整齐，图形质量比较高。
附图说明
图1是形成各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的芯片剖面图；
图2是利用干法或者湿法蚀刻的办法实现各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条成形的工艺过程；
图3是干法刻蚀形成各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条时对基片造成损伤的剖面示意图；
图4是湿法腐蚀形成各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条边缘出现锯齿装缺陷的剖面及正面示意图；
图5是本发明方法一种方案的工艺过程示意图；
图6是本发明方法另一种方案的工艺过程示意图；
图7是本发明具体实现方法中所使用的磁增强反应离子刻蚀机(MERIE)结构示意图；
图8是本发明方法具体实现的工艺过程示意图。
具体实施方式
在说明具体实现方法之前，先简单介绍本发明具体实现方式中使用的仪器装置。本发明具体实现方式中使用一台磁增强反应离子刻蚀机(MERIE)进行干法刻蚀，其结构见图7所示；使用恒温水浴锅控制湿法腐蚀时的温度。
本发明方法的一种方案，如图5所示，为：
首先，在各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜上形成光刻胶掩膜层。所述各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜是由过渡层/坡莫合金/保护层组成的多层膜，一种常用的多层膜为钽(Ta)/坡莫合金(NiFe)/钽(Ta)。
接着，以所述光刻胶掩膜层作为掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中的保护层。所述干法刻蚀方法包括各种离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)以及等离子刻蚀(PE)等，其中一种方法是利用反应离子刻蚀(RIE)作为保护层的钽(Ta)膜。
然后，以上述干法刻蚀后的保护层作为掩膜，利用化学方法湿法腐蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中的坡莫合金层。
最后，重新在各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜上形成光刻胶掩膜层，并以此为掩膜利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中的过渡层。
本发明方法的另一种方案，如图6所示，为：
首先，在各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜上形成光刻胶掩膜层。
接着，以所述光刻胶掩膜层作为掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中的保护层。
然后，以上述干法腐蚀后的保护层作为掩膜，利用化学方法湿法腐蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中的坡莫合金层。
最后，不使用任何掩膜，利用干法刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的过渡层，同时减薄保留下的各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条上的保护层。所述干法刻蚀方法同样包括各种离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀(RIE)以及等离子刻蚀(PE)等，其中一种方法是利用反应离子刻蚀(RIE)作为保护层的钽(Ta)膜。
需要指出的是，刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中过渡层的工艺在一些情况下可以省略，只需在后续工艺中消除或减小未被腐蚀的各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜过渡层对器件性能的影响(如以反应离子刻蚀(RIE)用氧气处理本来需被蚀刻掉的各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜过渡层，使其氧化以增大电阻率，减小未被蚀刻的各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜过渡层对器件性能的影响)。
本发明的具体实现方式省略了蚀刻各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜过渡层(Ta)的工艺，改为在后续工艺中用氧离子处理各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的过渡层。为了更清楚地说明本发明的实现方法，图8包含了各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条蚀刻工艺后续的部分工艺。
结合图8对本发明的具体实现方式说明如下：
(1)在钽(Ta)/坡莫合金(NiFe)/钽(Ta)组成的各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜上涂敷一层厚度为1μm的正性光刻胶膜(e)。
其中钽过渡层(b)、坡莫合金(c)、钽保护层(d)的厚度
分别为3nm、20nm、3nm。(图8.1)
(2)采用曝光技术，在光刻胶膜(e)上形成与所设计各向异性磁电阻效应(AMR)电阻条图形对应的图形。(图8.2)
(3)以上述光刻胶膜(e)作为掩膜，利用磁增强反应离子刻蚀(MERIE)机刻蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的钽保护层(d)。反应气体SF₆流量为30sccm，RF功率为50W，刻蚀时间为80Sec。由于MERIE的选择性，坡莫合金(NiFe)层(c)几乎不被刻蚀。(图8.3)
(4)利用有机溶剂丙酮、乙醇等除去干法刻蚀后残余的光刻胶膜(e)。(图8.4)
(5)以各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜的钽保护层(d)作为掩膜，利用湿法腐蚀各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中的坡莫合金(NiFe)层(c)。腐蚀液为硝酸(HNO₃)、磷酸(H₃PO₄)、水(H₂O)的混合液，其体积比为HNO₃/H₃PO₄/H₂O＝1/3/20，腐蚀温度为40℃，时间为100Sec。另外一种腐蚀液为硝酸(HNO₃)、乙酸(CH₃COOH)、水(H₂O)的混合液，其体积比为HNO₃/CH₃COOH/H₂O＝1/3/20，腐蚀温度为40℃，时间为100Sec。(图8.5)
(6)在各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜表面利用剥离(lift-off)技术沉积铜/金(Cu/Au)双层膜形成所需电极(如barber电极、压焊块等)(f)。(图8.6)
(7)以磁增强反应离子刻蚀(MERIE)机，用氧离子处理各向异性磁电阻效应(AMR)薄膜中未去除的钽过渡层。反应气体O₂流量为30sccm，RF功率为50W，处理时间为200Sec。(图8.7)
经过氧离子处理，钽过渡层部分氧化，电阻率急剧升高，未去除的钽过渡层对各向异性磁电阻效应(AMR)器件的影响可以忽略。同时，氧离子处理也清洁了铜/金(Cu/Au)电极表面，利于后工序的压焊、封装等。