專利名稱：多層膜的干濕結合蝕刻方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多層膜的蝕刻方法(本件申請文件中將干法刻蝕和濕法腐蝕統(tǒng)稱為蝕刻)，特別是各向異性磁電阻效應(AMR)傳感器制造中所使用的以坡莫合金(NiFe)與鉭(Ta)形成的多層膜的蝕刻方法。
背景技術：
由于各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜能夠制備高集成度器件，因此基于該效應的傳感器具有非常廣泛的用途，如硬盤高密度磁頭、磁編碼器、電子羅盤、動態(tài)汽車目標捕獲及電流傳感器等。各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜結構簡單、制作相對容易、價廉、穩(wěn)定性好，在體積、質(zhì)量及成本上有很大優(yōu)勢，即使在發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(GMR)并且其產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)的今天，用傳統(tǒng)(AMR)薄膜做的硬盤磁頭和傳感器在市場上仍占主流。
用于制備各向異性磁電阻效應(AMR)傳感器的薄膜一般是由過渡層/坡莫合金層/保護層構成的三明治結構，整個薄膜一般沉積在硅或玻璃基片上。通常過渡層和保護層材料采用的是鉭(Ta)，因為它具有比較大的電阻率，而且在薄膜生長的過程中能使NiFe形成很好的FCC(111)結構。
圖1是各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條的芯片剖面圖。如圖1所示，在表面覆蓋絕緣膜的硅片或玻璃基板a上面，形成鉭(Ta)過渡層b，在其上面為坡莫合金(NiFe)層c，最上層為鉭(Ta)保護層d。
一般利用干法刻蝕或者濕法腐蝕的辦法實現(xiàn)各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條的成形，其工藝過程如圖2所示。
首先，如圖2.1所示，在過渡層/坡莫合金/保護層多層膜上涂敷光刻膠e，利用光刻技術得到具有與各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條圖形對應的光刻膠圖形(圖2.2)。接著，將光刻膠圖形作為掩膜，利用離子束刻蝕(IBE)、反應離子刻蝕(RIE)等干法刻蝕Ta/NiFe/Ta多層膜，或者利用能與鉭、坡莫合金(NiFe)發(fā)生反應的溶液(例如一種Ta腐蝕液為K2CrO7+NaOH+C4H4O6KNa+H2O，一種NiFe合金的腐蝕液為HNO3+HCl+CH3COOH+H2O)濕法腐蝕Ta/NiFe/Ta多層膜(圖2.3)，最后除去光刻膠e，以得到各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條(圖2.4)。
上述蝕刻方法都存在一些缺陷。
離子束刻蝕(IBE)制備出的各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條圖形質(zhì)量比較好，但大面積刻蝕速率均勻的離子束源制作困難，而且IBE對不同材料刻蝕速的選擇性不高，采用離子束刻蝕(IBE)制備各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條時必然過刻，對基片造成損傷(如圖3所示)，此問題在刻蝕大面積基片時更為突出。
反應離子刻蝕(RIE)對不同材料的選擇性比離子束刻蝕(IBE)高，但很難找到合適的反應氣體來刻蝕坡莫合金。
濕法腐蝕對不同材料的選擇性很高，但由于光刻膠抗蝕能力不強以及濕法腐蝕固有的橫向鉆蝕效應，腐蝕出的各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條邊緣很容易出現(xiàn)鋸齒狀缺陷，如圖4所示，降低了電阻條的各向異性磁電阻效應，嚴重影響器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述各種蝕刻方法的缺陷，本發(fā)明的主要目的在于提供一種多層膜的干濕結合蝕刻方法，特別是針對各向異性磁電阻效應(AMR)多層膜的蝕刻方法，該方法易于實現(xiàn)、而且對基片損傷小，制備出的各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條邊緣整齊，圖形質(zhì)量高。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是提供一種多層膜的干濕結合蝕刻方法，其包括干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的保護層；濕法腐蝕各向異性磁電阻效應薄膜的坡莫合金層；干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的過渡層。
所述的方法，其包括以下步驟(a)根據(jù)需要，準備各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜；
(b)首先，在各向異性磁電阻效應薄膜上形成光刻膠掩膜層；(c)接著，以所述光刻膠掩膜層作為掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的保護層；(d)然后，以上述干法刻蝕后的保護層作為掩膜，利用化學方法濕法腐蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的坡莫合金層；(e)再后，重新在各向異性磁電阻效應薄膜上形成光刻膠掩膜層，并以此為掩膜利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的過渡層；(f)得成品。
所述的方法，其包括以下步驟(a)根據(jù)需要，準備各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜；(b)首先，在各向異性磁電阻效應薄膜上形成光刻膠掩膜層；(c)接著，以所述光刻膠掩膜層作為掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的保護層；(d)然后，以上述干法腐蝕后的保護層作為掩膜，利用化學方法濕法腐蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的坡莫合金層；(e)最后，不使用任何掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的過渡層，同時減薄保留下的各向異性磁電阻效應電阻條上的保護層；(f)得成品。
所述的方法，其所述各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜是由過渡層/坡莫合金/保護層組成的多層膜，為鉭(Ta)/坡莫合金(NiFe)/鉭(Ta)。
所述的方法，其所述化學方法濕法腐蝕，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，在一定溫度下腐蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的坡莫合金(NiFe)層；其混合液的體積比為HNO3/H3PO4/H2O＝1/3/20或HNO3/CH3COOH/H2O＝1/3/20。
所述的方法，其所述干法刻蝕方法，包括各種離子束刻蝕(IBE)、反應離子刻蝕(RIE)以及等離子刻蝕(PE)。
所述的方法，其所述干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的保護層，是利用磁增強反應離子刻蝕(MERIE)機刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的鉭保護層，反應氣體SF6，流量為29~31sccm，RF功率為48~52W，刻蝕時間為79~81Sec。
所述的方法，其在蝕刻各向異性磁電阻效應薄膜的保護層和坡莫合金層后，不再蝕刻各向異性磁電阻效應薄膜的過渡層，而在后續(xù)工藝中采取其它措施消除或降低未被腐蝕的各向異性磁電阻效應薄膜過渡層對器件性能的影響。
所述的方法，其所述的其它措施，是在蝕刻各向異性磁電阻效應薄膜的保護層和坡莫合金層后，在后續(xù)工藝中，以磁增強反應離子刻蝕(MERIE)機，用氧離子處理各向異性磁電阻效應薄膜中未去除的鉭過渡層。
所述的方法，其所述的磁增強反應離子刻蝕(MERIE)，反應氣體O2，流量為29~31sccm，RF功率為48~52W，處理時間為190~210Sec。
本發(fā)明的方法有以下優(yōu)點首先，本發(fā)明方法在干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的保護層和過渡層之間利用濕法腐蝕坡莫合金層。由于濕法腐蝕的選擇性極佳，在腐蝕坡莫合金層時對各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的鉭(Ta)保護層和過渡層影響很小，干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜保護層的不均勻不會影響對(AMR)薄膜鉭(Ta)過渡層的蝕刻。而需要進行干法刻蝕的各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜保護層和過渡層都比較薄，可以比較容易地將過刻控制在能夠容忍的范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)的干法刻蝕相比本發(fā)明方法降低了對干法刻蝕設備大面積刻蝕速率均勻性的要求。
其次，干法刻蝕坡莫合金大多只能一片一片地進行，速率比較慢，效率比較低，而且干法刻蝕對基片的最大尺寸有一定限制，而濕法腐蝕坡莫合金從理論上講對基片尺寸沒有任何限制，并且可以成批加工。與傳統(tǒng)干法刻蝕相比本發(fā)明方法只需對比較薄的各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜保護層和過渡層進行干法刻蝕，縮短了干法刻蝕的時間，提高了刻蝕工藝的效率。
此外，本發(fā)明在進行濕法化學腐蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的坡莫合金(NiFe)層時利用干法刻蝕后的保護層作為掩膜，替代傳統(tǒng)濕法腐蝕工藝中的光刻膠掩膜。各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜保護層(常見的一種是鉭(Ta))對坡莫合金(NiFe)腐蝕液的抗蝕能力很強，而且保護層上的圖形是由干法刻蝕制備的，圖形邊緣很整齊，這保證了腐蝕后的各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條邊緣整齊，圖形質(zhì)量比較高。


圖1是形成各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的芯片剖面圖；圖2是利用干法或者濕法蝕刻的辦法實現(xiàn)各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條成形的工藝過程；圖3是干法刻蝕形成各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條時對基片造成損傷的剖面示意圖；圖4是濕法腐蝕形成各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條邊緣出現(xiàn)鋸齒裝缺陷的剖面及正面示意圖；圖5是本發(fā)明方法一種方案的工藝過程示意圖；圖6是本發(fā)明方法另一種方案的工藝過程示意圖；圖7是本發(fā)明具體實現(xiàn)方法中所使用的磁增強反應離子刻蝕機(MERIE)結構示意圖；圖8是本發(fā)明方法具體實現(xiàn)的工藝過程示意圖。
具體實施例方式
在說明具體實現(xiàn)方法之前，先簡單介紹本發(fā)明具體實現(xiàn)方式中使用的儀器裝置。本發(fā)明具體實現(xiàn)方式中使用一臺磁增強反應離子刻蝕機(MERIE)進行干法刻蝕，其結構見圖7所示；使用恒溫水浴鍋控制濕法腐蝕時的溫度。
本發(fā)明方法的一種方案，如圖5所示，為首先，在各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜上形成光刻膠掩膜層。所述各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜是由過渡層/坡莫合金/保護層組成的多層膜，一種常用的多層膜為鉭(Ta)/坡莫合金(NiFe)/鉭(Ta)。
接著，以所述光刻膠掩膜層作為掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中的保護層。所述干法刻蝕方法包括各種離子束刻蝕(IBE)、反應離子刻蝕(RIE)以及等離子刻蝕(PE)等，其中一種方法是利用反應離子刻蝕(RIE)作為保護層的鉭(Ta)膜。
然后，以上述干法刻蝕后的保護層作為掩膜，利用化學方法濕法腐蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中的坡莫合金層。
最后，重新在各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜上形成光刻膠掩膜層，并以此為掩膜利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中的過渡層。
本發(fā)明方法的另一種方案，如圖6所示，為首先，在各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜上形成光刻膠掩膜層。
接著，以所述光刻膠掩膜層作為掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中的保護層。
然后，以上述干法腐蝕后的保護層作為掩膜，利用化學方法濕法腐蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中的坡莫合金層。
最后，不使用任何掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的過渡層，同時減薄保留下的各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條上的保護層。所述干法刻蝕方法同樣包括各種離子束刻蝕(IBE)、反應離子刻蝕(RIE)以及等離子刻蝕(PE)等，其中一種方法是利用反應離子刻蝕(RIE)作為保護層的鉭(Ta)膜。
需要指出的是，刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中過渡層的工藝在一些情況下可以省略，只需在后續(xù)工藝中消除或減小未被腐蝕的各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜過渡層對器件性能的影響(如以反應離子刻蝕(RIE)用氧氣處理本來需被蝕刻掉的各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜過渡層，使其氧化以增大電阻率，減小未被蝕刻的各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜過渡層對器件性能的影響)。
本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式省略了蝕刻各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜過渡層(Ta)的工藝，改為在后續(xù)工藝中用氧離子處理各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的過渡層。為了更清楚地說明本發(fā)明的實現(xiàn)方法，圖8包含了各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條蝕刻工藝后續(xù)的部分工藝。
結合圖8對本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式說明如下(1)在鉭(Ta)/坡莫合金(NiFe)/鉭(Ta)組成的各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜上涂敷一層厚度為1μm的正性光刻膠膜(e)。
其中鉭過渡層(b)、坡莫合金(c)、鉭保護層(d)的厚度分別為3nm、20nm、3nm。(圖8.1)(2)采用曝光技術，在光刻膠膜(e)上形成與所設計各向異性磁電阻效應(AMR)電阻條圖形對應的圖形。(圖8.2)(3)以上述光刻膠膜(e)作為掩膜，利用磁增強反應離子刻蝕(MERIE)機刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的鉭保護層(d)。反應氣體SF6流量為30sccm，RF功率為50W，刻蝕時間為80Sec。由于MERIE的選擇性，坡莫合金(NiFe)層(c)幾乎不被刻蝕。(圖8.3)(4)利用有機溶劑丙酮、乙醇等除去干法刻蝕后殘余的光刻膠膜(e)。(圖8.4)(5)以各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的鉭保護層(d)作為掩膜，利用濕法腐蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中的坡莫合金(NiFe)層(c)。腐蝕液為硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、水(H2O)的混合液，其體積比為HNO3/H3PO4/H2O＝1/3/20，腐蝕溫度為40℃，時間為100Sec。另外一種腐蝕液為硝酸(HNO3)、乙酸(CH3COOH)、水(H2O)的混合液，其體積比為HNO3/CH3COOH/H2O＝1/3/20，腐蝕溫度為40℃，時間為100Sec。(圖8.5)(6)在各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜表面利用剝離(lift-off)技術沉積銅/金(Cu/Au)雙層膜形成所需電極(如barber電極、壓焊塊等)(f)。(圖8.6)(7)以磁增強反應離子刻蝕(MERIE)機，用氧離子處理各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜中未去除的鉭過渡層。反應氣體O2流量為30sccm，RF功率為50W，處理時間為200Sec。(圖8.7)經(jīng)過氧離子處理，鉭過渡層部分氧化，電阻率急劇升高，未去除的鉭過渡層對各向異性磁電阻效應(AMR)器件的影響可以忽略。同時，氧離子處理也清潔了銅/金(Cu/Au)電極表面，利于后工序的壓焊、封裝等。
權利要求
1.一種多層膜的干濕結合蝕刻方法，其特征在于，包括干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的保護層；濕法腐蝕各向異性磁電阻效應薄膜的坡莫合金層；干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的過渡層。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)根據(jù)需要，準備各向異性磁電阻效應薄膜；(b)首先，在各向異性磁電阻效應薄膜上形成光刻膠掩膜層；(c)接著，以所述光刻膠掩膜層作為掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的保護層；(d)然后，以上述干法刻蝕后的保護層作為掩膜，利用化學方法濕法腐蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的坡莫合金層；(e)再后，重新在各向異性磁電阻效應薄膜上形成光刻膠掩膜層，并以此為掩膜利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的過渡層；(f)得成品。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)根據(jù)需要，準備各向異性磁電阻效應薄膜；(b)首先，在各向異性磁電阻效應薄膜上形成光刻膠掩膜層；(c)接著，以所述光刻膠掩膜層作為掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的保護層；(d)然后，以上述干法腐蝕后的保護層作為掩膜，利用化學方法濕法腐蝕各向異性磁電阻效應薄膜中的坡莫合金層；(e)最后，不使用任何掩膜，利用干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的過渡層，同時減薄保留下的各向異性磁電阻效應電阻條上的保護層；(f)得成品。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述各向異性磁電阻效應薄膜是由過渡層/坡莫合金/保護層組成的多層膜，為鉭(Ta)/坡莫合金(NiFe)/鉭(Ta)。
5.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述化學方法濕法腐蝕，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，在一定溫度下腐蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的坡莫合金(NiFe)層；其混合液的體積比為HNO3/H3PO4/H2O＝1/3/20或HNO3/CH3COOH/H2O＝1/3/20。
6.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述干法刻蝕方法，包括各種離子束刻蝕、反應離子刻蝕以及等離子刻蝕。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的保護層，是利用磁增強反應離子刻蝕機刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的鉭保護層，反應氣體SF6，流量為29~31sccm，RF功率為48~52W，刻蝕時間為79~81Sec。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在蝕刻各向異性磁電阻效應薄膜的保護層和坡莫合金層后，不再蝕刻各向異性磁電阻效應薄膜的過渡層，而在后續(xù)工藝中采取其它措施消除或降低未被腐蝕的各向異性磁電阻效應薄膜過渡層對器件性能的影響。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述的其它措施，是在蝕刻各向異性磁電阻效應薄膜的保護層和坡莫合金層后，在后續(xù)工藝中，以磁增強反應離子刻蝕機，用氧離子處理各向異性磁電阻效應薄膜中未去除的鉭過渡層。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的磁增強反應離子刻蝕，反應氣體O2，流量為29~31sccm，RF功率為48~52W，處理時間為190~210Sec。
全文摘要
本發(fā)明涉及多層膜的蝕刻方法，特別是各向異性磁電阻效應(AMR)傳感器制造中所使用的多層膜的蝕刻方法。一種多層膜的干濕結合蝕刻方法，包括干法刻蝕各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜的保護層；濕法腐蝕各向異性磁電阻效應薄膜的坡莫合金層；干法刻蝕各向異性磁電阻效應薄膜的過渡層。各向異性磁電阻效應(AMR)薄膜為鉭(Ta)/坡莫合金(NiFe)/鉭(Ta)組成的多層膜。本發(fā)明與傳統(tǒng)的方法相比，縮短了刻蝕的時間，提高了刻蝕工藝的效率，電阻條邊緣整齊，圖形質(zhì)量高。
文檔編號H01L43/00GK1617229SQ20031011389
公開日2005年5月18日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權日2003年11月11日
發(fā)明者高曉光, 李建平, 何秀麗 申請人:中國科學院電子學研究所