CN104089572A - 一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，仅在功能区域进行刻蚀工艺前添加上述工艺流程，避免增加功能器件设计的复杂；利用检测区域电容变化反应功能区域侧壁粗糙，减小了小尺寸带来的误差，同时避免裂断面等对器件结构有损害的操作，实现对刻蚀结构的无损检测；检测区域数目由功能区域刻蚀窗口大小种类决定，实现了更加精准地检测不同条件下的刻蚀侧壁粗糙目的，同时实现对不同刻蚀条件下侧壁粗糙的一步检测。本发明设计的工艺流程简单，各工序均为成熟技术，工艺难度较低，实现简便，易于操作。

Description

一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，特别应用于刻蚀工艺中的等离子刻蚀技术，通过设计独立检测区域，对检测结构电容测量用以反映刻蚀工艺中侧壁粗糙。

背景技术

刻蚀工艺是MEMS加工工艺中一项十分重要的单项工艺，是实现微机电系统功能结构的一个不可或缺的技术手段。现行MEMS加工工艺中的刻蚀工艺主要分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向同性刻蚀主要运用在大尺寸，球面等对身宽比无较高要求的结构当中，侧壁粗糙对于这类器件的影响一般较小。各向异性刻蚀主要应用在高身宽比的深槽结构，随着MEMS器件尺寸的减小以及三维MEMS器件的发展，刻蚀工艺中引入的侧壁粗糙度对这类器件整体性能的影响越来越大。现行的各向异性刻蚀工艺的主流实现技术手段是等离子反应刻蚀，其设备主要由等离子激发部分和刻蚀反应部分构成，整体实现过程都在密闭腔体内进行。由于等离子模型和刻蚀反应模型的复杂，理论上无法准确地预测不同刻蚀条件下侧壁的具体粗糙度，同时由于刻蚀过程发生在设备的密闭腔体内，很难做到实时监测刻蚀过程中侧壁粗糙的变化。

以往的研究往往注重刻蚀深槽的侧壁垂直度以及深槽底面粗糙度，对于侧壁的粗糙度往往忽略不计，其检测也一般通过电镜对器件结构进行断面观察，利用电镜照片估算粗糙度，这种方法在大尺寸，身宽比不高的结构中可以适用，但是对于小尺寸和高身宽比结构，断面的获取很容易破坏功能结构，并且容易引人非刻蚀的侧壁粗糙，而且随着器件结构的复杂性提高，同一硅片上将存在差异很大的刻蚀窗口，一处断面的侧壁粗糙无法反映其他刻蚀条件下形成的侧壁粗糙，同时电镜照片估算也不能直观反映侧壁粗糙对于器件的电学性能的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，以满足现行小尺寸，高身宽比MEMS器件结构中侧壁粗糙监测的需求，同时减低检测过程对刻蚀引入的污染以及对结构造成的损伤，并且实现更加直观地反应侧壁粗糙对器件电学性能的影响。通过设计独立检测区域，利用检测区域电容变化反应功能区域侧壁粗糙，实现简化检测步骤，调高检测精度的目标。

本发明提出了一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，包括下述步骤：

1)选择SOI硅片作为芯片基片；

2)在基片上光刻定义并刻蚀出与功能区域电学绝缘的独立的检测区域；

3)在上述检测区域制作成对的检测电极；

4)在检测电极上制作保护层；

5)在检测区域光刻出和功能区域刻蚀窗口一样大小和形状的检测刻蚀窗口；

6)在基片的功能区域和检测区域同时进行刻蚀，形成检测刻蚀深槽；

7)刻蚀完成后测量检测电极间电容大小；

8)将测量得到的电容大小和理论曲线对比，获取刻蚀侧壁粗糙度。

上述步骤2)和6)中的刻蚀采用MEMS刻蚀工艺，选自反应离子刻蚀(RIE)、反应离子深刻蚀(DRIE)和先进硅刻蚀(ASE)技术手段中的一种。

上述步骤2)和6)中，刻蚀深度值为SOI硅片正面硅层厚度，利用刻蚀工艺刻穿正面硅层。

上述步骤2)中，若功能区域存在多个不同大小刻蚀窗口，将刻蚀多个独立检测区域(如果功能区域存在多个相同大小的刻蚀窗口，则刻蚀一个与功能区域电学绝缘的独立检测区域即可)。

上述步骤3)中，通过光刻电极位置，采用低压化学气相淀积(LPCVD)方法制作检测电极，制作检测电极的材料优选为多晶硅(Poly‐Si)。

上述步骤4)中，通过在检测区域光刻，用光刻胶定义并保护检测电极，形成检测电极保护层。

上述步骤4)中，还包括在形成检测电极保护层之后，将基片放于N₂气氛下退火。

上述步骤5)中，检测刻蚀窗口的数目由功能区域刻蚀窗口的大小及形状决定，其数目与检测区域的数目一致，其中检测刻蚀窗口的位置位于两检测电极之间。

上述步骤8)中，采用分布方法对侧壁粗糙对电容影响进行建模，得到理论曲线；具体的建模参照如下方法进行：由于等离子刻蚀的特点，深槽侧壁粗糙的最主要形貌为螺纹状弧形粗糙，将粗糙尺寸具体标衬为该螺纹半圆半径大小，则可以建立如图2所示的深槽侧壁模型，而后通过ANSYS可以进行不同半径尺寸下电容大小的计算仿真，得到具体的理论曲线。

采用上述工艺能够完成对MEMS加工工艺中刻蚀侧壁粗糙的测量，由于采用SOI基片以及利用刻蚀隔离检测区域和功能区域，此种方法在检测过程中避免了对功能区域的电学损伤。同时粗糙度直接由电学参数反映，更加直观地体现了去对电学性能的影响，并且不受器件尺寸减小而增大误差。

综上，以上工艺流程配合结构设计特征，为MEMS领域的工艺人员提供了一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法。

本发明提出了一种新的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，采用MEMS加工工艺予以实现。本发明具有以下优势：

1.本发明设计的工艺流程不影响功能区域制作工序，仅在功能区域进行刻蚀工艺前添加上述工艺流程，避免增加功能器件设计的复杂。

2.本发明设计的检测区域注意和功能区域进行电学隔离，避免了检测过程增加功能器件的电学疲劳。

3.本发明设计通过电容电学参数反映刻蚀侧壁粗糙，减小了小尺寸带来的误差，同时避免裂断面等对器件结构有损害的操作，实现对刻蚀结构的无损检测。

4.本发明设计的检测区域数目由功能区域刻蚀窗口大小种类决定，实现了更加精准地检测不同条件下的刻蚀侧壁粗糙目的，同时实现对不同刻蚀条件下侧壁粗糙的一步检测。

5.本发明设计的工艺流程简单，各工序均为成熟技术，工艺难度较低，实现简便，易于操作。

附图说明

图1(a)～图1(g)为具体实施例中利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法工艺流程示意图，其中：

图1(a)为SOI基片的示意图；

图1(b)为基片DRIE刻蚀隔离检测器件槽示意图；

图1(c)为淀积检测电极示意图；

图1(d)为光刻胶保护电极示意图；

图1(e)～图1(g)为检测区域与功能区域同窗口大小刻蚀示意图；

具体有1—SOI基片，2—功能区域，3—检测区域，4—多晶硅电极，5—检测电极保护层，6—检测刻蚀窗口，7—检测刻蚀深槽。

图2是本发明中采用分布方法建立的深槽侧壁模型。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做详细的说明。

实施例1：

本实施例的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法具体实现工艺如图1(a)～图1(g)所示，具体说明如下：

1、备片：SOI基片1作为芯片的基片，如图1(a)所示。

2、在基片上采用MEMS工艺光刻并定义出检测区域3，利用刻蚀工艺隔离检测区域3和功能区域2，包括：DRIE Si如图1(b)所示。

刻蚀深度值为SOI硅片正面硅层厚度，利用刻蚀工艺刻穿正面硅层，实现检测区域3和功能区域2的电学绝缘。

也就是说，本发明中通过埋氧层隔离器件功能区域和检测区域，在进行隔离的刻蚀中，刻蚀深度必须是埋氧层裸露，图1(b)中的槽为隔离槽，深度必须达到埋氧层，同时检测刻蚀深槽7的深度必须也是到达埋氧层。

利用LPCVD技术淀积多晶硅，在检测区域3光刻并刻蚀出成对的检测电极——多晶硅电极4，包括：LPCVD Si30μm，DRIE Si30μm；如图1(c)所示。

3、在检测区域3光刻，用光刻胶定义并保护检测电极，形成检测电极保护层5；如图1(d)所示。

4、将基片放于N₂气氛下退火1min。

在N₂气氛下进行退火处理可以使多晶硅电极更加致密，减小电极接触引入的误差；

5、在检测区域3的成对电极间光刻出和功能区域2一样大小的检测刻蚀窗口6，如图1(e)所示，随后在基片的功能区域2和检测区域3同时进行相关刻蚀，形成检测刻蚀深槽7，如图1(f)所示。

刻蚀时间，压强，电压等工艺条件由功能区域2制作工艺决定。

6、去胶，如图1(g)所示。

利用阻抗仪测量检测电极间电容大小，并与建模获取参数进行对比，获取侧壁粗糙信息。

采用分布方法对侧壁粗糙对电容影响进行建模：由于等离子刻蚀的特点，深槽侧壁粗糙的最主要形貌为螺纹状弧形粗糙，将粗糙尺寸具体标衬为该螺纹半圆半径R的大小，则可以建立如图2所示的深槽侧壁模型，而后通过ansys可以进行不同半径尺寸下电容大小的计算仿真，得到具体的理论曲线。

具体的，当刻蚀窗口大小为5μm×2000μm时，粗糙尺度为0.5μm时，其理论仿真值大小为0.51pf，实际测量电容值大小为0.47pf，通过Bruker光学测量系统实际测量，得到其RMS大小为0.44μm，表明该方法可以准确标定刻蚀侧壁粗糙大小。

Claims (9)

1.一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，包括下述步骤：

1)选择SOI硅片作为芯片基片；

2)在基片上光刻定义并刻蚀出与功能区域电学绝缘的独立的检测区域；

3)在上述检测区域制作成对的检测电极；

4)在检测电极上制作保护层；

5)在检测区域光刻出和功能区域刻蚀窗口一样大小和形状的检测刻蚀窗口；

6)在基片的功能区域和检测区域同时进行刻蚀，形成检测刻蚀深槽；

7)刻蚀完成后测量检测电极间电容大小；

8)将测量得到的电容大小和理论曲线对比，获取刻蚀侧壁粗糙度。

2.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤2)和6)中的刻蚀采用MEMS刻蚀工艺，选自反应离子刻蚀、反应离子深刻蚀和先进硅刻蚀技术手段中的一种。

3.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤2)和6)中，刻蚀深度值为SOI硅片正面硅层厚度，利用刻蚀工艺刻穿正面硅层。

4.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤2)中，若功能区域存在多个不同大小刻蚀窗口，则刻蚀多个独立检测区域。

5.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤3)中，通过光刻电极位置，采用低压化学气相淀积方法制作检测电极，制作检测电极的材料为多晶硅。

6.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤4)中，通过在检测区域光刻，用光刻胶定义并保护检测电极，形成检测电极保护层。

7.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤4)中，还包括在形成检测电极保护层之后，将基片放于N₂气氛下退火。

8.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤5)中，所述检测刻蚀窗口的数目由功能区域刻蚀窗口的大小及形状决定，其数目与检测区域的数目一致，其中所述检测刻蚀窗口的位置位于两检测电极之间。

9.如权利要求1所述的利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法，其特征在于，步骤8)中，采用分布方法对侧壁粗糙对电容影响进行建模，得到理论曲线；具体的建模参照如下方法进行：由于等离子刻蚀的特点，深槽侧壁粗糙的最主要形貌为螺纹状弧形粗糙，将粗糙尺寸具体标衬为该螺纹半圆半径大小，建立深槽侧壁模型，而后通过ANSYS进行不同半径尺寸下电容大小的计算仿真，得到具体的理论曲线。