CN104576431B - 测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法，包括：衬底；形成于衬底上的第一氧化层，形成于第一氧化层上的第二氧化层，形成于第一氧化层和第二氧化层之间的牺牲层图形，第一氧化层和第二氧化层包围牺牲层图形；形成于第二氧化层中的刻蚀孔，刻蚀孔贯穿第二氧化层并暴露牺牲层图形的侧面；形成于第二氧化层表面的若干条刻度线，刻度线位于牺牲层图形的上方且刻度线的排列方向与牺牲层图形的刻蚀方向平行。在本发明提供的测试结构及其制造方法中，通过在氧化层的内部形成牺牲层图形用于模拟MEMS器件的牺牲层，并且在氧化层的表面形成刻度线以精确度量牺牲层图形的刻蚀速率，从而实现牺牲层刻蚀的直接监控。

Description

测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，特别涉及一种测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法。

背景技术

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是指微细加工技术制作的，集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的微型器件或系统，尺寸通常在微米或纳米级。MEMS器件具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点，在许多领域都有着十分广阔的应用前景。

MEMS器件在制造过程中采用了先进的半导体制造工艺，因此可以实现批量制造，并能极好的控制生产成本，提高器件的一致性。MEMS器件的制造过程是以薄膜沉积、光刻、外延、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工过程。

在MEMS器件的制造过程中，一般需要利用牺牲层形成各种结构，即在制作各种结构的过程中形成牺牲层，最后去除牺牲层从而得到想要的器件结构。MEMS器件中常见的氧化物（Oxide）结构和锗化硅（SiGe）结构就是利用牺牲层形成的。请参考图1，其为现有技术的锗化硅结构在牺牲层刻蚀之前的结构示意图。如图1所示，衬底10上形成有锗化硅层12和牺牲层11，锗化硅层12覆盖牺牲层11，所述牺牲层11采用的材料为锗（Ge），所述牺牲层11和锗化硅层12中形成有刻蚀孔13，所述刻蚀孔13贯穿牺牲层11和锗化硅层12。在牺牲层11的刻蚀过程中，药液通过所述刻蚀孔13注入，牺牲层11刻蚀完成后形成锗化硅结构。

请继续参考图1，如图1所示，制作锗化硅结构的基本过程如下：首先，在衬底10上依次形成牺牲层11和锗化硅层12，所述锗化硅层12覆盖所述牺牲层 11，所述牺牲层11采用的材料为锗（Ge）；接着，在所述衬底10上形成有刻蚀孔13，所述刻蚀孔13贯穿锗化硅层12和牺牲层11；然后，通过刻蚀孔13注入高温状态的过氧化氢（H2O2）刻蚀牺牲层11；最后，经过氢氟酸（HF）工艺处理形成锗化硅结构。

形成的锗化硅（SiGe）结构请参考图2，其为现有技术的锗化硅结构在牺牲层刻蚀之后的结构示意图。如图2所示，牺牲层11被完全去除后锗化硅层12的一侧仍与衬底连接，另一侧由于应力的作用出现上翘。通常的，锗化硅层12中出现上翘的侧边的高度与牺牲层11的刻蚀情况有关，牺牲层11刻蚀越多，侧边的上翘高度越高，完全刻蚀后达到最大值。

如图1和图2所示，牺牲层11的刻蚀方向却是横向的（平行于衬底10表面的方向），即在刻蚀过程不断地缩短牺牲层11长度。而其他膜层的刻蚀方向一般是竖向的（垂直于衬底10表面的方向），即在刻蚀过程中不断地减薄膜层的厚度。由于牺牲层11的刻蚀方向与其他膜层的刻蚀方向是不同的，因此，无法使用其他膜层的监控设备和方法来监控牺牲层11的刻蚀速率。

目前，形成锗化硅结构后通过测量锗化硅层12的上翘高度来监控牺牲层11的刻蚀情况。为了监控牺牲层11的刻蚀情况，通常在产品的测试区域中形成与产品的锗化硅结构类似的测试结构，并通过VECOO设备模拟和测量所述测试结构的锗化硅层的上翘高度，由此确定过氧化氢（H2O2）刻蚀牺牲层11的工艺时间。

然而，VECOO设备只能模拟形成锗化硅结构后的锗化硅层的上翘高度，判断所述上翘高度是否达到预定目标。在形成锗化硅结构的过程中，过氧化氢（H2O2）刻蚀牺牲层之后要需要进行氢氟酸（HF）处理等工艺步骤，因此所述上翘高度是过氧化氢（H2O2）刻蚀牺牲层及其后续各种工艺处理的综合结果。因此，只能通过所述上翘高度粗略地判断过氧化氢（H2O2）刻蚀牺牲层的情况，无法直接监控过氧化氢（H2O2）刻蚀牺牲层的情况。氧化物结构与和锗化硅结构类似，同样也无法直接监控牺牲层的刻蚀情况。

因此，如何解决牺牲层刻蚀情况无法直接监控的问题成为当前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法，以解决现有的牺牲层刻蚀情况无法直接监控的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种测试结构，所述测试结构包括：

衬底；

形成于所述衬底上的第一氧化层，形成于所述第一氧化层上的第二氧化层，形成于所述第一氧化层和第二氧化层之间的牺牲层图形，所述第一氧化层和第二氧化层包围所述牺牲层图形；

形成于所述第二氧化层中的刻蚀孔，所述刻蚀孔贯穿所述第二氧化层并暴露所述牺牲层图形的侧面；

形成于所述第二氧化层表面的若干条刻度线，所述刻度线位于所述牺牲层图形的上方且所述刻度线的排列方向与所述牺牲层图形的刻蚀方向平行。

优选的，在所述的测试结构中，其所述刻度线为形成于所述第二氧化层表面的凹槽，所述凹槽的间距相等。

优选的，在所述的测试结构中，所述凹槽的深度是所述第二氧化层厚度的一半。

优选的，在所述的测试结构中，所述第一氧化层和第二氧化层的材料均采用二氧化硅，所述牺牲层的材料采用锗。

本发明还提供一种测试结构的制造方法，所述测试结构用于监控牺牲层的刻蚀过程，所述测试结构的制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上由下至上依次形成第一氧化层和牺牲层;

对所述牺牲层进行第一次刻蚀，形成牺牲层图形；

在所述第一氧化层和牺牲层图形上形成第二氧化层；

对所述第二氧化层进行第二次刻蚀，形成贯穿所述第二氧化层并暴露所述牺牲层图形的侧面的刻蚀孔；

对所述第二氧化层进行第三次刻蚀，在所述第二氧化层的表面形成若干条刻度线，所述刻度线位于所述牺牲层图形的上方且所述刻度线的排列方向与所述牺牲层的刻蚀方向平行。

优选的，在所述的测试结构的制造方法中，所述刻度线为形成于所述第二氧化层表面的凹槽，所述凹槽的间距相等。

优选的，在所述的测试结构的制造方法中，所述凹槽的深度是所述第二氧化层厚度的一半。

优选的，在所述的测试结构的制造方法中，所述第一氧化层和第二氧化层的材料均采用二氧化硅，所述牺牲层的材料采用锗。

本发明还提供一种牺牲层刻蚀工艺的监控方法，所述牺牲层刻蚀工艺的监控方法包括：

在监控对象的测试区域中形成上述的测试结构，所述测试结构中具有与所述监控对象的牺牲层相应的牺牲层图形，所述测试结构的表面排布有与所述牺牲层图形的刻蚀方向相平行的刻度线；

对所述测试结构的牺牲层图形进行刻蚀；

通过自动光学检测设备观察并读取所述牺牲层图形在刻蚀后的刻度值。

在本发明提供的测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法中，通过在氧化层的内部形成牺牲层图形用于模拟MEMS器件的牺牲层，并且在所述氧化层的表面形成刻度线以精确度量所述牺牲层图形的刻蚀速率，从而实现牺牲层刻蚀的直接监控。

附图说明

图1是现有技术的锗化硅结构在牺牲层刻蚀之前的结构示意图；

图2是现有技术的锗化硅结构在牺牲层刻蚀之后的结构示意图；

图3是本发明实施例的测试结构的制造方法的流程图；

图4a至图4g为本发明实施例的测试结构的制作过程的结构示意图；

图5是本发明实施例的测试结构的俯视图；

图6是本发明实施例的测试结构在牺牲层图形被部分刻蚀后的剖视图；

图7是本发明实施例的测试结构在牺牲层图形被部分刻蚀后的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的测试结构及其制造方法和牺牲 层刻蚀工艺的监控方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图5和图6，其为本发明实施例的测试结构的结构示意图。如图5和图6所示，所述测试结构100包括：衬底20；形成于所述衬底20上的第一氧化层21，形成于所述第一氧化层21上的第二氧化层23，形成于所述第一氧化层21和第二氧化层23之间的牺牲层图形22，所述第一氧化层21和第二氧化层23包围所述牺牲层图形22；形成于所述第二氧化层23中的刻蚀孔24，所述刻蚀孔24贯穿所述第二氧化层23并暴露所述牺牲层图形22的侧面；形成于所述第二氧化层23表面的若干条刻度线，所述刻度线位于所述牺牲层图形22的上方且所述刻度线的排列方向与所述牺牲层图形22的刻蚀方向平行。

具体的，所述第一氧化层21和第二氧化层23的材料均采用二氧化硅，包围所述牺牲层图形22的整个氧化层是透明的。而所述牺牲层图形22的材料一般采用金属材料，所述牺牲层图形22是不透明的。本实施例中，所述牺牲层图形22的材料采用锗。

如图5和图6所示，所述第二氧化层23中形成有刻蚀孔24，形成刻蚀孔24的同时暴露出所述牺牲层图形22的一个侧面，所述牺牲层图形22从所述侧面开始进行刻蚀，刻蚀方向与所述侧面垂直。可见，所述牺牲层图形22的刻蚀方向是横向的。

所述第二氧化层23的表面还形成若干条刻度线，所述刻度线位于所述牺牲层图形22的上方，所述刻度线的排列方向与所述牺牲层图形22的刻蚀方向平行。

本实施例中，所述刻度线为形成于所述第二氧化层23表面的凹槽25，所述凹槽25的侧壁与所述牺牲层图形22的表面垂直，所述凹槽25的底部与牺牲层图形22的表面具有一定的距离。优选的，所述凹槽25的深度是所述第二氧化层23厚度的一半，如此能够保证凹槽不会穿透第二氧化层23，刻蚀药液不会通过凹槽与所述牺牲层图形22接触。所述凹槽25位于所述牺牲层图形22的上方，并沿着所述牺牲层图形22的刻蚀方向进行排布。

为方便读取刻度值，本实施例中，所述凹槽25的间距是相等的。所述凹槽 25的间距和数量可以根据精度和工艺要求进行调整。通常的，为了提高精度所述凹槽25的间距要尽可能地小，因此在图形化时一般采用最小线宽形成凹槽图形。所述凹槽25的数量与所述牺牲层图形22的长度有关。如果凹槽25的间距相等，所述牺牲层图形22越长则所述凹槽25的数量越多。反之，如果凹槽25的间距相等，所述牺牲层图形22越短则所述凹槽25的数量越少。

由于包围所述牺牲层图形22的氧化层是透明的，而所述牺牲层图形22是有颜色的，因此可以通过光学检测设备观察到牺牲层图形22的刻蚀情况。在牺牲层图形22刻蚀之后，通过所述测试结构100表面的刻度线可以得到精确的刻蚀速率和刻蚀状态。

相应的，本发明还提供了一种测试结构的制造方法。请参考图3，其为本发明实施例的测试结构的制造方法的流程图。如图3所示，所述测试结构的制造方法包括以下步骤：

S10：提供一衬底；

S11：在所述衬底上由下至上依次形成第一氧化层和牺牲层;

S12：对所述牺牲层进行第一次刻蚀，形成牺牲层图形；

S13：在所述第一氧化层和牺牲层图形上形成第二氧化层；

S14：对所述第二氧化层进行第二次刻蚀，在所述第二氧化层中形成与所述牺牲层图形的侧面连接的刻蚀孔；

S15：对所述第二氧化层进行第三次刻蚀，在所述第二氧化层的表面形成若干条刻度线，所述刻度线位于所述牺牲层图形的上方且所述刻度线的排列方向与所述牺牲层的刻蚀方向平行。

具体的，在步骤S10中，参见图4a，提供一衬底20，所述衬底20为半导体衬底。

在步骤S11中，参见图4b，在所述衬底20上先形成第一氧化层21，第一氧化层21的材料采用二氧化硅，形成所述第一氧化层21工艺方法可以采用现有的化学气相沉积工艺。参见图4c，形成第一氧化层21之后在第一氧化层21上形成牺牲层30，所述牺牲层30的材料采用锗，形成所述牺牲层30工艺方法可以采用现有的低压化学气相沉积工艺。

在步骤S12中，参见图4d，对所述牺牲层30进行第一次刻蚀以形成牺牲层 图形22，第一次刻蚀可以采用现有的等离子体刻蚀工艺。第一次刻蚀形成的牺牲层图形22用以模拟MEMS器件结构中的牺牲层。

在步骤S13中，参见图4e，在所述第一氧化层21和牺牲层图形22上形成第二氧化层23，第二氧化层23和第一氧化层21采用的材料相同，第二氧化层23和第一氧化层21连为一体并包围所述牺牲层图形22，形成所述第二氧化层23的工艺方法可以采用现有的化学气相沉积工艺。

在步骤S14中，参见图4f，对所述第二氧化层23进行第二次刻蚀直至暴露出第一氧化层21的表面，形成刻蚀孔24，所述刻蚀孔24与牺牲层图形22的一个侧面连接。因此，牺牲层图形22可以通过刻蚀孔24与药液接触并发生反应。

在步骤S15中，参见图4g，对所述第二氧化层23进行第三次刻蚀，在所述第二氧化层23的表面形成若干个凹槽25，所述凹槽25位于所述牺牲层图形22的上方，并沿着所述牺牲层图形22的刻蚀方向进行排布。所述凹槽25的侧壁与所述牺牲层图形22垂直，所述凹槽25的底部与牺牲层图形22具有一定的距离。优选的，所述凹槽25的间距相等，所述凹槽25的深度是所述第二氧化层23厚度的一半。若干个间隔均匀的凹槽25构成了一个刻度尺，所述凹槽25为所述刻度尺上的刻度线。其中，第三次刻蚀和第二次刻蚀均可以采用现有的等离子体刻蚀工艺。

最后，在所述刻度线的相应位置形成刻度值。请参考图5，其为本发明实施例的测试结构的俯视图。如图5所示，氧化层的表面设置有多个凹槽25，所述牺牲层图形22的边缘31包围所有凹槽25，每个凹槽25都设置有刻度值，，所述刻度值表示凹槽25到刻蚀孔24的距离，从而方便观察和读取牺牲层图形22的刻蚀速率和刻蚀状态。

至此，形成了所述测试结构100，所述测试结构100具有与MEMS器件相应的牺牲层图形22，牺牲层图形22被刻蚀之后可以通过测试结构100上的刻度线非常容易地得到牺牲层图形22的刻蚀速率，也可以直接监控牺牲层图形22的刻蚀状态。

相应的，本发明还提供了一种牺牲层刻蚀工艺的监控方法，所述牺牲层刻蚀工艺的监控方法包括：

S20：在监控对象的测试区域中形成上述的测试结构100，所述测试结构100 中具有与所述监控对象的牺牲层相应的牺牲层图形22，所述测试结构100的表面排布有与所述牺牲层图形22的刻蚀方向相平行的刻度线；

S21：对所述测试结构100的牺牲层图形22进行刻蚀；

S22：通过自动光学检测设备观察刻蚀后的牺牲层图形22并读取刻蚀长度。

本实施例中，所述监控对象为MEMS器件，所述测试结构100形成与所述MEMS器件的测试区域中，对于实施例公开的牺牲层刻蚀工艺的监控方法而言，由于形成所述测试结构100的具体过程与实施例公开的测试结构的制造方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

请参考图6和图7，其为本发明实施例的测试结构在牺牲层图形被部分刻蚀后的结构示意图。如图6所示，所述牺牲层图形22沿着刻蚀方向被刻蚀了一部分，所述牺牲层图形22的边缘31发生变化，所述牺牲层图形22中靠近刻蚀孔24的一侧与刻蚀孔24之间的距离增加了。如图7所示，所述牺牲层图形22的中靠近刻蚀孔24的一侧正对刻度值为7的凹槽，根据刻度值可以得到所述牺牲层图形22与刻蚀孔24的间距。在工艺过程中可以得到刻蚀长度与刻蚀时间的关系曲线，并根据刻蚀时间和测得的刻蚀长度计算刻蚀速率，确定刻蚀牺牲层的工艺时间。

综上，在本发明实施例提供的测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法中，通过MEMS器件的测试区域形成测试结构，所述测试结构包括不透明的牺牲层图形和包围所述牺牲层图形的透明氧化层，在所述氧化层的表面形成与牺牲层图形对应的刻度线以精确测量所述牺牲层图形的刻蚀速率，并实现牺牲层刻蚀的直接监控。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种测试结构，用于监控牺牲层的刻蚀过程，其特征在于，包括：

衬底；

形成于所述衬底上的第一氧化层，形成于所述第一氧化层上的第二氧化层，形成于所述第一氧化层和第二氧化层之间的牺牲层图形，所述第一氧化层和第二氧化层包围所述牺牲层图形；

形成于所述第二氧化层中的刻蚀孔，所述刻蚀孔贯穿所述第二氧化层并暴露所述牺牲层图形的侧面；

形成于所述第二氧化层表面的若干条刻度线，所述刻度线位于所述牺牲层图形的上方且所述刻度线的排列方向与所述牺牲层图形的刻蚀方向平行。

2.如权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述刻度线为形成于所述第二氧化层表面的凹槽，所述凹槽的间距相等。

3.如权利要求2所述的测试结构，其特征在于，所述凹槽的深度是所述第二氧化层厚度的一半。

4.如权利要求1所述的测试结构，其特征在于，所述第一氧化层和第二氧化层的材料均采用二氧化硅，所述牺牲层的材料采用锗。

5.一种测试结构的制造方法，所述测试结构用于监控牺牲层的刻蚀过程，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上由下至上依次形成第一氧化层和牺牲层；

对所述牺牲层进行第一次刻蚀，形成牺牲层图形；

在所述第一氧化层和牺牲层图形上形成第二氧化层，所述第一氧化层和第二氧化层包围所述牺牲层图形；

对所述第二氧化层进行第二次刻蚀，形成贯穿所述第二氧化层并暴露所述牺牲层图形的侧面的刻蚀孔；

对所述第二氧化层进行第三次刻蚀，在所述第二氧化层的表面形成若干条刻度线，所述刻度线位于所述牺牲层图形的上方且所述刻度线的排列方向与所述牺牲层的刻蚀方向平行。

6.如权利要求5所述的测试结构的制造方法，其特征在于，所述刻度线为形成于所述第二氧化层表面的凹槽，所述凹槽的间距相等。

7.如权利要求6所述的测试结构的制造方法，其特征在于，所述凹槽的深度是所述第二氧化层厚度的一半。

8.如权利要求6所述的测试结构的制造方法，其特征在于，所述第一氧化层和第二氧化层的材料均采用二氧化硅，所述牺牲层的材料采用锗。

9.一种牺牲层刻蚀工艺的监控方法，其特征在于，包括：

在监控对象的测试区域中形成如权利要求1所述的测试结构，所述测试结构中具有与所述监控对象的牺牲层相应的牺牲层图形，所述测试结构的表面排布有与所述牺牲层图形的刻蚀方向相平行的刻度线；

对所述测试结构的牺牲层图形进行刻蚀；

通过自动光学检测设备观察并读取所述牺牲层图形在刻蚀后的刻度值。