一種利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊檢測(cè)區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)即時(shí)反映刻蝕槽深的目的，采用MEMS加工工藝制備檢測(cè)區(qū)域，利用電流計(jì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)讀取。該方法中通過(guò)采用SOI硅片以及MEMS加工工藝實(shí)現(xiàn)了功能區(qū)域和檢測(cè)區(qū)域良好的電學(xué)隔離，避免檢測(cè)電流對(duì)功能器件區(qū)造成損害。同時(shí)，通過(guò)圖形轉(zhuǎn)移在檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)功能區(qū)域刻蝕窗口的復(fù)制，保證檢測(cè)區(qū)域的刻蝕條件和功能區(qū)域趨于一致。最后對(duì)檢測(cè)區(qū)域深槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格地電學(xué)建模計(jì)算，獲得刻蝕深度和電流信號(hào)之間的關(guān)系，并以此通過(guò)電流計(jì)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)刻蝕槽深的即時(shí)監(jiān)控。
【專利說(shuō)明】一種利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工工藝領(lǐng)域，通過(guò)在需要刻蝕深槽結(jié)構(gòu)的硅片上設(shè)計(jì)檢測(cè)區(qū)域，利用微小電流計(jì)器測(cè)量檢測(cè)結(jié)構(gòu)上通過(guò)的電流大小，并以此為標(biāo)準(zhǔn)，確定硅片上刻蝕的即時(shí)深度，達(dá)到時(shí)刻觀察刻蝕槽深的目的。

【背景技術(shù)】
[0002]微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是微電子技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方向，而刻蝕技術(shù)是MEMS加工工藝中實(shí)現(xiàn)材料去除，圖像轉(zhuǎn)移以及核心結(jié)構(gòu)制備的重要手段?，F(xiàn)行的刻蝕技術(shù)主要分為濕法腐蝕和干法刻蝕，由于濕法腐蝕很難獲得較高的深寬比，故在實(shí)現(xiàn)深槽結(jié)構(gòu)時(shí)往往應(yīng)用的是干法刻蝕技術(shù)。而在干法刻蝕技術(shù)中，現(xiàn)今最為廣泛應(yīng)用的是等離子反應(yīng)刻蝕技術(shù)。此類刻蝕技術(shù)的反應(yīng)過(guò)程是發(fā)生在特制的密閉刻蝕腔體內(nèi)，由于等離子體自身性質(zhì)和腔內(nèi)電磁、流體環(huán)境的復(fù)雜，在反應(yīng)過(guò)程中很難獲得一個(gè)即時(shí)并且精確的刻蝕速率。因此，現(xiàn)階段對(duì)刻蝕程度的估計(jì)主要依靠于以往的經(jīng)驗(yàn)，并且在大致刻蝕時(shí)間完成后，將刻蝕硅片從刻蝕設(shè)備中取出，置于顯微鏡下觀察，以此判別刻蝕是否完成。這種方法在操作上較為復(fù)雜，并且刻蝕硅片反復(fù)進(jìn)出刻蝕設(shè)備，不僅可能使刻蝕硅片受到污染，還有可能想刻蝕腔體內(nèi)引入污染源。同時(shí)隨著刻蝕尺度逐漸減小，刻蝕深寬比逐漸增大，通過(guò)普通光學(xué)顯微鏡觀察刻蝕槽深已經(jīng)越發(fā)難以實(shí)現(xiàn)。而除此之外，在MEMS刻蝕過(guò)程中往往還會(huì)采用過(guò)刻手段，即在以往經(jīng)驗(yàn)刻蝕速率的基礎(chǔ)上，將刻蝕時(shí)間調(diào)整至略大于所需時(shí)間，以此來(lái)解決刻蝕深度不夠的問(wèn)題。而此種方法則明顯會(huì)使刻蝕完成結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果間產(chǎn)生偏差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊檢測(cè)區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)即時(shí)反映刻蝕深度的方法，在不中斷刻蝕進(jìn)程的同時(shí)，做到將刻蝕深度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)檢測(cè)儀器進(jìn)行即時(shí)讀取。
[0004]本發(fā)明設(shè)計(jì)的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，包括下述步驟:
[0005]I)選擇SOI硅片作為芯片基片；
[0006]2)在基片上光刻定義并刻蝕出與功能區(qū)域電學(xué)絕緣的獨(dú)立的檢測(cè)區(qū)域；
[0007]3)在上述檢測(cè)區(qū)域制作成對(duì)的檢測(cè)電極；
[0008]4)在檢測(cè)電極上制作保護(hù)層；
[0009]5)在檢測(cè)區(qū)域光刻出和功能區(qū)域刻蝕窗口一樣大小和形狀的檢測(cè)刻蝕窗口 ；
[0010]6)在基片的功能區(qū)域和檢測(cè)區(qū)域同時(shí)進(jìn)行刻蝕；
[0011 ] 7)刻蝕完成后利用電流表測(cè)量檢測(cè)電極間電流大小；
[0012]8)將測(cè)量得到的電流大小和理論曲線對(duì)比，獲取刻蝕槽深度。
[0013]上述步驟2)和6)中的刻蝕采用MEMS刻蝕工藝，選自反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、反應(yīng)離子深刻蝕(DRIE)和先進(jìn)硅刻蝕(ASE)技術(shù)手段中的一種。
[0014]上述步驟2)中，刻蝕深度值為SOI硅片正面硅層厚度，利用刻蝕工藝刻穿正面硅層。
[0015]上述步驟2)中，若功能區(qū)域存在多個(gè)不同大小刻蝕窗口，將刻蝕多個(gè)獨(dú)立檢測(cè)區(qū)域(如果功能區(qū)域存在多個(gè)相同大小的刻蝕窗口，則刻蝕一個(gè)與功能區(qū)域電學(xué)絕緣的獨(dú)立檢測(cè)區(qū)域即可)。
[0016]上述步驟3)中，通過(guò)光刻電極位置，采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法制作檢測(cè)電極，制作檢測(cè)電極的材料優(yōu)選為多晶硅(Poly - Si)。
[0017]上述步驟4)中，通過(guò)在檢測(cè)區(qū)域光刻，用光刻膠定義并保護(hù)檢測(cè)電極，形成檢測(cè)電極保護(hù)層。
[0018]上述步驟4)中，還包括在淀積檢測(cè)電極保護(hù)層之后，將基片放于N2氣氛下退火。
[0019]上述步驟5)中，檢測(cè)刻蝕窗口的數(shù)目由功能區(qū)域刻蝕窗口大小及形狀決定，其數(shù)目與檢測(cè)區(qū)域的數(shù)目一致，其中檢測(cè)刻蝕窗口的位置位于兩檢測(cè)電極之間。
[0020]上述步驟8)中，采用分布方法對(duì)刻蝕槽深度對(duì)刻蝕槽間電流影響進(jìn)行建模，得到理論曲線；具體的建模過(guò)程如下:其中刻蝕過(guò)程中各參數(shù)如圖2和圖3所示，其中h為刻蝕深度，U為所加電壓，I為檢測(cè)電流，r為體娃電阻率,W為刻蝕槽寬,L為區(qū)域長(zhǎng)度,R為總體電阻，h0為SOI硅片上層硅層厚度，Δ h為刻蝕深度h分布步長(zhǎng)，若Rn為第η步求解電阻大小，則區(qū)域總電阻可以通過(guò)以下過(guò)程編程實(shí)現(xiàn)求解:
[0021]Rl = r1+r2+r1 = 2rX (WL)/ Δ h+r X (L Δ h) /ff
[0022]R2 = 2r1+l/(l/r2+l/R1)
[0023]......
[0024]R = Rn = 2r3+l/ (l/r2+l/Rn_ ^
[0025]其中n = Qltl — h)/ Λ h，根據(jù)以上建模過(guò)程，即可得到檢測(cè)區(qū)域電阻和刻蝕深度h的函數(shù)關(guān)系式R(h)，顯然當(dāng)Λ h取值較小時(shí)，該方法可以較準(zhǔn)確擬合檢測(cè)區(qū)域電阻大小。
[0026]而電流曲線則由I = U/R(h)獲得。
[0027]本發(fā)明提出了一種通過(guò)設(shè)計(jì)特殊檢測(cè)區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)即時(shí)反映刻蝕槽深的方法，采用MEMS加工工藝制備檢測(cè)區(qū)域，利用電流計(jì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)讀取。該方法中通過(guò)采用SOI硅片以及MEMS加工工藝實(shí)現(xiàn)了功能區(qū)域和檢測(cè)區(qū)域良好的電學(xué)隔離，避免檢測(cè)電流對(duì)功能器件區(qū)造成損害。同時(shí)，通過(guò)圖形轉(zhuǎn)移在檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)功能區(qū)域刻蝕窗口的復(fù)制，保證檢測(cè)區(qū)域的刻蝕條件和功能區(qū)域趨于一致。最后對(duì)檢測(cè)區(qū)域深槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格地電學(xué)建模計(jì)算，獲得刻蝕深度和電流信號(hào)之間的關(guān)系，并以此通過(guò)電流計(jì)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)刻蝕槽深的即時(shí)監(jiān)控。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的檢測(cè)方法具有以下優(yōu)勢(shì):
[0029]1.更加方便和準(zhǔn)確，通過(guò)電流計(jì)可以直觀地獲取電信號(hào)，能夠即時(shí)地確定刻蝕槽深度，無(wú)需中斷刻蝕進(jìn)程；
[0030]2.利于即時(shí)監(jiān)控，能夠更加準(zhǔn)確把握刻蝕進(jìn)程，避免過(guò)刻蝕對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損害；
[0031]3.利于尺寸縮小的發(fā)展趨勢(shì)，由于檢測(cè)信號(hào)為電信號(hào)，不受深寬比和尺寸對(duì)光學(xué)反射的限制，在小尺寸和深槽情況依舊可以保持檢測(cè)穩(wěn)定；

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1 (a)~圖1 (g)為具體實(shí)施例中利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法工藝流程示意圖，其中:
[0033]圖1 (a)為SOI基片的示意圖；
[0034]圖1 (b)為基片DRIE刻蝕隔離檢測(cè)器件槽圖；
[0035]圖1(c)為淀積檢測(cè)電極示意圖；
[0036]圖1(d)為光刻膠保護(hù)電極示意圖；
[0037]圖1(e)?圖1(g)為檢測(cè)區(qū)域與功能區(qū)域同窗口大小刻蝕示意圖；
[0038]具體有I一SOI基片,2—功能區(qū)域，3—檢測(cè)區(qū)域，4一多晶娃電極，5—檢測(cè)電極保護(hù)層，6—檢測(cè)刻蝕窗口，7—檢測(cè)刻蝕深槽。
[0039]圖2(a)為檢測(cè)區(qū)域截面示意圖。
[0040]圖2(b)為檢測(cè)區(qū)域俯視示意圖。
[0041]圖3為檢測(cè)區(qū)域電學(xué)電阻分布示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0042]下面通過(guò)具體實(shí)施例，并配合附圖，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0043]實(shí)施例1:
[0044]本實(shí)施例的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法具體實(shí)現(xiàn)工藝如圖1 (a)?圖1 (g)所示，具體說(shuō)明如下:
[0045]1、備片:S0I基片I作為芯片的基片，如圖1(a)所不。
[0046]2、在基片上采用MEMS工藝光刻并定義出檢測(cè)區(qū)域3，利用刻蝕工藝隔離檢測(cè)區(qū)域3和功能區(qū)域2，包括:DRIE Si 3000 A;如圖1(b)所示。
[0047]刻蝕深度值為SOI硅片正面硅層厚度，利用刻蝕工藝刻穿正面硅層，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域3和功能區(qū)域2的電學(xué)絕緣。
[0048]也就是說(shuō)，本發(fā)明中通過(guò)埋氧層隔離器件功能區(qū)域和檢測(cè)區(qū)域，在進(jìn)行隔離的刻蝕中，刻蝕深度必須是埋氧層裸露，圖1(b)中的槽為隔離槽，深度必須達(dá)到埋氧，后面的檢測(cè)刻蝕深槽7的刻蝕深度可以是任意的。
[0049]3、利用LPCVD技術(shù)淀積多晶硅，在檢測(cè)區(qū)域3光刻并刻蝕出成對(duì)的檢測(cè)電極——多晶硅電極4，包括:LPCVDSi30ym，DRIESi30 μ m ;如圖1(c)所示。
[0050]4、在檢測(cè)區(qū)域3光刻，用光刻膠定義并保護(hù)檢測(cè)電極，形成檢測(cè)電極保護(hù)層5 ;如圖1 (d)所示。
[0051]5、將基片放于N2氣氛下退火Imin。
[0052]在N2氣氛下進(jìn)行退火處理可以使多晶硅電極更加致密，減小電極接觸引入的誤差;
[0053]6、在檢測(cè)區(qū)域3的成對(duì)電極間光刻出和功能區(qū)域2—樣大小的檢測(cè)刻蝕窗口 6，如圖1 (e)所示，隨后在基片的功能區(qū)域2和檢測(cè)區(qū)域3同時(shí)進(jìn)行相關(guān)刻蝕；形成檢測(cè)刻蝕深槽7，如圖1 (f)所示。
[0054]刻蝕時(shí)間，壓強(qiáng)，電壓等工藝條件由功能區(qū)域2制作工藝決定。
[0055]7、去膠，如圖1(g)所示。利用電流表測(cè)量檢測(cè)電極間電流大小，并與建模獲取參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，獲取刻蝕槽深度信息。
[0056]具體的建模過(guò)程如下:其中刻蝕過(guò)程中各參數(shù)如圖2和圖3所示，其中h為刻蝕深度，U為所加電壓，I為檢測(cè)電流，r為體硅電阻率，W為刻蝕槽寬，L為區(qū)域長(zhǎng)度，R為總體電阻，ho為SOI硅片上層硅層厚度，Δ h為刻蝕深度h分布步長(zhǎng)，若Rn為第η步求解電阻大小，則區(qū)域總電阻可以通過(guò)以下過(guò)程編程實(shí)現(xiàn)求解:
[0057]Rl = r1+r2+r1 = 2rX (WL)/ Δ h+r X (L Δ h) /ff
[0058]R2 = 2^+1/(1/^+1/?)
[0059]......
[0060]R = Rn = 2r3+l/ (l/r2+l/Rn_ ^
[0061]其中n = Qltl — h)/ Λ h，根據(jù)以上建模過(guò)程，即可得到檢測(cè)區(qū)域電阻和刻蝕深度h的函數(shù)關(guān)系式R(h)，顯然當(dāng)Λ h取值較小時(shí)，該方法可以較準(zhǔn)確擬合檢測(cè)區(qū)域電阻大小。
[0062]而電流曲線則由I = U/R(h)獲得。
[0063]具體參照以上模型，由于對(duì)于不同的工藝條件下檢測(cè)區(qū)域中的體硅電阻率和區(qū)域長(zhǎng)寬均有較大變化，在具體實(shí)施過(guò)程中通過(guò)matlab進(jìn)行編程便可以方便得到數(shù)值曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，包括下述步驟: 1)選擇SOI硅片作為芯片基片； 2)在基片上光刻定義并刻蝕出與功能區(qū)域電學(xué)絕緣的獨(dú)立的檢測(cè)區(qū)域； 3)在上述檢測(cè)區(qū)域制作成對(duì)的檢測(cè)電極； 4)在檢測(cè)電極上制作保護(hù)層； 5)在檢測(cè)區(qū)域光刻出和功能區(qū)域刻蝕窗口一樣大小和形狀的檢測(cè)刻蝕窗口； 6)在基片的功能區(qū)域和檢測(cè)區(qū)域同時(shí)進(jìn)行刻蝕； 7)刻蝕完成后利用電流表測(cè)量檢測(cè)電極間電流大?。? 8)將測(cè)量得到的電流大小和理論曲線對(duì)比，獲取刻蝕槽深度。
2.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟2)和6)中的刻蝕采用MEMS刻蝕工藝，選自反應(yīng)離子刻蝕、反應(yīng)離子深刻蝕和先進(jìn)硅刻蝕技術(shù)手段中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟2)中，刻蝕深度值為SOI硅片正面硅層厚度，利用刻蝕工藝刻穿正面硅層。
4.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟2)中，若功能區(qū)域存在多個(gè)不同大小刻蝕窗口，則刻蝕多個(gè)獨(dú)立檢測(cè)區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟3)中，通過(guò)光刻電極位置，采用低壓化學(xué)氣相淀積方法制作檢測(cè)電極。
6.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟3)中，制作檢測(cè)電極的材料為多晶硅。
7.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟4)中，通過(guò)在檢測(cè)區(qū)域光刻，用光刻膠定義并保護(hù)檢測(cè)電極，形成檢測(cè)電極保護(hù)層。
8.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟4)中，還包括在淀積檢測(cè)電極保護(hù)層之后，將基片放于N2氣氛下退火。
9.如權(quán)利要求1所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟5)中，所述檢測(cè)刻蝕窗口的數(shù)目由功能區(qū)域刻蝕窗口大小及形狀決定，其數(shù)目與檢測(cè)區(qū)域的數(shù)目一致，其中檢測(cè)區(qū)域刻蝕窗口的位置位于兩檢測(cè)電極之間。
10.如權(quán)利要求1- 9任一所述的利用電流變化檢測(cè)刻蝕槽深的方法，其特征在于，步驟8)中，采用分布方法對(duì)刻蝕槽深度對(duì)刻蝕槽間電流影響進(jìn)行建模，得到理論曲線；具體的建模過(guò)程如下:其中h為刻蝕深度，U為所加電壓，I為檢測(cè)電流，r為體硅電阻率，W為刻蝕槽寬，L為區(qū)域長(zhǎng)度，R為總體電阻，h0為SOI硅片上層硅層厚度，Δ h為刻蝕深度h分布步長(zhǎng)，若Rn為第η步求解電阻大小，則區(qū)域總電阻通過(guò)以下過(guò)程編程實(shí)現(xiàn)求解:
Rl = r1+r2+r1 = 2rX (WL)/ Δ h+r X (L Δ h) /ff R2 = 2^+1/(1/^+1/?)
R = Rn = 2r3+l/(l/r2+l/Rn—丄) 其中η = Qltl — h)/ Λ h，根據(jù)以上建模過(guò)程，即可得到檢測(cè)區(qū)域電阻和刻蝕深度h的函數(shù)關(guān)系式R(h)，顯然當(dāng)Λ h取值較小時(shí)，該方法可以較準(zhǔn)確擬合檢測(cè)區(qū)域電阻大小； 電流曲線則由I = U/R(h)獲得。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK104048592SQ201410174912
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】張立, 何軍, 張大成, 黃賢, 趙丹淇, 王瑋, 楊芳, 田大宇, 劉鵬, 李婷, 羅葵 申請(qǐng)人:北京大學(xué), 北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院無(wú)錫產(chǎn)學(xué)研合作教育基地