[发明专利]一种利用电容变化检测刻蚀侧壁粗糙的方法

说明书

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。