一种mems空腔刻蚀工艺中控制各向同性和各向异性深度的方法
【专利摘要】本发明提供一种MEMS空腔刻蚀工艺中控制各向同性和各向异性深度的方法，其包括将MEMS空腔刻蚀工艺分解成各向异性刻蚀步骤、聚合物淀积步骤、底部聚合物轰击的步骤以及各向同性刻蚀的步骤，对各步骤的气体流量、气体比例、时间进行分析，确定各步骤的时间比例，定义出刻蚀不同CD尺寸时，每步菜单参数的设置，本发明的方法能够在工艺开发之前提供合理的工艺菜单，减少开发时间，而且得到良好的刻蚀形貌。
【专利说明】-种MEMS空腔刻蚀工艺中控制各向同性和各向异性深度 的方法 【【技术领域】】
[0001] 本发明是关于半导体制程领域，特别是关于一种MEMS空腔刻蚀工艺中控制各向 同性和各向异性深度的方法。 【【背景技术】】
[0002] MEMS特殊工艺中需要通过刻蚀工艺实现具有特定深度和比例的各向异性腐蚀+ 各向同性腐蚀的空腔结构，运用此种空腔结构实现特殊的功能。例如图1所示的空腔结构。 目前某些刻蚀工艺能够实现此种结构的刻蚀，现有的刻蚀方法是在刻蚀时先预设刻蚀菜单 的各个参数，然后直接一次完成整个空腔的刻蚀，完成整个空腔的刻蚀之后进行电镜分析， 根据分析结果调整菜单中的参数。现有的这种刻蚀方法存在如下缺陷：
[0003] 1、这种刻蚀过程具有盲目性，该种空腔结构的实现需要很多工艺步骤，现有刻蚀 方法不能很好的分析刻蚀过程。刻蚀不同CD尺寸、不同深度比例要求的空腔结构时不能对 各向同性和各向异性刻蚀的比例进行较为精确的控制；
[0004] 2.空腔结构刻蚀菜单调试盲目的调整单步刻蚀时间，并且每次刻蚀一次到位，之 后进行电镜分析，根据分析结果调整菜单，容易使菜单调整的方向产生偏差，刻蚀形貌的各 向同性结构和各向异性空腔结构的形貌较差，且各向同性的深度和各向异性的深度和比例 不具有可控性，对不同CD和深度要求可控性较差，导致某些产品的要求不能得到满足。
[0005] 3.开发时间的浪费，此种方法容易造成开发时间的巨大浪费，甚至得不到需要的 结构。 【
【发明内容】
】
[0006] 本发明的目的在于提供一种能够控制刻蚀形貌、刻蚀深度比例的方法。
[0007] 为达成前述目的，本发明一种MEMS空腔刻蚀工艺中控制各向同性和各向异性深 度的方法，其包括：
[0008] 步骤1 :对硅片进行各向异性刻蚀形成开孔；
[0009] 步骤2 :对经过步骤1各向异性刻蚀后的硅片的开孔淀积聚合物，在开孔的侧壁和 底部形成保护层；
[0010] 步骤3 :对步骤2淀积的聚合物进行轰击，轰击掉开孔底部的淀积聚合物；
[0011] 步骤4 :对步骤3轰击掉底部聚合物的开孔进行各向同性刻蚀，形成空腔；
[0012] 其中步骤1与步骤2的时间比例为1 :3，步骤2与步骤3的时间比例为3 :1，步骤 1与步骤4的时间比例通过工艺要求的各向同性和各向异性深度的比例调整。
[0013] 进一步地，所述步骤1中进行各向异性刻蚀采用的气体为C4F8气体与SF 6气体，所 述各向异性刻蚀包括刻蚀和淀积循环工艺，其中刻蚀时C4F8气体与SF 6气体的流量比为1 : 2,淀积时气体流量比为120 :1。
[0014] 进一步地，所述步骤1中进行各向异性刻蚀采用的气体为C4F8气体与SF 6气体，所 述各向异性刻蚀为C4F8和SF6混合工艺，其中C4F 8和SF6气体流量比为4 :5。
[0015] 进一步地，所述步骤2中淀积聚合物的聚合物为：C、F促成的聚合物。
[0016] 进一步地，所述步骤3中聚合物轰击时轰击气体为SF6，上电极为800V，下电极 为-260V。
[0017] 进一步地，所述步骤4中进行各向同性刻蚀所采用的气体为：SF6，无下电极电压。
[0018] 为达成前述目的，本发明一种MEMS空腔刻蚀工艺中控制各向同性和各向异性深 度的方法，其包括：将刻蚀工艺分成四个步骤：
[0019] 步骤1 :对硅片进行各向异性刻蚀形成开孔；
[0020] 步骤2 :对经过步骤1各向异性刻蚀后的硅片的开孔淀积聚合物，在开孔的侧壁和 底部形成保护层；
[0021] 步骤3 :对步骤2淀积的聚合物进行轰击，轰击掉开孔底部的淀积聚合物；
[0022] 步骤4 :对步骤3轰击掉底部聚合物的开孔进行各向同性刻蚀，形成空腔；
[0023] 对各步骤进行试验分析，得出各步骤在不同尺寸刻蚀时的最佳参数；
[0024] 确定各步骤的时间比例；
[0025] 根据各步骤的参数与时间设置刻蚀菜单进行刻蚀。
[0026] 进一步地，其中所述步骤1中进行各向异性刻蚀采用的气体为C4F8气体与SF 6气 体，所述各向异性刻蚀包括刻蚀和淀积循环工艺，其中刻蚀时C4F8气体与SF 6气体的流量比 为1 :2,淀积时C4F8气体与SF6气体的流量比为120 :1 ;所述步骤2中淀积聚合物的聚合物 为：C、F促成的聚合物；所述步骤3中聚合物轰击时轰击气体为SF6，上电极为800V，下电极 为-260V ;所述步骤4中进行各向同性刻蚀所采用的气体为：SF6，无下电极电压。
[0027] 进一步地，其中步骤1中中进行各向异性刻蚀采用的气体为C4F8气体与SF 6气体， 所述各向异性刻蚀为C4F8和SF6混合工艺，其中C 4F8和SF6气体的流量比为4 :5 ;所述步骤2 中淀积聚合物的聚合物为：C、F促成的聚合物；所述步骤3中聚合物轰击时轰击气体为SF6， 上电极为800V，下电极为-260V ;所述步骤4中进行各向同性刻蚀所采用的气体为：5?6，无 下电极电压。
[0028] 进一步地，其中步骤1与步骤2的时间比例为1 :3,步骤2与步骤3的时间比例为 3 :1，步骤1与步骤4的时间比例通过工艺要求的各向同性和各向异性深度的比例调整。
[0029] 本发明的方法将各向异性和各向同性空腔刻蚀过程化整为零，分成四个工艺小步 骤，着重于对单步刻蚀菜单进行实验研究，此方法能够清晰的分析空腔结构刻蚀过程中的 每个工艺步骤对刻蚀结果产生的影响；能够定义出刻蚀不同CD尺寸时，每步菜单气体流 量、气体比例的设置范围以及不同步骤刻蚀时间的比例；通过步骤1到步骤4的分析数据可 以在工艺开发之前提供合理的工艺菜单，减少开发时间、得到良好的形貌；该方法通过研究 各向同性刻蚀、各向异性刻蚀、轰击量的关系，可以实现各向异性+各向同性空腔刻蚀的刻 蚀形貌、刻蚀深度的可控性。 【【专利附图】
【附图说明】】
[0030] 图1是MEMS刻蚀空腔的结构示意图。
[0031] 图2是本发明的MEMS刻蚀空腔的步骤示意图。 【【具体实施方式】】
[0032] 此处所称的"一个实施例"或"实施例"是指可包含于本发明至少一个实现方式中 的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的"在一个实施例中"并非均指同一 个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0033] 如图1所示，MEMS工艺通常需要在硅片上刻蚀一定形貌的空腔以实现特殊的功 能。现有的刻蚀的方法是预先设定参数之后一次完成空腔的刻蚀过程，然后再进行电镜分 析，完成的空腔结构是否符合要求，如果不符合要求再调整菜单。
[0034] 如图2所示，本发明的方法将整个刻蚀工艺过程分解成四个步骤，其包括：
[0035] 步骤1 :对硅片进行各向异性刻蚀形成开孔1，其中是采用深槽刻蚀设备，刻蚀的 气体为SF6,保护气体为C4F 8。
[0036] 步骤2 :对经过步骤1各向异性刻蚀后的硅片的开孔1淀积聚合物，在开孔1的侧 壁和底部形成保护层；
[0037] 步骤3 :对步骤2淀积的聚合物进行轰击，轰击掉开孔1底部的淀积聚合物；
[0038] 步骤4 :对步骤3轰击掉底部聚合物的开孔1进行各向同性刻蚀；
[0039] 通过研究四个步骤之间的关系，得出这四部分工艺时间的比例从而到达控制该类 工艺的目的。
[0040] 首先进行步骤1的分析，采用深槽刻蚀设备，通过对菜单参数进行实验研究得出 不同CD尺寸的刻蚀深度和刻蚀形貌，其中进行各向异性刻蚀所采用的刻蚀气体为SF 6，保护 气体为C4F8。在该步骤中各向异性刻蚀可以采用两种工艺，一种是刻蚀与淀积循环进行的 工艺，另外一种是将刻蚀气体与保护气体混合的混合工艺。其中采用刻蚀与淀积循环工艺 时，刻蚀时保护气体C 4F8与刻蚀气体SF6的流量比为1 :2,淀积时C4F8气体与SF6气体的流 量比为120 :1。在采用混合工艺时，保护气体C4F8与刻蚀气体SF6的流量基本可以保持不 变，关键在于调整保护气体C 4F8与刻蚀气体SF6气体比例。通过调整保护气体C4F 8与刻蚀 气体SF6气体的比例，直到得到的C4F8气体与SF 6气体的比例达到刻蚀的形貌为直的开孔1 时调整完毕，记录此时的气体比例，本发明采用混合工艺时保护气体C4F 8与刻蚀气体SF6的 气体的流量比为4 :5。
[0041] 然后记录采用此气体比例时刻蚀不同深度需要的时间。例如，假设c4f8气体与sf 6 气体的流量比例为1 :4,采用此气体比例刻蚀lym时需要2秒。这样即可以确定比如需要 刻蚀20 μ m就需要40秒。
[0042] 然后进行步骤2的分析，在步骤1的基础上继续进行聚合物（polymer)的淀积：其 中淀积的聚合物为C、F促成的聚合物。通过对步骤2进行实验分析得出不同CD尺寸时在 各向异性底部淀积聚合物的厚度所需要的淀积时间，在此部分的分析中气体的流量可以不 变，主要是调整淀积的时间来记录淀积的聚合物的厚度，此聚合物的厚度包括侧壁的厚度 和底部的厚度。此步骤要考虑步骤1所刻蚀的深度，例如，在气体流量不变的情况下，假设 步骤1刻蚀的深度为10 μ m，此时淀积5 μ m厚度的聚合物需要的时间为60秒，假设步骤1 刻蚀的深度为20 μ m，此时淀积5 μ m厚度的聚合物需要的时间为120秒。
[0043] 再进行步骤3底部聚合物轰击的分析，通过对步骤3的菜单进行实验分析得出不 同CD尺寸聚合物轰击的时间长短对步骤2底部淀积聚合物轰击的能力，此步骤关键在于调 整轰击时间和轰击功率。其中轰击同样是基于步骤1的刻蚀深度和步骤2的底部淀积的聚 合物的厚度，例如，假设步骤1形成的刻蚀深度为10 μ m，需要的时间为20秒，步骤2中淀积 的聚合物厚度为5 μ m，则需要的时间为60秒，完全轰击掉开孔1底部的5 μ m的聚合物需要 的时间则为20秒。假设步骤1形成的刻蚀深度为20 μ m，需要的时间为40秒，步骤2中淀 积的聚合物的厚度为5 μ m，则需要的时间为120秒，完全轰击掉开孔1底部的5 μ m的聚合 物需要的时间则为40秒。此时开孔1侧壁的聚合物也被轰击，由步骤2和步骤3两步聚合 物淀积和轰击的过程能够控制开孔1侧壁的聚合物的量从而实现对下步各向同性刻蚀量 的控制。例如开孔1侧壁的聚合物剩余的量变为3 μ m。本发明轰击时轰击气体为SF6,轰 击的功率为：上电极为800V，下电极为-260V。
[0044] 步骤4各向同性刻蚀的分析：通过调整各向同性刻蚀的气体流量以及气体比例， 经过实验分析得出不同尺寸时各向同性刻蚀速率、对步骤1各向异性形成的开孔1的侵蚀 深度。本发明进行各向同性刻蚀所采用的气体为：SF6,无下电极电压。此步骤关键在于控 制刻蚀时间和步骤3轰击后剩余聚合物的保护量。因为形成开孔1之后，进行各向同向性 刻蚀时，各向同性刻蚀也会对步骤1形成的开孔1进行刻蚀，但该开孔1的侧壁由于有步骤 2形成的聚合的保护，所以刻蚀速度与各向同性刻蚀对硅片的刻蚀速度不同。经过调整同向 刻蚀气体的比例，可以确定同向性刻蚀的速度以及同向性刻蚀对带有聚合物保护的开孔1 的侵蚀深度。这样确定同向性刻蚀的速度之后即可根据需要刻蚀的空腔2的深度确定步骤 4需要刻蚀的时间。而通过控制步骤4的刻蚀时间也即可以控制刻蚀空腔2的深度b。例 如，需要刻蚀40 μ m深度的空腔需要的时间为160秒。
[0045] 经过前述步骤1-步骤4的分析，可以分析不同步骤之间工艺时间的比例，结合工 艺尺寸可以在工艺开发之前给出合理的工艺菜单，经过本发明的方法的测试，目前得出步 骤1与步骤2的时间比例约为1 :3,步骤2与步骤3的时间比例约为3 :1，步骤1与步骤4 的时间比例通过工艺要求各向同性和各向异性深度调整；例如需要刻蚀1〇μπι的开孔，刻 蚀40 μ m的空腔，则设置工艺菜单时，根据前述分析的结果，确定步骤1中气体的流量、气体 的比例，然后设定步骤1的时间为20秒，按照前述分析的步骤2的淀积速率设定步骤2的 时间为步骤1的3倍，即为60秒，则步骤2淀积的厚度即为5 μ m，按照前述分析的步骤3的 轰击功率设定步骤3的时间为步骤2的1/3,则步骤3在轰击20秒后即可将开孔底部淀积 的5 μ m的聚合物完全轰击掉，然后根据需要刻蚀的空腔的深度，设定步骤4进行刻蚀的时 间为160秒，则刻蚀160秒后即可形成深度为40 μ m的空腔。
[0046] 本发明的方法将各向异性和各向同性空腔刻蚀过程化整为零，分成四个工艺小步 骤，着重于对单步刻蚀菜单进行实验研究，此方法能够清晰的分析空腔结构刻蚀过程中每 个的工艺步骤对刻蚀结果产生的影响；能够定义出刻蚀不同CD尺寸时，每步菜单气体流 量、气体比例的设置范围以及不同步骤刻蚀时间的比例；通过步骤1到步骤4的分析数据可 以在工艺开发之前提供合理的工艺菜单，减少开发时间、得到良好的形貌；该方法通过研究 各向同性刻蚀、各向异性刻蚀、轰击量的关系，可以实现各向异性+各向同性空腔刻蚀的刻 蚀形貌、刻蚀深度的可控性，即图1中开孔1的大小a和空腔2的大小b和比例可控。
[0047] 上述说明已经充分揭露了本发明的【具体实施方式】。需要指出的是，熟悉该领域的 技术人员对本发明的【具体实施方式】所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。 相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述【具体实施方式】。
【权利要求】
1. 一种MEMS空腔刻蚀工艺中控制各向同性和各向异性深度的方法，其包括： 步骤1 :对硅片进行各向异性刻蚀形成开孔； 步骤2 :对经过步骤1各向异性刻蚀后的硅片的开孔淀积聚合物，在开孔的侧壁和底部 形成保护层； 步骤3 :对步骤2淀积的聚合物进行轰击，轰击掉开孔底部的淀积聚合物； 步骤4 :对步骤3轰击掉底部聚合物的开孔进行各向同性刻蚀，形成空腔； 其中步骤1与步骤2的时间比例为1 :3,步骤2与步骤3的时间比例为3 :1，步骤1与 步骤4的时间比例通过工艺要求的各向同性和各向异性深度的比例调整。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中进行各向异性刻蚀采用的气 体为C4F8气体与SF 6气体，所述各向异性刻蚀包括刻蚀和淀积循环工艺，其中刻蚀时C4F8气 体与3匕气体的流量比为1 :2,淀积时气体流量比为120 :1。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤1中进行各向异性刻蚀采用的气 体为C4F8气体与SF 6气体，所述各向异性刻蚀为C4F8和SF6混合工艺，其中C 4F8和SF6流量 比为4 :5。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中淀积聚合物的聚合物为：C、F 促成的聚合物。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中聚合物轰击时轰击气体为SF6， 上电极为800V，下电极为-260V。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中进行各向同性刻蚀所采用的 气体为：sf6，无下电极电压。
7. -种MEMS空腔刻蚀工艺中控制各向同性和各向异性深度的方法，其包括： 将刻蚀工艺分成四个步骤： 步骤1 :对硅片进行各向异性刻蚀形成开孔； 步骤2 :对经过步骤1各向异性刻蚀后的硅片的开孔淀积聚合物，在开孔的侧壁和底部 形成保护层； 步骤3 :对步骤2淀积的聚合物进行轰击，轰击掉开孔底部的淀积聚合物； 步骤4 :对步骤3轰击掉底部聚合物的开孔进行各向同性刻蚀，形成空腔； 对各步骤进行试验分析，得出各步骤在不同尺寸刻蚀时的最佳参数； 确定各步骤的时间比例； 根据各步骤的参数与时间设置刻蚀菜单进行刻蚀。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述步骤1中进行各向异性刻蚀采用的气体为C4F8 气体与SF6气体，所述各向异性刻蚀包括刻蚀和淀积循环工艺，其中刻蚀时C4F8气体与sf 6 气体的流量比为1 :2,淀积时C4F8气体与SF6气体的流量比为120 :1 ;所述步骤2中淀积聚 合物的聚合物为：C、F促成的聚合物；所述步骤3中聚合物轰击时轰击气体为SF6，上电极为 800V，下电极为-260V ;所述步骤4中进行各向同性刻蚀所采用的气体为：SF6，无下电极电 压。
9. 如权利要求7所述的方法，其中所述步骤1中进行各向异性刻蚀采用的气体为C4F8 气体与SF6气体，所述各向异性刻蚀为C4F8和SF6混合工艺，其中C 4F8和SF6气体流量比为 4 :5 ;所述步骤2中淀积聚合物的聚合物为：C、F促成的聚合物；所述步骤3中聚合物轰击 时轰击气体为SF6，上电极为800V，下电极为-260V ;所述步骤4中进行各向同性刻蚀所采用 的气体为：sf6，无下电极电压。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中步骤1与步骤2的时间比例为1 :3,步骤2与 步骤3的时间比例为3 :1，步骤1与步骤4的时间比例通过工艺要求的各向同性和各向异 性深度的比例调整。
【文档编号】B81C1/00GK104098064SQ201310124886
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2013年4月11日
【发明者】章安娜 申请人:无锡华润上华半导体有限公司