专利名称：一种硅湿法腐蚀深度的监控结构及监控方法
技术领域：
本发明涉及湿法腐蚀工艺，尤其涉及一种湿法腐蚀工艺中硅腐蚀深度的监控结构和相关监控方法，属于半导体制造领域。
背景技术：
刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法腐蚀两种，由于干法刻蚀可能会对硅片上的敏感器件带来等离子体损伤，目前湿法腐蚀工艺仍然在半导体制造领域起着重要的作用。在湿法腐蚀工艺中，硅的各向异性湿法腐蚀工艺的使用已经非常普遍，通常各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW(乙二胺，邻苯二酚和水)、联胺、TMAH等，另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如KOH、NaOH, NH40H等。在进行硅的各向异性湿法腐蚀工艺时，硅的不同晶向具有不同的腐蚀速率，也即腐蚀速率与单晶硅的晶向密切相关，另外硅的各向异性腐蚀速率还与腐蚀液的类型、配比、反应的温度等各个参数有关。所以腐蚀速率的波动可能较大，这就为腐蚀深度的控制带来了困难。在半导体器件中，器件结构尺寸的微小差异会对器件性能产生影响，因此，采用有效手段对硅的湿法腐蚀深度进行监控尤为重要。目前，硅湿法腐蚀深度的监控通常有如下几种手段:1、使用带有深度(Z轴)测量的显微镜进行测量；2、使用3D轮廓仪或扫描仪来进行测量。其中，手段I的精度比较低，误差通常在IOum以上，尤其是腐蚀深度非常深的时候(比如几百um)，准确率更低。并且带有深度(Z轴)测量的显微镜的价格也比较高。手段2的测量精度很高，但是需要购买专用的测量设备，这些专用设备往往相当昂贵。而且，以上两种测量手段都需要在腐蚀过程中多次将腐蚀片取出，然后对所腐蚀的区域进行测量，从而监控腐蚀深度，每次测量的操作步骤都需耗费大量时间、人力，严重影 响生产效率。鉴于此，实有必要提出一种成本较低的监测手段，对硅的湿法腐蚀深度进行控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种硅湿法腐蚀深度的监控结构及相关监控方法。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:一种硅湿法腐蚀深度的监控结构，包括:形成在单晶硅材料上的至少两个湿法腐蚀凹槽；所述湿法腐蚀凹槽顶面为矩形，其中至少有两个湿法腐蚀凹槽的顶面宽度分别为Wu和W1, Wu = du/0.71，W1 = V0.71，du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值，Cl1为所要监控的湿法腐蚀深度最小值。也就是说，该监控结构对湿法腐蚀深度的监控范围要求在du与Cl1之间，即du彡湿法腐蚀深度d彡屯。作为本发明的优选方案，所述单晶硅材料的腐蚀面为(100)晶面。作为本发明的优选方案，所述湿法腐蚀凹槽数量为η个，η > 3。进一步优选的，η个所述湿法腐蚀凹槽的顶面宽度均在小于等于Wu并大于等于W1的范围内。
更进一步优选的，η个所述湿法腐蚀凹槽按照顶面宽度由W1到Wu依次递增的顺序排列。更进一步优选的，η个所述湿法腐蚀凹槽相互紧密排列。此外，本发明还提供一种具有硅湿法腐蚀深度监控图形的掩模板，所述掩模板上设有监控图形，所述监控图形包括至少两个用于湿法腐蚀的矩形的窗口 ；其中至少有两个窗口的宽度分别为Wu和W1, Wu = du/0.71，W1 =屯/0.71, du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值，Cl1为所要监控的湿法腐蚀深度最小值。作为本发明的优选方案，所述窗口数量为η个，η > 3。进一步优选的，η个所述窗口的宽度均在小于等于Wu并大于等于W1的范围内。更进一步优选的，η个所述窗口按照宽度由W1到Wu依次递增的顺序排列。更进一步优选的，η个所述窗口相互紧密排列。另外，本发明还提供一种硅湿法腐蚀深度的监控方法，所述监控方法包括以下步骤:步骤一、在版图中加入监控图形，所述监控图形包括:至少两个用于湿法腐蚀的矩形的窗口，其中至少有两个窗口的宽度分别为Wu和WpWu= du/0.TLff1 = di/0.71，du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值，Cl1为所要监控的湿法腐蚀深度最小值；步骤二、根据具有监控图形的版图对单晶硅片进行各向异性的湿法腐蚀，在单晶硅片上形成所需监控的腐蚀槽以及用于监控该腐蚀槽深度的监控结构；其中，所述监控结构是根据所述监控图形腐蚀而成，包括至少两个顶面宽度分别为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽；步骤三、在步骤二 所述湿法腐蚀过程中或过程后，对监控结构进行监视，根据监视结果确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度范围，从而实现对湿法腐蚀深度的监控；其中，根据监视结果确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度范围的方法为:当顶面宽度为W1^PW1的湿法腐蚀凹槽的底部均为平面结构时，则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度Cl1 ;当顶面宽度为Wu的湿法腐蚀凹槽的底部为平面结构，而顶面宽度为W1的湿法腐蚀凹槽的底部为线型结构时,则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度满足du > Cl1 ;当顶面宽度为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽的底部均为线型结构时，则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度彡du。作为本发明的优选方案，所述监控图形中的窗口数量为η个，η > 3。进一步优选的，η个所述窗口的宽度均在小于等于Wu并大于等于W1的范围内。更进一步优选的，η个所述窗口按照宽度由W1到Wu依次递增的顺序排列。更进一步优选的，η个所述窗口相互紧密排列。更进一步优选的，当所述监控图形中的窗口数量为η个，n ^ 3时，若其中顶面宽&为\的湿法腐蚀凹槽的底部为平面结构，而顶面宽度为Wy的湿法腐蚀凹槽的底部为线型结构时，则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度足dx > Clip^ dy，dx = 0.7Iffx, dy=0.71Wy。作为本发明的优选方案，所述单晶硅片的腐蚀面为(100)晶面。作为本发明的优选方案，所述湿法腐蚀采用腐蚀速率在硅(100)晶面上快于在硅
(111)晶面上的各向异性腐蚀剂，例如KOH溶液、TMAH溶液等腐蚀剂。作为本发明的优选方案，步骤三可采用显微镜对监控结构进行监视。
本发明的有益效果在于:本发明的技术方案巧妙利用了硅各向异性湿法腐蚀的特点，可以根据产品腐蚀深度的要求，设计出相应的监控图形，在形成产品腐蚀槽的同时形成监控结构，通过监视监控结构，从而直观、便捷地监控产品腐蚀槽的腐蚀深度。对监控结构可使用普通常用显微镜进行监视，操作方便，且成本较低，并可达到较高的监控精度。
图1a-1b为本发明具体实施方式
中梯型腐蚀槽的示意图；其中，图1a为俯视图，图1b为剖视图；图2a_2b为本发明具体实施方式
中V型槽的示意图；其中，图2a为俯视图，图2b为剖视图；图3a为本发明实施例一产品版图中的监控图形示意图；图3b为本发明实施例一广品版图中的广品图形不意图；图4为本发明实施例一中所述情况一的监控结构示意图；图5为本发明实施例一中所述情况二的监控结构示意图；图6为本发明实施例一中所述情况三的监控结构示意图；图7为本发明实施例二中的监控结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。本发明的发明人对单晶硅材料的各向异性湿法腐蚀进行了深入地研究，发现由于晶体的物理性质随方向不同而有所不同，因此有的腐蚀剂对单晶硅各个晶面的腐蚀速率是不同的，通常在硅(100)晶面上的腐蚀速率很快，而在(111)晶面的腐蚀速率非常慢。例如采用硅湿法腐蚀工艺中常用的KOH或TMAH腐蚀剂对单晶硅片进行腐蚀，腐蚀了一段时间后，会形成如图1a和图1b所示的梯型腐蚀槽，其侧壁并非是垂直于底面(100)晶面的，而是沿着(111)晶面呈向内的斜坡状。如果增加时间进一步腐蚀，该腐蚀槽的侧壁就会沿着(111)晶面进一步向下延伸，直至形成如图2a和图2b所示的V型槽，使底面由平面结构变为线型结构。由于单晶硅(100)晶面和(111)晶面的夹角是54.74度。由此可算出开口尺寸W和形成V型槽后的腐蚀深度dmax之间的关系:dmax =
0.5XffX tan(54.74) ^ 0.71W。本发明的发明人正是利用了开口尺寸W和V型槽腐蚀深度dmax的关系dmax 0.7IW这一特征，根据对腐蚀深度的要求，设计出相应的监控图形，从而可直观地监控硅湿法腐蚀深度。实施例一 请参阅图3a、3b至图6a、6b，本实施例的具体实施步骤如下:如某产品需要腐蚀的深度为d，深度的控制范围要求在du和Cl1之间，也就是说，du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值, (I1为所要监控的湿法腐蚀深度最小值，即du > d >屯。步骤一、首先根据du和Cl1计算出对应的开口尺寸值Wu和W1,即Wu = du/0.TLff1 =Cl1A).71，然后设计出宽为Wu和W1的长方形腐蚀窗口，则它们对应的V型槽腐蚀深度就是du和屯。把这两个长方形腐蚀窗口放入产品版图中作为监控图形。产品版图中该监控图形如图3a所示，所需监控的产品图形如图3b所示。然后根据该产品版图制作掩模板。步骤二、根据具有监控图形的产品版图对单晶硅片进行各向异性的湿法腐蚀。通常是在单晶硅片上制作掩膜，通过掩模板利用光刻工艺将该产品版图上的图形转移至掩膜上，然后将制作有掩膜的单晶硅片放入硅的各向异性腐蚀剂中腐蚀，其中，采用腐蚀速率在硅(100)晶面上快于在硅(111)晶面上的各向异性腐蚀剂，优选为KOH溶液或TMAH溶液，单晶硅片优选为表面(即腐蚀面)是(100)晶面的单晶硅片。通过腐蚀在单晶硅片上形成所需监控的腐蚀槽以及用于监控该腐蚀槽深度的监控结构。其中，所述监控结构是根据所述监控图形腐蚀而成，包括两个顶面宽度分别为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽，所需监控的腐蚀槽是根据产品图形腐蚀而成。步骤三、在步骤二所述湿法腐蚀过程中或过程后，可采用显微镜对监控结构进行监视，根据监视结果确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度范围，从而实现对湿法腐蚀深度的监控。其中，监视结果可分为三种情况，根据这三种情况分别确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度范围，具体确定方法如下:情况一、参阅图4，当顶面宽度为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽的底部均为平面结构，即还未形成V型槽，则此时可确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度(1@#< Cl1 ；情况二、参阅图5，当顶面宽度为Wu的湿法腐蚀凹槽的底部为平面结构，而顶面宽度为W1的湿法腐蚀凹槽的底部为线型结构时，即顶面宽度为W1的湿法腐蚀凹槽已形成为V型槽，则可确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度ClMi满足du >Cl1 ；情况三、参阅图6，当顶面宽度为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽的底部均为线型结构时，即形成了两个V型槽，则可确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度du。由此即可以通过显微镜的观察，来监控腐蚀后的深度是否达到要求。实施例二本实施例与实施例一中的步骤类似，不同之处在于:为了能更精确的判断腐蚀深度，在设计监控图形时，增加监控图形中窗口的数量，如3个或更多个窗口，所有窗口的宽度均在小于等于Wu并大于等于W1的范围内。例如，当所述监控图形中的窗口数量为η个，n ^ 3时，若其中顶面宽度为Wx的湿法腐蚀凹槽的底部为平面结构，而顶面宽度为Wy的湿法腐蚀凹槽的底部为线型结构时，则可以确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度d实际满足dx > d实际彡dy，其中，dx = 0.71Wx，dy=0.7 Iffy, Wu ^ Wx ^ W1, Wu ^ Wy ^ V较佳的，使这些窗口按照宽度由W1到Wu依次递增的顺序紧密排列，这样在W1和Wu的范围内放置更多尺寸的腐蚀窗口，可以缩小相邻两个图形间的尺寸差异，从而可在显微镜观察时，使观察者更容易、准确地比较和判断。例如可以在…和 的范围内放置Wa、Wb、W。，如图7所示，在该监控结构中，顶面宽度为Wb的湿法腐蚀凹槽的底部为平面结构，顶面宽度为Wa的湿法腐蚀凹槽的底部为线型结构，那么可以由此判断实际腐蚀深度满足db > Clip^ da。
在此还需说明的是，根据本发明的技术方案可以利用具有监控图形的版图在晶圆上形成所需监控的腐蚀槽并同时形成监控结构，这样监控结构与腐蚀槽形成于同一片晶圆上，有利于监控的准确性。当然，本发明所述的监控结构也可以单独制作在陪片上，例如根据监控图形和产品图形，将陪片与晶圆同时放入腐蚀剂中进行腐蚀，从而分别在陪片上形成监控结构，在晶圆上形成所需监控的腐蚀槽，通过监视仅具有监控结构的陪片同样也可以实现监控腐蚀槽深度的目的。 上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
1.一种硅湿法腐蚀深度的监控结构，其特征在于，包括:形成在单晶硅材料上的至少两个湿法腐蚀凹槽；所述湿法腐蚀凹槽顶面为矩形，其中至少有两个湿法腐蚀凹槽的顶面宽度分别为Wu和W1, Wu = du/0.71, W1 = di/0.71，du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值，(I1为所要监控的湿法腐蚀深度最小值。
2.根据权利要求1所述的硅湿法腐蚀深度的监控结构，其特征在于:所述单晶硅材料的腐蚀面为(100)晶面。
3.根据权利要求1所述的硅湿法腐蚀深度的监控结构，其特征在于:所述湿法腐蚀凹槽数量为η个，η≥3。
4.根据权利要求3所述的硅湿法腐蚀深度的监控结构，其特征在于:η个所述湿法腐蚀凹槽的顶面宽度均在小于等于Wu并大于等于W1的范围内。
5.根据权利要求4所述的硅湿法腐蚀深度的监控结构，其特征在于:η个所述湿法腐蚀凹槽按照顶面宽度由W1到Wu依次递增的顺序排列。
6.根据权利要求3、4、5中任一项所述的硅湿法腐蚀深度的监控结构，其特征在于:η个所述湿法腐蚀凹槽相互紧密排列。
7.一种具有硅湿法腐蚀深度监控图形的掩模板，其特征在于:所述掩模板上包括监控图形，所述监控图形包括至少两个用于湿法腐蚀的矩形的窗口 ；其中至少有两个窗口的宽度分别为Wu和W1, Wu = du/0.71, W1 = Cl1A).71，du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值，Cl1为所要监控的湿法腐蚀深度最小值。
8.根据权利 要求7所述的具有硅湿法腐蚀深度监控图形的掩模板，其特征在于:所述窗口数量为η个，η≥3。
9.根据权利要求8所述的具有硅湿法腐蚀深度监控图形的掩模板，其特征在于:η个所述窗口的宽度均在小于等于Wu并大于等于W1的范围内。
10.根据权利要求9所述的具有硅湿法腐蚀深度监控图形的掩模板，其特征在于:η个所述窗口按照宽度由W1到Wu依次递增的顺序排列。
11.根据权利要求8、9、10中任一项所述的具有硅湿法腐蚀深度监控图形的掩模板，其特征在于:η个所述窗口相互紧密排列。
12.—种硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、在版图中加入监控图形，所述监控图形包括:至少两个用于湿法腐蚀的矩形的窗口，其中至少有两个窗口的宽度分别为Wu和WpWu= du/0.TLff1 = Cl1ZU 71，du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值，Cl1为所要监控的湿法腐蚀深度最小值； 步骤二、根据具有监控图形的版图对单晶硅片进行各向异性的湿法腐蚀，在单晶硅片上形成所需监控的腐蚀槽以及用于监控该腐蚀槽深度的监控结构；其中，所述监控结构是根据所述监控图形腐蚀而成，包括至少两个顶面宽度分别为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽； 步骤三、在步骤二所述湿法腐蚀过程中或过程后，对监控结构进行监视，根据监视结果确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度范围，从而实现对湿法腐蚀深度的监控； 其中，根据监视结果确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度范围的方法为:当顶面宽度为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽的底部均为平面结构时，则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度(I1 ;当顶面宽度为Wu的湿法腐蚀凹槽的底部为平面结构,而顶面宽度为W1的湿法腐蚀凹槽的底部为线型结构时，则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度满足du >Cl1 ;当顶面宽度为Wu和W1的湿法腐蚀凹槽的底部均为线型结构时，则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度du。
13.根据权利要求12所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:所述监控图形中的窗口数量为η个，η彡3。
14.根据权利要求13所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:η个所述窗口的宽度均在小于等于Wu并大于等于W1的范围内。
15.根据权利要求14所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:η个所述窗口按照宽度由W1到Wu依次递增的顺序排列。
16.根据权利要求13、14、15中任一项所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:η个所述窗口相互紧密排列。
17.根据权利要求13所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:当所述监控图形中的窗口数量为η个，n ^ 3时，若其中顶面宽度为Wx的湿法腐蚀凹槽的底部为平面结构，而顶面宽度为Wy的湿法腐蚀凹槽的底部为线型结构时，则确定所需监控的腐蚀槽的实际腐蚀深度d实际 两足dx > d实际> dy，dx = 0.7 Iffx, dy = 0.71Wy。
18.根据权利要求12所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:所述单晶硅片的腐蚀面为(100)晶面。
19.根据权利要求12所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:所述湿法腐蚀采用腐蚀速率在硅(100)晶面上快于在硅(111)晶面上的各向异性腐蚀剂。
20.根据权利要求12所述的硅湿法腐蚀深度的监控方法，其特征在于:步骤三采用显微镜对监控结构进行监视 。
全文摘要
本发明公开了一种硅湿法腐蚀深度的监控结构及相关监控方法。该监控结构包括形成在单晶硅材料上的至少两个顶面为矩形的湿法腐蚀凹槽；且至少有两个湿法腐蚀凹槽的顶面宽度分别为Wu和Wl，Wu＝du/0.71，Wl＝dl/0.71，du为所要监控的湿法腐蚀深度最大值，dl为所要监控的湿法腐蚀深度最小值。所述监控方法根据具有监控图形的版图对单晶硅片进行各向异性的湿法腐蚀，形成所需监控的腐蚀槽以及用于监控该腐蚀槽深度的监控结构，然后对所得监控结构进行监视，从而实现对湿法腐蚀深度的监控。本发明可以直观、便捷地监控产品腐蚀槽的腐蚀深度，成本较低，并可达到较高的监控精度。
文档编号G01B11/22GK103165579SQ20111041396
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者张新伟, 夏长奉, 范成建, 苏巍 申请人:无锡华润上华半导体有限公司