具有斜坡结构的半导体器件的制造方法及半导体结构与流程

1.本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种具有斜坡结构的半导体器件的制造方法及半导体结构。


背景技术：

2.在半导体器件的制造中，使得制造得到的各部分的实际几何尺寸参数符合设计需求，对于最终的半导体器件能否工作以及性能好坏至关重要。以mems(micro electro mechanical system，微机电系统)传感器为例，通过在衬底上形成两个基板(即上电极板和下电极板)，并在两个基板之间形成空腔，从而利用发生在空腔内的震动引起的两个基板之间的电容变化，实现运动信号至电信号的转换。在两个基板之间需要形成支撑结构，以保证空腔的存在。在相关技术中，将支撑结构的侧壁设计成非陡直的形状，从而减少应力集中问题，改善上电极板的强度。
3.然而，为了实现更好的效果，支撑结构的侧壁与下电极板之间的夹角需要满足一定的角度范围。如何简便、快速并且准确地量测出夹角的具体角度值，确定是否落入设计的角度范围，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种具有斜坡结构的半导体器件的制造方法及半导体结构。
5.为达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的：
6.第一个方面，在本实施例中提供了一种具有斜坡结构的半导体器件的制造方法，所述方法包括：
7.提供衬底，所述衬底上包括至少一个器件区和至少一个测试区；
8.在所述器件区和所述测试区上形成功能结构层；
9.在所述功能结构层上形成牺牲层；
10.对所述牺牲层的位于所述器件区的部分和位于所述测试区的部分同步进行刻蚀，以在所述器件区形成第一沟槽，在所述测试区形成第二沟槽；其中，所述第一沟槽用于填充支撑结构；位于至少一个所述测试区内的所述第二沟槽的数量为多个，多个所述第二沟槽将所述牺牲层的位于所述测试区的部分分割成多个重复结构；所述第一沟槽和所述第二沟槽的侧壁的底部与所述功能结构层的上表面之间具有大于90度的倾斜角度，以使所述牺牲层在对应的位置处形成斜坡结构；
11.通过对所述多个重复结构进行光学测量，得到所述斜坡结构的几何尺寸参数。
12.可选的，位于至少一个所述测试区内的所述重复结构的数量大于等于4个。
13.可选的，相邻两所述重复结构之间的间距在2微米～15微米的范围内；各所述重复结构的底部线宽在2微米～15微米的范围内。
14.可选的，所述通过对所述多个重复结构进行光学测量，得到所述斜坡结构的几何
尺寸参数，包括：
15.通过对所述多个重复结构进行光学测量，得到所述斜坡结构的角度；所述斜坡结构的角度与所述倾斜角度之和等于180度。
16.可选的，所述方法还包括：
17.判断所述斜坡结构的角度是否属于预设角度范围；如果判断结果为属于，则执行后续工序。
18.可选的，所述预设角度范围为20度～45度。
19.可选的，所述执行后续工序，包括：
20.在所述第一沟槽内填充所述支撑结构；
21.去除所述牺牲层，以在所述牺牲层的位置处形成空腔。
22.第二个方面，在本实施例中提供了一种半导体结构，包括：
23.衬底，所述衬底上包括至少一个器件区和至少一个测试区；
24.功能结构层，形成在所述器件区和所述测试区上；
25.支撑结构，形成在所述功能结构层上，所述支撑结构的侧壁的底部与所述功能结构层的上表面之间围成具有第一角度的空腔，所述第一角度小于90度；
26.位于至少一个所述测试区内的多个重复单元，各所述重复单元平行排列，沿排列方向各所述重复单元的两侧壁的底部与所述功能结构层的上表面之间具有第二角度，所述第二角度与所述第一角度相等。
27.可选的，位于至少一个所述测试区内的所述重复单元的数量大于等于4个。
28.可选的，相邻两所述重复单元之间的间距在2微米～15微米的范围内；各所述重复单元的底部线宽在2微米～15微米的范围内。
29.本技术实施例所提供的具有斜坡结构的半导体器件的制造方法及半导体结构，其中，方法包括：提供衬底，衬底上包括至少一个器件区和至少一个测试区；在器件区和测试区上形成功能结构层；在功能结构层上形成牺牲层；对牺牲层的位于器件区的部分和位于测试区的部分同步进行刻蚀，以在器件区形成第一沟槽，在测试区形成第二沟槽；其中，第一沟槽用于填充支撑结构；位于至少一个测试区内的第二沟槽的数量为多个，多个第二沟槽将牺牲层的位于测试区的部分分割成多个重复结构；第一沟槽和第二沟槽的侧壁的底部与功能结构层的上表面之间具有大于90度的倾斜角度，以使牺牲层在对应的位置处形成斜坡结构；通过对多个重复结构进行光学测量，得到斜坡结构的几何尺寸参数。如此，解决了器件区的斜坡结构的几何尺寸参数难以量测的问题，量测简便、快速，准确度高，为判断工序是否继续进行以及评价半导体器件的性能提供了重要依据。
30.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
32.图1为一种mems传感器在制备过程中的剖面结构示意图；
33.图2为本技术实施例提供的具有斜坡结构的半导体器件的制造方法的流程示意
图；
34.图3至图6为本技术实施例提供的具有斜坡结构的半导体器件在制造过程中的结构剖面示意图；
35.图7为本技术一实施方式中测试区的俯视示意图；
36.图8为本技术另一实施方式中测试区的俯视示意图；
37.图9为使用机台在对重复结构进行光学测量的光束传播路径示意图。
具体实施方式
38.下面将参照附图更详细地描述本技术公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本技术的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本技术，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本技术，并且能够将本技术公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
39.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
40.在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
41.应当明白，当元件或层被称为“在
……
上”、“与
……
相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在
……
上”、“与
……
直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本技术教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本技术必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
42.空间关系术语例如“在
……
下”、“在
……
下面”、“下面的”、“在
……
之下”、“在
……
之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在
……
下面”和“在
……
下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
43.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本技术的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。
在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
44.为了彻底理解本技术，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本技术的技术方案。本技术的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本技术还可以具有其他实施方式。
45.图1示出了一种mems传感器在制备过程中的剖面结构示意图。如图所示，牺牲层130的侧壁1301与功能结构层120的上表面1201之间并非垂直连接(由于版面原因，图中并未将牺牲层130完整示出，因此图中130左侧的为其侧壁，而右侧并非其侧壁)，牺牲层130具有斜坡结构131，从而在牺牲层130的侧壁1301与功能结构层120的上表面1201之间形成夹角。如果直接对斜坡结构131进行测量，想要获得该夹角的角度θ，需要量测出牺牲层130在该斜坡结构131位置处的膜层厚度a，以及斜坡结构131的投影宽度c；进而通过以下三角函数公式计算出角度：θ＝arctan a/c。这里，投影宽度c指的是斜坡结构131在功能结构层120的上表面的正投影的宽度。
46.然而，这种方法量测过程繁琐，膜层厚度a和投影宽度c需要使用不同的机台分别进行多次数据收集，占用资源多；在进行斜坡结构131的投影宽度c的量测时，内侧边界不好抓取，容易产生较大误差；需要建立一套数据处理运算，数据处理过程长。
47.基于此，本技术实施例首先提供一种量测简便、快速，准确度高的具有斜坡结构的半导体器件的制造方法，在该制造方法中采用一定的测量步骤得到了斜坡结构的几何尺寸参数，从而为判断工序是否继续进行以及评价半导体器件的性能提供了重要依据。其中，该半导体器件可以为mems传感器，例如为mems麦克风等；当然，可以理解的，该半导体器件也可以为其他任何具有斜坡结构且需要获知斜坡结构的几何尺寸参数的半导体器件。
48.请参考图2，本技术实施例提供的具有斜坡结构的半导体器件的制造方法，包括：
49.步骤s01，提供衬底，衬底上包括至少一个器件区和至少一个测试区；
50.步骤s02，在器件区和测试区上形成功能结构层；
51.步骤s03，在功能结构层上形成牺牲层；
52.步骤s04，对牺牲层的位于器件区的部分和位于测试区的部分同步进行刻蚀，以在器件区形成第一沟槽，在测试区形成第二沟槽；其中，第一沟槽用于填充支撑结构；位于至少一个测试区内的第二沟槽的数量为多个，多个第二沟槽将牺牲层的位于测试区的部分分割成多个重复结构；第一沟槽和第二沟槽的侧壁的底部与功能结构层的上表面之间具有大于90度的倾斜角度，以使牺牲层在对应的位置处形成斜坡结构；
53.步骤s05，通过对多个重复结构进行光学测量，得到斜坡结构的几何尺寸参数。
54.下面，将以mems麦克风的结构为例，结合图3至图6对本实施例中的具有斜坡结构的半导体器件的制造方法做进一步解释说明。
55.首先，请参考图3。提供衬底100。衬底100可以是任意在上面添加后续材料层的载体。例如，衬底100可以为硅(si)衬底、锗(ge)衬底、化合物半导体材料衬底、绝缘体上硅(soi)衬底、或者绝缘体上锗(geoi)衬底等。在具体应用中，衬底100为硅晶圆。衬底100上包括器件区和测试区。可以理解的，器件区指用于形成半导体器件的区域；测试区指半导体工艺厂在晶圆加工中为了监测工艺而加入在晶圆固定位置的测试单元所在的区域；测试区也可以理解为用于形成测试单元(test key)的区域。
56.接下来，在器件区和测试区上形成功能结构层120。功能结构层120是实现器件功
能的结构层，因而该层在最终制造得到的器件中被保留。在半导体器件为mems传感器的具体应用中，功能结构层120例如为用于形成下电极板的层；功能结构层120的材料例如为多晶硅(poly)。
57.可选的，在衬底100和功能结构层120之间还可以设置有其他层；例如，图3示出了还包括介质层110的情况。介质层110可以用于将功能结构层120和衬底100隔开。介质层110的材料例如为氧化硅。
58.此外，在介质层110中还可以包括若干第一凹槽g1；功能结构层120不仅形成在介质层110上，还部分位于第一凹槽g1中。
59.在功能结构层120上形成牺牲层130。可以理解的，牺牲层130在后续工序中被去除。牺牲层130的材料例如为氧化硅。
60.在测试区，功能结构层120中还可以包括若干第二凹槽g2；若干第二凹槽g2将功能结构层120分割成若干重复区域1202，若干重复区域1202可以用于定义后续工序中形成重复结构的位置；并且，通过将功能结构层120分割成若干重复区域1202，有利于在光学测量中降低获得斜坡结构的几何尺寸参数的难度。需要说明的是，本文中记载的“重复”指的是同样的东西再次出现；“重复结构”指的是同样的结构中的任意一个结构；类似地，“重复区域1202”指的是同样的区域中的任意一个区域，结合图3所示，在测试区内功能结构层120被分割成多个相同的区域，重复区域1202指的是多个相同的区域中的一个区域。
61.图7为本技术一实施方式中测试区的俯视示意图；图8为本技术另一实施方式中测试区的俯视示意图。如图所示，各重复区域1202平行排列。各重复区域1202的宽度x在1.5微米～15.5微米的范围内；相邻两重复区域1202之间的间距y在1.5微米～15.5微米的范围内。这里，各重复区域1202的宽度是指各重复区域1202沿排列方向上的尺寸；相邻两重复区域1202之间的间距也即第二凹槽g2的宽度。
62.示例性的，各重复区域1202的宽度x可以包括以下至少之一：6微米、8微米、10微米；相邻两重复区域1202之间的间距y可以包括以下至少之一：4微米、6微米、8微米。x、y的取值可以参考下表1：
63.[表1]
[0064]
x/μm6810y/μm468
[0065]
选择合适的宽度x和间距y有利于在测试区形成可以等效代替器件区斜坡结构的斜坡结构，从而通过对该谐波结构所属的测试单元进行光学测量，可以等效得到器件区的斜坡结构的几何尺寸参数。
[0066]
作为一种可行的实施方式，在测试区，各重复区域1202的宽度x具有多种取值(请参考图7)；例如，既包括宽度为6微米的重复区域1202，又包括宽度为8微米和/或10微米的重复区域1202。相邻两重复区域1202之间的间距y也可以包括多种取值；例如，既包括间距y等于4微米的地方，又包括间距y等于6微米和/或8微米的地方。如此，可以在一片衬底100上形成多个不同的子测试区，通过对各子测试区分别进行量测，可以找到与器件区的斜坡结构最接近的测试单元，即最适合等效代替器件区芯片的测试单元，从而根据该测试单元的光学测量结果确定器件区的斜坡结构的几何尺寸参数。
[0067]
作为另一种可行的实施方式，在测试区，可以只有一种重复区域1202的宽度x和一
种相邻两重复区域1202之间的间距y(请参考图8)。该宽度x和间距y可以根据经验设定；例如，在找到最适合等效代替器件区芯片的测试单元后，将它的x和y的取值确定为当前制造工艺中测试区x和y的取值。如此，可以简化设计、节省测试区面积。
[0068]
接下来，请参考图4。对牺牲层130的位于器件区的部分和位于测试区的部分同步进行刻蚀，以在器件区形成第一沟槽v1，在测试区形成第二沟槽v2。容易理解的，对牺牲层130的位于器件区的部分和位于测试区的部分同步进行刻蚀是指在同一刻蚀工艺中对上述两个不同的位置进行刻蚀，刻蚀工艺所采用的刻蚀剂、环境温度、气氛、刻蚀时间均相同。因此，在器件区形成第一沟槽v1和在测试区形成第二沟槽v2理论上也应当相同。在第一沟槽v1的侧壁的底部与功能结构层120的上表面之间具有大于90度的倾斜角度α，以使牺牲层130在对应的位置处形成斜坡结构131；同样的，在第二沟槽v2的侧壁的底部与功能结构层120的上表面之间也具有大于90度的倾斜角度α，从而使得牺牲层130在对应的位置处也形成斜坡结构131。
[0069]
其中，第一沟槽v1用于填充支撑结构；填充支撑结构的步骤将在后文中展开说明。对于第一沟槽v1的数量，此处不做具体限制。
[0070]
为了顺利进行光学测量，位于至少一个测试区内的第二沟槽v2的数量为多个，多个第二沟槽v2将牺牲层130的位于测试区的部分分割成多个重复结构1302。这里，多个重复结构1302分别与前述功能结构层120的多个重复区域1202一一对应。
[0071]
可以理解的，重复区域1202的宽度x应当大于等于重复结构1302的底部线宽。这里，重复结构1302的底部线宽同样是指重复结构1302的下表面的在沿重复结构1302的沿排列方向上的尺寸。重复结构1302的底部线宽应当大于等于斜坡结构131的投影宽度c的两倍。各重复结构1302平行排列。沿排列方向各重复结构1302的两侧壁的底部均包括斜坡结构131。
[0072]
这里，重复结构1302的侧壁指的是重复结构1302的外侧壁。
[0073]
位于至少一个测试区内的重复结构1302的数量大于等于4个。从而，有利于使用机台顺利完成对重复结构1302的光学测量。为了更准确地得到斜坡结构131的几何尺寸参数，位于至少一个测试区内的重复结构1302的数量可以大于等于10个。
[0074]
相邻两重复结构1302之间的间距在2微米～15微米的范围内；各重复结构的底部线宽在2微米～15微米的范围内。与各重复区域1202的尺寸对应的，各重复结构1302的宽度可以包括以下至少之一：5微米～6微米、7微米～8微米、9微米～10微米；相邻两重复结构1302之间的间距可以包括以下至少之一：4微米～5微米、6微米～7微米、8微米～9微米。
[0075]
作为一种可行的实施方式，在测试区，各重复结构1302的宽度和相邻两重复结构1302之间的间距可以分别具有多种取值；例如，分别具有三种以上取值。作为另一种可行的实施方式，在测试区，也可以只有一种重复结构1302的宽度和相邻两重复结构1302之间的间距的取值。
[0076]
接下来，通过对多个重复结构1302进行光学测量，得到斜坡结构131的几何尺寸参数。
[0077]
这里，量测多个重复结构1302，得到的数据准确性更高。
[0078]
通过对多个重复结构1302进行光学测量，得到斜坡结构131的几何尺寸参数，可以具体包括：通过对多个重复结构1302进行光学测量，得到斜坡结构131的角度θ。可以理解
的，斜坡结构131的角度θ与倾斜角度α之和等于180度。对多个重复结构1302进行光学测量可以采用薄膜测量系统等角度测量机台执行，例如采用nandk公司的gemini series、8000cd等机台。机台将光照射到重复结构1302上，根据对重复结构1302反射回的信号进行监测，得到斜坡结构131的角度θ。机台在对重复结构1302进行光学测量的光束传播路径示意图可以参考图9。如图所示，入射光束(incident beam)由机台发出后照射在重复结构1302上，经过重复结构1302的作用后形成反射光束(reflected beam)和透射光束(transmitted beam)；从而，机台通过对反射光束和透射光束的监测和光谱分析，输出各项几何尺寸参数，例如直接输出角度值。
[0079]
作为一种可选的实施方式，本技术实施例提供的方法还可以包括：判断斜坡结构131的角度是否属于预设角度范围；如果判断结果为属于，则执行后续工序。
[0080]
这里，预设角度范围例如为20度～45度。可以理解的，斜坡结构131的角度在20度～45度的范围内，更有利于减少应力集中。
[0081]
接下来，请参考图5。执行后续工序，可以包括：在第一沟槽v1内填充支撑结构140。这里，支撑结构140的材料可以为氮化硅。在实际应用中，支撑结构140不仅可以填充在第一沟槽v1内，还可以覆盖牺牲层130的表面上；从而形成一个上部宽、底部窄的结构。
[0082]
接下来，请参考图6。执行后续工序，还可以包括：去除牺牲层130，以在牺牲层130的位置处形成空腔150。在mems传感器中，空腔150可以为功能结构层120的震动提供可动空间。可以理解的，在后续工序中还应当包括形成上电极板的步骤；由于形成上电极板的步骤是mems传感器制造过程中的常见步骤，这里不予展开描述。
[0083]
采用本技术实施例提供的具有斜坡结构的器件的制造方法，可以简化量测斜坡结构的几何尺寸参数的过程，使得整个量测过程简便快速，单台机台即可完成全部量测，直接获得斜坡结构的角度值；通过量测多个重复结构，可以提高量测的准确度；并且，为测量复杂结构的参数提供了参考意见。
[0084]
采用本技术实施例提供的具有斜坡结构的器件的制造方法，在判断斜坡结构的角度属于预设角度范围时，可以继续执行后续工序；在判断斜坡结构的角度不属于预设角度范围时，可以在该步骤后进行报废处理，避免执行后续工序造成时间和成本上的浪费，此外，在一定的情况下，也可能通过及时对工艺进行调整，使得调整后的斜坡结构的角度属于预设角度范围。对于斜坡结构的角度属于预设角度范围并继续执行后续工序的结构，斜坡结构的几何尺寸参数，尤其是角度，将有助于工程师对产品的性能做出评估。
[0085]
在此基础上，本技术实施例还提供了一种半导体结构。该半导体结构例如用于形成mems器件；其中，mems器件例如包括mems麦克风等。该半导体结构可以为一片在表面上已经形成有半导体器件但尚未进行切割的晶圆，从而在该半导体结构上还保留有测试区。
[0086]
具体的，该半导体结构包括：衬底，衬底上包括至少一个器件区和至少一个测试区；功能结构层，形成在器件区和测试区上；支撑结构，形成在功能结构层上，支撑结构的侧壁的底部与功能结构层的上表面之间围成具有第一角度的空腔，第一角度小于90度；位于至少一个测试区内的多个重复单元，各重复单元平行排列，沿排列方向各重复单元的两侧壁的底部与功能结构层的上表面之间具有第二角度，第二角度与第一角度相等。
[0087]
其中，侧壁指的是对应结构的外侧壁；如，支撑结构的侧壁具体指支撑结构的外侧壁；重复单元的两侧壁具体指重复单元的两个相对的外侧壁。第一角度等于角度θ。重复单
元可以为上述重复结构1302，也可以为上述重复结构1302被去除后留下的空腔，本技术对此不做具体限制。应当理解，即使重复单元为上述重复结构1302被去除后留下的空腔，重复单元与上述重复结构1302的位置、形状、几何尺寸参数都是一致的。
[0088]
可选的，位于至少一个测试区内的重复单元的数量大于等于4个。
[0089]
可选的，相邻两重复单元之间的间距在2微米～15微米的范围内；各重复单元的底部线宽在2微米～15微米的范围内。
[0090]
需要说明的是，本技术提供的半导体结构实施例与具有斜坡结构的半导体器件的制造方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。因此，对于本技术实施例提供的半导体结构可以参考上述具有斜坡结构的半导体器件的制造方法实施例，这里不再赘述。
[0091]
应当理解，以上实施例均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在以上实施例的基础上做出各种变形和改变。同样的，也可以对以上实施例的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没有被明确描述的本发明的另外的实施例。因此，上述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不对本发明专利的保护范围进行限制。