专利名称：硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法
硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法
駄繊
本发明鄉了一种用于硅(ioo)衬底各向异鹏蚀中做直角形式凸角结构的丰Hi图形^^方法，属 于面向制造的硅各向异性腐蚀图形设计技术领域。
背景駄
硅的各向异性腐蚀技术是指在硅的腐蚀过程中，硅的不同晶面具有不同的腐蚀速度，采用硅各
向异性腐蚀技术能够制造多种微机电系统(MEMS)结构。但正是因为腐蚀过程的各向异性，往往得 到的结构和设计的掩膜不一致，典型情况是器件结构中的凸角被切削。图l说明了这种情况，按照 半导体物理理论，在硅(100)衬底上，〈110〉族晶向包含了 4条位于不同象限的晶向，以图1中al~a4 直线所示，<310>族晶向则有4个方向8条直线，以图1中直线b广b8所示。其中，<110>晶向腐蚀 速率非常小，以至于通常认为不腐蚀，而〈310〉晶向的腐蚀速度很快，是快腐蚀晶向。器件设计中， 大部分的矩形器件结构都采用〈110〉晶向为结构的直角边以保证器件直边的形状，但是，在直边相交 的凸角处，因为受〈310〉晶向腐蚀速度的影响，将被切削为钝角。为了得到所需的结构，必须在设计 时有意使掩膜图形偏离目标图形，利用腐蚀过程的各向异性，最终得到目标结构。凸角补偿图形设 计是典型的补偿设计技术，所谓凸角补偿是指对于目标图形上的凸角，在设计掩膜时增加一些辅助 的图形，随着腐蚀进行，这些多余部分被腐蚀去除，当腐蚀结束时，得到所需的目标图形。直角台 面是典型的凸角结构，因此，在制作具有直角形状的台面结构时，必须设计补偿图形。
目前，对于硅(100)衬底上的直角补偿图形，大部分来源于实验结论，缺乏具有共性的补偿图 形生成方法，当出现相邻图形距离和典型补偿图形尺寸冲突时，无法对补偿图形进行变化以满足几 何结构要求。实际上，直角补偿图形有许多可能的形状，但因为没有共性方法支持，人们不知道怎 样从理论上而非实验中产生新的补偿图形来满足目标图形的要求。
发明内容
技术问题本发明提供了一种硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法，提供了 一种补偿图形的拓扑结构，由此拓扑结构可以产生出多种多样的直角形式凸角补偿图形(下面简称 为直角补偿图形)，大大增加了设计直角补偿图形的灵活性。
技术方案本发明的硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法，其特征是，对于 硅(100)衬底上制作的含有直角形式凸角，且该直角由两条〈110〉晶向为直边构成的目标器件结构， 其直角补偿图形生成的过程由两个步骤实现首先建立直角补偿图形的拓扑结构，然后根据直角补 偿图形生成方法产生具体的直角补偿图形。
直角补偿图形拓扑结构是由硅(100)衬底表面存在的4个不同方向〈310〉族晶向的8条直线交 织构成的网格，每一个方向〈310〉族晶向直线为2条，以被补偿直角顶点对称，直角补偿图形拓扑结 构共由8条直线组成;每条〈310〉族晶向直线到被补偿直角顶点的距离d由腐蚀深度和具体工艺决定， 每个被补偿直角由〈110〉族晶向的直线构成。
具体直角补偿图形，可以采用下述的两个方法生成
3a. 补偿图形是由直角的两条直边和部分或全部〈310〉族晶向的直线所围成的多边形，要求该多边形的外轮廓不能包含由两条不同方向的〈310〉族晶向直线所形成的凹角，也不能包含由直角边与〈310〉族晶向直线所形成的锐角
b. 补偿图形是由〈110〉族晶向直线所围成的多边形，除被补偿直角的边与其他表示〈UO〉晶向的直线所形成凸角外，要求该多边形的所有凸角顶点都落在〈310〉族晶向直线上，不允许任何<310>族晶向的直线和补偿图形相交两次或两次以上。
有益效果与现有的补偿图形来源于实验的技术途径不同，本发明所提供的技术方法来源于硅各向异性腐蚀的机制与原理，能够灵活地产生多种多样的具体直角补偿图形。在具体的器件结构设计中，可以根据实际器件的结构要求选择所需要的补偿图形，同时能够根据具体的加工工艺设计补偿图形的具体尺寸。大量的模拟与实验验证表明，根据本发明的技术方法所产生的各种补偿图形，都能有效地保护目标直角结构，得到符合要求的直角。同时，大多数目前由实验所得到的补偿图形也都能够通过本发明所提供的技术产生。
基于以上特点，本发明具有理论原理清晰，具体补偿结构生成方便、灵活的优点。同时，因为本发明所提供的技术方法具有明确的技术路径.非常适合应用到计算机辅助设计系统中，用以自动产生直角补偿图形。
图1硅(100)衬底上〈110〉晶向和〈310〉晶向。图2直角补偿图形的拓扑结构。
图3右上直角处的拓扑结构。其各〈310〉边到直角顶点的距离都是148. 4//历。'
图4补偿图形示例1。该图形的生成采用了直角补偿图形生成方法A。图中拓扑结构以虚线表示，具体直角补偿图形用实线表示。
图5补偿图形示例2。该图形的生成也采用了直角补偿图形生成方法A。图中拓扑结构以虚线表示，具体直角补偿图形用实线表示。
图6补偿图形示例3。该图形的生成采用了直角补偿图形生成方法B。图中拓扑结构以虚线表示，具体直角补偿图形用实线表示。
图7补偿图形示例4。该图形的生成采用了直角补偿图形生成方法B。图中拓扑结构以虚线表示，具体直角补偿图形用实线表示。
具鹏歸式
本发明提出的直角补偿图形生成方法分为两个主要技术步骤建立直角补偿图形的拓扑结构并确定拓扑边界到直角顶点的垂直距离；根据一定的规则生成具体的直角补偿图形。下面对技术步骤进行详细地介绍。1.拓扑结构
本发明提出的直角补偿图形的拓扑结构是由硅(100)衬底表面存在的4个不同方向〈310〉族晶向的8条直线交织构成的网格，如图2所示。每一个方向〈310〉族晶向直线为2条，以被补偿直角顶点对称，因此，直角补偿图形拓扑结构共由8条直线组成。以b广b8直线所表示的〈310〉晶向围绕所需要补偿的直角外边界。每条〈310〉族晶向直线到被补偿直角顶点的距离d由腐蚀深度和具体工艺决定。每个被补偿直角由〈110〉族晶向的直线构成。因为直角在空间有4个可能的位置和方向，不失一般性，每个直角由表示〈110〉晶向的al、4中的两条直线确定，因此，图2给出了4个位置和方向的直角补偿拓扑结构。
直线b广b8距离直角顶点的距离均为d。 d确定了拓扑结构中的每一条〈310〉晶向到直角顶点的距离，d的大小由下式决定
</ = g
V<Wtf> v"司
其中，^是腐蚀深度，&,。>表示<310>晶向的平面腐蚀速率，ru。。,表示(100)衬底腐蚀深度方向的腐蚀速率，它们的大小由具体的腐蚀工艺决定。2.具体直角补偿图形的生成方法
具体的直角补偿图形可以按下列两个方法生成
A. 补偿图形是由直角的两条直边和部分或全部〈310〉族晶向的直线所围成的多边形，要求该多边形的外轮廓不能包含由两条不同方向的〈310〉族晶向直线所形成的凹角，也不能包含由直角边与〈310〉族晶向直线所形成的锐角。
B. 补偿图形是由〈110〉族晶向直线所围成的多边形，除被补偿直角的边与其他表示〈110〉晶向的直线所形成凸角外，要求该多边形的所有凸角顶点都落在〈310〉族晶向直线上，不允许任何〈310〉族晶向的直线和补偿图形相交两次或两次以上。
本发明的技术实现过程是，利用硅(100)衬底上腐蚀速度非常小的〈110〉晶向和腐蚀速度快的
<310〉晶向，形成能够生成具体直角补偿图形的结构，即拓扑结构。以该拓扑结构为基础，按照上述
方法，选择一定的几何线条产生具体的补偿图形，其原理是利用不同晶向的腐蚀速率的差异控制腐
蚀发生的方向和位置，从而达到控制最终目标图形的目的。 '
下面以图2所示拓扑结构的右上直角的补偿图形生成说明具体图形结构。假设采用30W的K0H腐蚀液在70。 C下腐蚀，要求腐蚀深度^^W/i范，y<31。>=1.484 (,加/分A
"/a、fiC,、, J 細X"W「hxo-1 (W历/分A所以，rf =-=
图3显示了该直角补偿图形的拓扑结构，其中，每条〈310〉直线到直角顶点的距离都是l48.4//
首先给出按照具体直角补偿图形生成方法A所生成的两个补偿图形示例。
图4显示的是采用bl、 b2和直角边al、 a2所构成的补偿图形，该图形添加在目标图形边界al、a2上就成为右上直角结构的补偿图形。显然，该补偿图形上直线bl、 b2不形成凹角，al和bl所形成的外角不是锐角，a2和b2所形成的外角也不是锐角。该补偿图形结构与许多文献上介绍的由实验得到的直角补偿图形一致。
图5显示的是采用al、 b6、 b8、 b3、 b5和a2所构成的补偿图形，同理，该图形添加在目标图形边界al、 a2上也成为右上直角结构的补偿图形。显然，该补偿图形上外轮廓不包含由bi所形成的凹角，al和b6所形成的外角不是锐角，a2和b5所形成的外角也不是锐角。
下面，再按照具体直角补偿图形的生成方法B产生两个补偿图形示例。
图6显示了一个以〈110〉晶向所对应的直线所构成的补偿图形，该图形添加在目标图形边界al、a2上成为右上直角结构的补偿图形。按顺时针方向观察，该多边形的凸角分别落在bl与b6交点、b8与b3交点和b5、 b2交点上，没有和任何bi直线相交两次。该补偿图形结构也与许多文献上介绍的由实验得到的直角补偿图形一致。
图7则给出了另一个以〈110〉晶向所对应直线所构成的补偿图形的例子，该图形添加在目标图形
5边界al、 a2上也成为右上直角结构的补偿图形。按顺时针方向观察，该多边形的凸角分别落在bl、bl与b6交点、b8与b3交点、b5与b2交点上以及b2上，没有和任何bi直线相交两次。
以上的4个示例都经各向异性腐蚀模拟软件ACES的分析验证，表明这些补偿结构能够有效的对直角进行保护，最终可以得到直角目标图形。
权利要求
1、一种硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法，其特征是，对于硅(100)衬底上制作的含有直角形式凸角，且该直角由两条<110>晶向为直边构成的目标器件结构，其直角补偿图形生成的过程由两个步骤实现首先建立直角补偿图形的拓扑结构，然后根据直角补偿图形生成方法产生具体的直角补偿图形。
2、 根据权利要求1所述的硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法，其特征 在于，直角补偿图形拓扑结构是由硅(100)衬底表面存在的4个不同方向<310>族晶向的8条直线 交织构成的网格，每一个方向<310>族晶向直线为2条，以被补偿直角顶点对称，直角补偿图形拓 扑结构共由8条直线组成；每条<310>族晶向直线到被补偿直角顶点的距离d由腐蚀深度和具体工 艺决定，每个被补偿直角由<110>族晶向的直线构成。
3、 根据权利要求1所述的硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法，其特征 在于具体直角补偿图形，可以采用下述的两个方法生成a. 补偿图形是由直角的两条直边和部分或全部<310>族晶向的直线所围成的多边形，要求该多 边形的外轮廓不能包含由两条不同方向的<310>族晶向直线所形成的凹角，也不能包含由直角边 与<310>族晶向直线所形成的锐角；b. 补偿图形是由<110>族晶向直线所围成的多边形，除被补偿直角的边与其他表示<110>晶向 的直线所形成凸角外，要求该多边形的所有凸角顶点都落在<310>族晶向直线上，不允许任何 <310>族晶向的直线和补偿图形相交两次或两次以上。
全文摘要
硅(100)衬底各向异性腐蚀中直角结构补偿图形生成方法，提供了一种补偿图形的拓扑结构，由此拓扑结构可以产生出多种多样的直角形式凸角补偿图形，对于硅(100)衬底上制作的含有直角形式凸角，且该直角由两条<110>晶向为直边构成的目标器件结构，其直角补偿图形生成的过程由两个步骤实现首先建立直角补偿图形的拓扑结构，然后根据直角补偿图形生成方法产生具体的直角补偿图形。硅的各向异性腐蚀技术是指在硅的腐蚀过程中，硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率，采用硅各向异性腐蚀技术能够制造许多种微机电系统(MEMS)结构。本发明具有理论原理清晰，具体补偿生成方便、灵活的优点。同时，因为本发明所提供的技术方法具有明确的技术路径，非常适合应用到计算机辅助设计系统中。
文档编号H01L21/306GK101510509SQ20091003006
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者涵 张, 李伟华 申请人:东南大学