專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件加工技術(shù)，特別是一種微機(jī)電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，屬于電學(xué)及半導(dǎo)體領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
在MEMS器件結(jié)構(gòu)中有多層絕緣材料，例如二氧化硅制作的犧牲層、氮化硅，這些材料的厚度是MEMS結(jié)構(gòu)中非常重要的參數(shù)，它直接決定了可動(dòng)結(jié)構(gòu)的縱向移動(dòng)范圍，因此對(duì)這些絕緣層厚度進(jìn)行測(cè)試和工藝監(jiān)視是極具意義的。目前的絕緣層厚度測(cè)試大多采用光學(xué)或機(jī)械的方法，測(cè)量速度慢，不能夠?qū)崿F(xiàn)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的自動(dòng)提取，因此，快捷有效的測(cè)試方法具有實(shí)際意義。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微機(jī)電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，其基本出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)電學(xué)測(cè)量的方式得到絕緣層厚度值。在表面加工工藝中，MEMS器件結(jié)構(gòu)絕緣層通常是二氧化硅、氮化硅或聚合物。本發(fā)明利用絕緣層材料上面具有導(dǎo)電性質(zhì)的多晶硅和絕緣層上的溝槽設(shè)計(jì)電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學(xué)模型求得絕緣層的厚度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且測(cè)量方便快捷。
本發(fā)明為完成上述工作，采用的技術(shù)方案為微機(jī)電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，MEMS器件結(jié)構(gòu)中設(shè)有多層不同絕緣材料制成的絕緣層，其特征是利用待測(cè)絕緣層上面具有導(dǎo)電性質(zhì)的多晶硅條和絕緣層上的溝槽形成電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學(xué)模型求得絕緣層的厚度。
所述測(cè)試結(jié)構(gòu)具體是測(cè)試結(jié)構(gòu)制作區(qū)域的絕緣層位于其他不同屬性的絕緣層之上，在待測(cè)厚度的絕緣層上制作溝槽，溝槽的深度達(dá)到該絕緣層的厚度，即穿透絕緣層，在溝槽上分別制作水平和具有角度的多晶硅條并穿越溝槽，形成兩個(gè)電阻R1、R2；在絕緣層平面上制作具有相同角度的多晶硅直條，形成電阻R3；測(cè)量電阻R1、R2、R3，代入數(shù)學(xué)模型計(jì)算絕緣層的厚度?？稍诙嗑Ч钘l兩端各設(shè)有一塊用于測(cè)試接觸的金屬。因?yàn)榧庸ば纬傻臏喜弁ǔ２皇侵苯?，本發(fā)明的數(shù)學(xué)模型同時(shí)還可以計(jì)算得到溝槽的角度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果 1、采用電阻測(cè)量和計(jì)算模型結(jié)合的方法，通過(guò)電參數(shù)測(cè)量得到絕緣層厚度數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的電學(xué)方法提模建立基礎(chǔ)，具有自動(dòng)化提取的應(yīng)用前景。
2、測(cè)試方法和所需的測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，與普通電子器件的測(cè)量方法一致，可以在計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)完成測(cè)試與計(jì)算。



圖1是測(cè)試結(jié)構(gòu)基本原理圖。

具體實(shí)施例方式 參看圖1，在測(cè)試結(jié)構(gòu)中，104是絕緣層107上開(kāi)的溝槽，107的厚度等于t2，t2是本發(fā)明最終要求的參量。由A-A剖面可見(jiàn)，其深度達(dá)到下面的絕緣層108，107和108是不同屬性的絕緣層材料，例如，108為氮化硅，107為二氧化硅。溝槽104的寬度設(shè)計(jì)尺寸為S1，長(zhǎng)度以能夠放下多晶硅條R1、R2并留有一定的長(zhǎng)度余量為設(shè)計(jì)尺寸，如圖1所示。經(jīng)過(guò)刻蝕加工的溝槽104通常存在一定的角度，即上下寬度不同，該角度以α表示。
106是多晶硅材料，其厚度等于t1。101是多晶硅材料106經(jīng)光刻、刻蝕制作的多晶硅電阻條R1，多晶硅條R1平行于X軸放置。在多晶硅條R1的兩端各有一塊用于測(cè)試接觸的金屬105，105的外端可以根據(jù)測(cè)試探針的要求放大，105的內(nèi)端定義了S2尺寸的計(jì)算起點(diǎn)。該多晶硅條的電阻R1＝S2區(qū)電阻×2+L2區(qū)電阻+L1區(qū)電阻×2+拐角電阻×4。其中，S2區(qū)電阻是指在長(zhǎng)度為S2、寬度為W、厚度為t1的多晶硅條上的電阻；L2區(qū)電阻是指在長(zhǎng)度為L(zhǎng)2、寬度為W、厚度為t1的多晶硅條上的電阻；L1區(qū)電阻是指在長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、寬度為W、厚度為t1的多晶硅條上的電阻。如圖所示，L1是一斜邊長(zhǎng)；拐角電阻是指在槽的四個(gè)拐角上產(chǎn)生的電阻。這里，因?yàn)榻佑|電阻較小，所以忽略了金屬105與多晶硅106的接觸電阻(下同)。
多晶硅條102結(jié)構(gòu)和101相似，所不同的是，102是一個(gè)傾斜結(jié)構(gòu)，其對(duì)于X軸的傾斜角度為β。多晶硅條102構(gòu)成電阻R2，電阻R2＝S2區(qū)電阻×2+L2區(qū)電阻+L1區(qū)電阻×2+拐角電阻×4。和R1的不同之處在于，因?yàn)橛幸粋€(gè)傾斜角度β，各區(qū)的電阻長(zhǎng)度和寬度都發(fā)生了變化。
多晶硅條103是電阻R3，其傾斜情況同102，只不過(guò)它不經(jīng)過(guò)槽104，而位于絕緣層平面上。103對(duì)X軸的投影長(zhǎng)度＝S1×2+S2，即R1、R2、R3對(duì)X軸的投影長(zhǎng)度相等。103可以放在圖1所示的位置，也可以放在絕緣層平面上的其他位置。
109是襯底材料，通常是硅。
計(jì)算方法 根據(jù)半導(dǎo)體工藝原理，多晶硅106電阻條的電阻R計(jì)算公式為 其中，RS為半導(dǎo)體材料的薄層電阻值，L為多晶硅條的長(zhǎng)度，W為多晶硅條的有效寬度。
拐角電阻Rg計(jì)算需要考慮電流流動(dòng)主要集中在內(nèi)拐角(路徑短)，因此，需要乘上修正因子λ，其計(jì)算公式為 當(dāng)W遠(yuǎn)大于t1時(shí)，R2拐角的計(jì)算采用上式近似。
作為檢測(cè)材料的多晶硅，其參數(shù)，如薄層電阻值RS和厚度t1，有專(zhuān)門(mén)的電學(xué)測(cè)試方法，這里作為已知量處理。其他已知量還包括W、S1、S2、β，這些是設(shè)計(jì)值。同時(shí)，按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正因子λ約為0.5，所以，Rg也可以簡(jiǎn)單地計(jì)算得到。電阻R1、R2、R3是測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)量值，通過(guò)簡(jiǎn)單的電學(xué)測(cè)量就可以從實(shí)際制作的測(cè)試結(jié)構(gòu)測(cè)得。
參看圖1，根據(jù)幾何關(guān)系以及電阻的寬長(zhǎng)比關(guān)系，可以得出以下關(guān)系式。
設(shè)計(jì)值S1和由加工引起的X、L2的關(guān)系為 L2+2X＝S1(3) 由此，得到電阻R1的計(jì)算公式為 下面闡述如何得到電阻R2的關(guān)系式 對(duì)于平行四邊形電阻，在任何一條平行于直邊的電流通路上，其長(zhǎng)度都是相同的，以中心線進(jìn)行長(zhǎng)度度量，R3的中心線長(zhǎng)度為(S1+2S2)/Cosβ。R2、R3的寬度相等，通過(guò)測(cè)量R3的值，可以得到在這樣的電阻條上，單位長(zhǎng)度的平行四邊形電阻值為R3除以中心線長(zhǎng)，記為R0。
R0＝R3·Cosβ/(S1+2S2)(7) 因此，電阻R2關(guān)系式為 在(3)～(8)式中，(7)式實(shí)際上是通過(guò)測(cè)量R3可以直接得到結(jié)果的。其他的5個(gè)方程中包含了5個(gè)未知量L1、L2、x、t2、α，并在每個(gè)方程中都存在2個(gè)或2個(gè)以上的未知量，可以通過(guò)聯(lián)立求解。
為使方程簡(jiǎn)潔，這里進(jìn)行整理。
令(6)式中的相關(guān)常數(shù)量為則(6)式簡(jiǎn)化為2L1+L2＝A。
同理，令(8)式中的相關(guān)常數(shù)量為(8)式被簡(jiǎn)化為 在上面的整理中，將R1、R2、R3作為已知量進(jìn)行考慮是因?yàn)樗鼈兪菧y(cè)量值。
整理得到用于求解的方程組 結(jié)論通過(guò)測(cè)量三個(gè)電阻的值不僅可以簡(jiǎn)單地得到MEMS表面加工中絕緣層厚度的值，而且也可求出刻蝕過(guò)程中的刻蝕傾角。測(cè)試方法簡(jiǎn)單，計(jì)算方便。
應(yīng)用示例 以犧牲層的厚度測(cè)量為例。在MEMS結(jié)構(gòu)中，運(yùn)動(dòng)部件通常通過(guò)犧牲層的去除來(lái)釋放結(jié)構(gòu)，這也是犧牲層名稱(chēng)的來(lái)源。這里的犧牲層是二氧化硅，犧牲層厚度直接決定了運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)間隙，因此，犧牲層厚度是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
本例的測(cè)量二氧化硅犧牲層厚度的測(cè)量結(jié)構(gòu)制作在氮化硅材料之上，即106為多晶硅，107為二氧化硅，108為氮化硅。幾何參數(shù)為S1＝150μm、S2＝50μm、W＝20μm、β＝45°多晶硅的厚度t1＝1μm。電學(xué)參數(shù)Rs＝20Ω/口，計(jì)算得到Rg＝0.5Ω。測(cè)試結(jié)果R1＝252Ω，R2＝356.5Ω，R3測(cè)試得到的R0＝1Ω。
把以上參數(shù)代入求解方程組，得到 溝槽邊傾角α＝83.2° 犧牲層厚度t2＝2.14μm。
權(quán)利要求
1.微機(jī)電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，MEMS器件結(jié)構(gòu)中設(shè)有多層不同絕緣材料制成的絕緣層，其特征是利用待測(cè)絕緣層上面具有導(dǎo)電性質(zhì)的多晶硅條和絕緣層上的溝槽形成電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學(xué)模型求得絕緣層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是測(cè)試結(jié)構(gòu)制作區(qū)域的絕緣層位于其他不同屬性的絕緣層之上，在待測(cè)厚度的絕緣層上制作溝槽，溝槽的深度達(dá)到該絕緣層的厚度，即穿透絕緣層，在溝槽上分別制作水平和具有角度的多晶硅條并穿越溝槽，形成兩個(gè)電阻R1、R2；在絕緣層平面上制作具有相同角度的多晶硅直條，形成電阻R3；測(cè)量電阻R1、R2、R3，代入數(shù)學(xué)模型計(jì)算絕緣層的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是在多晶硅條兩端各設(shè)有一塊用于測(cè)試接觸的金屬。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種表面加工MEMS器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，其基本出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)電學(xué)測(cè)量的方式得到絕緣層厚度值。在表面加工工藝中，MEMS器件結(jié)構(gòu)絕緣層通常是二氧化硅、氮化硅或聚合物。本發(fā)明利用絕緣層材料上面具有導(dǎo)電性質(zhì)的多晶硅和絕緣層上的溝槽，設(shè)計(jì)電學(xué)測(cè)試結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學(xué)模型求得絕緣層的厚度。
文檔編號(hào)G01B7/06GK101158568SQ20071013558
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者李偉華, 錢(qián)曉霞 申請(qǐng)人:東南大學(xué)