專利名稱：微機電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學測試結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)器件加工技術(shù)，特別是一種微機電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學測試結(jié)構(gòu)，屬于電學及半導(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)，它直接決定了可動結(jié)構(gòu)的縱向移動范圍，因此對這些絕緣層厚度進行測試和工藝監(jiān)視是極具意義的。目前的絕緣層厚度測試大多采用光學或機械的方法，測量速度慢，不能夠?qū)崿F(xiàn)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的自動提取，因此，快捷有效的測試方法具有實際意義。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微機電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學測試結(jié)構(gòu)，其基本出發(fā)點是通過電學測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)計電學測試結(jié)構(gòu)，通過測量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學模型求得絕緣層的厚度，結(jié)構(gòu)簡單且測量方便快捷。
本發(fā)明為完成上述工作，采用的技術(shù)方案為微機電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學測試結(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測試結(jié)構(gòu)，通過測量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學模型求得絕緣層的厚度。
所述測試結(jié)構(gòu)具體是測試結(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，在待測厚度的絕緣層上制作溝槽，溝槽的深度達到該絕緣層的厚度，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；測量電阻R1、R2、R3，代入數(shù)學模型計算絕緣層的厚度?？稍诙嗑Ч钘l兩端各設(shè)有一塊用于測試接觸的金屬。因為加工形成的溝槽通常不是直角，本發(fā)明的數(shù)學模型同時還可以計算得到溝槽的角度。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果 1、采用電阻測量和計算模型結(jié)合的方法，通過電參數(shù)測量得到絕緣層厚度數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)全自動的電學方法提模建立基礎(chǔ)，具有自動化提取的應(yīng)用前景。
2、測試方法和所需的測試設(shè)備簡單，與普通電子器件的測量方法一致，可以在計算機輔助測試(CAT)系統(tǒng)內(nèi)自動完成測試與計算。



圖1是測試結(jié)構(gòu)基本原理圖。

具體實施例方式 參看圖1，在測試結(jié)構(gòu)中，104是絕緣層107上開的溝槽，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，其深度達到下面的絕緣層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)計尺寸為S1，長度以能夠放下多晶硅條R1、R2并留有一定的長度余量為設(shè)計尺寸，如圖1所示。經(jīng)過刻蝕加工的溝槽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試接觸的金屬105，105的外端可以根據(jù)測試探針的要求放大，105的內(nèi)端定義了S2尺寸的計算起點。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)電阻是指在長度為L2、寬度為W、厚度為t1的多晶硅條上的電阻；L1區(qū)電阻是指在長度為L1、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；拐角電阻是指在槽的四個拐角上產(chǎn)生的電阻。這里，因為接觸電阻較小，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是一個傾斜結(jié)構(gòu)，其對于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，因為有一個傾斜角度β，各區(qū)的電阻長度和寬度都發(fā)生了變化。
多晶硅條103是電阻R3，其傾斜情況同102，只不過它不經(jīng)過槽104，而位于絕緣層平面上。103對X軸的投影長度＝S1×2+S2，即R1、R2、R3對X軸的投影長度相等。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為多晶硅條的長度，W為多晶硅條的有效寬度。
拐角電阻Rg計算需要考慮電流流動主要集中在內(nèi)拐角(路徑短)，因此，需要乘上修正因子λ，其計算公式為 當W遠大于t1時，R2拐角的計算采用上式近似。
作為檢測材料的多晶硅，其參數(shù)，如薄層電阻值RS和厚度t1，有專門的電學測試方法，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)計值。同時，按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)，修正因子λ約為0.5，所以，Rg也可以簡單地計算得到。電阻R1、R2、R3是測試結(jié)構(gòu)的測量值，通過簡單的電學測量就可以從實際制作的測試結(jié)構(gòu)測得。
參看圖1，根據(jù)幾何關(guān)系以及電阻的寬長比關(guān)系，可以得出以下關(guān)系式。
設(shè)計值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的計算公式為 下面闡述如何得到電阻R2的關(guān)系式 對于平行四邊形電阻，在任何一條平行于直邊的電流通路上，其長度都是相同的，以中心線進行長度度量，R3的中心線長度為(S1+2S2)/Cosβ。R2、R3的寬度相等，通過測量R3的值，可以得到在這樣的電阻條上，單位長度的平行四邊形電阻值為R3除以中心線長，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)式實際上是通過測量R3可以直接得到結(jié)果的。其他的5個方程中包含了5個未知量L1、L2、x、t2、α，并在每個方程中都存在2個或2個以上的未知量，可以通過聯(lián)立求解。
為使方程簡潔，這里進行整理。
令(6)式中的相關(guān)常數(shù)量為則(6)式簡化為2L1+L2＝A。
同理，令(8)式中的相關(guān)常數(shù)量為(8)式被簡化為 在上面的整理中，將R1、R2、R3作為已知量進行考慮是因為它們是測量值。
整理得到用于求解的方程組 結(jié)論通過測量三個電阻的值不僅可以簡單地得到MEMS表面加工中絕緣層厚度的值，而且也可求出刻蝕過程中的刻蝕傾角。測試方法簡單，計算方便。
應(yīng)用示例 以犧牲層的厚度測量為例。在MEMS結(jié)構(gòu)中，運動部件通常通過犧牲層的去除來釋放結(jié)構(gòu)，這也是犧牲層名稱的來源。這里的犧牲層是二氧化硅，犧牲層厚度直接決定了運動結(jié)構(gòu)的運動間隙，因此，犧牲層厚度是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
本例的測量二氧化硅犧牲層厚度的測量結(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。電學參數(shù)Rs＝20Ω/口，計算得到Rg＝0.5Ω。測試結(jié)果R1＝252Ω，R2＝356.5Ω，R3測試得到的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.微機電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學測試結(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測試結(jié)構(gòu)，通過測量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學模型求得絕緣層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學測試結(jié)構(gòu)，其特征是測試結(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，在待測厚度的絕緣層上制作溝槽，溝槽的深度達到該絕緣層的厚度，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；測量電阻R1、R2、R3，代入數(shù)學模型計算絕緣層的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機電系統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)中絕緣層厚度的電學測試結(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測試結(jié)構(gòu)，其基本出發(fā)點是通過電學測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)計電學測試結(jié)構(gòu)，通過測量多晶硅條的電阻并代入數(shù)學模型求得絕緣層的厚度。
文檔編號G01B7/06GK101158568SQ20071013558
公開日2008年4月9日 申請日期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, 錢曉霞 申請人:東南大學