CN100478646C - 多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构 - Google Patents
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Abstract
多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构是基于表面加工工艺的多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，该测试结构由三个多晶硅弯梁即第一弯梁(101)、第二弯梁(102)、第三弯梁(103)和四个压焊块即第一压焊块(105)、第二压焊块(106)、第三压焊块(107)、第四压焊块(104)组成；这三个多晶硅弯梁平行排列，在这三个多晶硅弯梁的中间点的两面分别设有触点，各触点之间的间距相等；第一弯梁的两端分别接第一压焊块和第四压焊块，第二弯梁的两端分别接第二压焊块和第四压焊块，第三弯梁的两端分别接第三压焊块和第四压焊块。测试速度快，且对测量设备的要求较低；所施加和检测的测试信号都是电学量，可实现在线检测。
Description
技术领域
本发明是基于表面加工工艺的多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，属于微电子机械系统(MEMS)工艺参数测试的技术领域。
背景技术
多晶硅在集成电路(IC)工业和微电子机械(Micro Electro MechanicalSystem，简称MEMS)中都是一种非常重要的材料，已被成功地用于制造微机械结构、集成的电学互连、热耦、p-n结二极管和其它具有微机械结构的电子器件。基于多晶硅的表面加工技术现已成为一项很重要的薄平器件制作技术。对多晶硅薄膜材料参数的研究从集成电路的发展初期就已经开始，但以前对多晶硅薄膜的研究更多是关注它的制备工艺与电学特性。对于MEMS而言，多晶硅薄膜的机械材料参数也是非常值得关注的，其中薄膜的残余应变就是一项非常重要的机械参数。
多晶硅薄膜的制备过程所引入的残余应变会导致由多晶硅构造的微结构在牺牲层释放之后发生变形，甚至翘曲，过大的残余应变还会导致微结构的损坏。微结构中的残余应变还能影响到器件的谐振频率，残余应变和压阻效应结合能够引起多晶硅的阻值变化，所以多晶硅薄膜的残余应变对MEMS器件的性能影响很大，必须在制作工艺过程中控制薄膜的残余应变才能制作出预期性能的MEMS器件。因此，精确的残余应变测量对于优化多晶硅的加工过程是非常重要的。能否及时掌握薄膜的残余应变，对于监控器件制造工艺、分析期间性能是至关重要的。
在本发明之前已经有了几种基于MEMS技术的多晶硅薄膜残余应变的测试方法。然而这些测试方法总是或多或少存在以下的一些问题，使它们不利于薄膜残余应变的在线检测。例如，一部分测试方法采用激光干涉测试或纳米压痕仪，但是这些测试仪器都有很高的价格成本；还有一部分测试方法只需要普通的显微镜，但是需要工作人员手工观测计算，测量效率底。总而言之，已有的测试方法的缺点主要为：需要特别的测试仪器，不能利用已有的集成电路测试设备；人工操作动作多，测试速度慢，不适合大批量的工业生产测试要求；不使用电学量来测量，从而难以在封装之后进行再检测，即不能提供实时的在线测量。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种能在自然环境下测试表面加工多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，能够实现监控器件制造工艺所需工艺参数的目的。
技术方案：本发明的多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，其特征在于该测试结构由三个多晶硅弯梁即第一弯梁、第二弯梁、第三弯梁和四个压焊块即第一压焊块、第二压焊块、第三压焊块、第四压焊块组成；这三个多晶硅弯梁平行排列，在这三个多晶硅弯梁的中间点的两面分别设有触点，各触点之间的间距相等；第一弯梁的两端分别接第一压焊块和第四压焊块，第二弯梁的两端分别接第二压焊块和第四压焊块，第三弯梁的两端分别接第三压焊块和第四压焊块。在每个弯梁的中间的触点上都镀有金属薄膜，即在第一弯梁的两侧分别镀有第一弯梁下金属薄膜、第一弯梁上金属薄膜，在第二弯梁的两侧分别镀有第二弯梁下金属薄膜、第二弯梁上金属薄膜，在第三弯梁的两侧分别镀有第三弯梁下金属薄膜、第三弯梁上金属薄膜。该检测结构的工艺层由硅衬底、二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层、铝引线层自下至上组成。
本发明的多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构的在线检测方法是，第四压焊块始终保持在零电位，首先向第一压焊块施加逐渐增加的电压，第一压焊块所施加的电流产生的焦耳热会使第一弯梁的温度上升，并由于热膨胀效应而向第二弯梁靠近，最终与第二弯梁相接触，造成第二压焊块上的电位突然由零跳变至第一压焊块电位的一半左右，记录下第一压焊块在第二压焊块电位跳变时的电压电流值；移除第一压焊块上的电压，然后对第二压焊块施加逐步增加的电压，并记录下第二压焊块在第三压焊块上有电位跳变时所输入的电压电流值；通过将这两组电压和电流值的测试数据带入根据工程热力学理论和结构力学超静定力系求解方法而推导出的测试模型，计算出多晶硅薄膜的残余应变。
有益效果：本发明的优点为：制造工艺和测试结构较为简单；测试方法简单易行，测量精度较高，独立性较好，不需要知道其它的多晶硅薄膜材料参数；测试可以在自然环境下进行，测试速度快，且对测量设备的要求较低；所施加和检测的测试信号都是电学量，可实现在线检测。
附图说明
图1是本发明实施例中测试结构的示意图(顶视图)，
图2是本发明实施例中测试结构的示意图(前视图)，
以上的图中有第一弯梁101、第二弯梁102、第三弯梁103、第四压焊块104、第一压焊块105、第二压焊块106、第三压焊块107、硅衬底201、二氧化硅层202、氮化硅层203、多晶硅层204、铝引线层205。
具体实施方式
本发明是一种基于表面加工工艺的多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，该测试结构由三个多晶硅弯梁即第一弯梁101、第二弯梁102、第三弯梁103和四个压焊块即第一压焊块105、第二压焊块106、第三压焊块107、第四压焊块104组成；这三个多晶硅弯梁平行排列，在这三个多晶硅弯梁的中间点的两面分别设有触点，各触点之间的间距相等；第一弯梁101的两端分别接第一压焊块105和第四压焊块104，第二弯梁102的两端分别接第二压焊块106和第四压焊块104，第三弯梁103的两端分别接第三压焊块107和第四压焊块104。为了让相邻的弯梁结构能够有比较好的电学接触，每个弯梁的中间都镀有金属薄膜，即在第一弯梁101的两侧分别镀有第一弯梁下金属薄膜108、第一弯梁上金属薄膜109，在第二弯梁102的两侧分别镀有第二弯梁下金属薄膜110、第二弯梁上金属薄膜111，在第三弯梁103的两侧分别镀有第三弯梁下金属薄膜112、第三弯梁上金属薄膜113。
该检测结构的工艺层由硅衬底201、二氧化硅层202、氮化硅层203、多晶硅层204、铝引线层205自下至上组成。
图1中的第一弯梁101、第二弯梁102的几何尺寸完全相同：厚度都是2μm，宽度都为4μm，跨度(弯梁的两端点之间距)都为400μm，高度都为15μm。第三弯梁103的高度为20μm，第三弯梁103的厚度、宽度、跨度与第一弯梁101的厚度、宽度、跨度相同。
测量的整个过程中压焊块104的电位始终保持为零电位。
首先对图1所示的第一压焊块105施加逐步增加的电压(电压的上升速度为10毫伏每秒)，该电压导致多晶硅第一弯梁101上的电流逐步增加，电流所产生的焦耳热使第一弯梁101的温度也逐步上升，而热膨胀效应会驱使第一弯梁101的顶点即第一弯梁上金属薄膜109向第二弯梁下金属薄膜110靠近，当第一弯梁101上的电流上升到某个电流值(10mA左右)时，第一弯梁上金属薄膜109将会和第二弯梁下金属薄膜110接触上，这时第二压焊块106上的电位会突然从零电位跳至第一压焊块105电位值的一半，记录下第一压焊块105在此时刻的电压值(V1)和电流值(I1)。
撤除第一压焊块105上的电压；
接着对第二压焊块106施加逐步增加的电压(电压的上升速度为10毫伏每秒)，该逐步上升的电压导致多晶硅第二弯梁102上的电流也逐步增加，电流所产生的焦耳热使第二弯梁102的温度也逐步上升，而热膨胀效应会驱使第二弯梁102的顶点即第二弯梁上金属薄膜111向第三弯梁103的顶点即第三弯梁下金属薄膜112靠近；当第二弯梁102上的电流上升到某个电流值(11mA左右)时，第二弯梁上金属薄膜111将会和第三弯梁下金属薄膜112接触上，这时第三压焊块107上的电位会突然从零电位跳至压第二焊块106电位值的一半，记录下第二压焊块106在此时刻的电压值(V2)和电流值(I2)。
撤除压焊块106上的电压；
测试过程结束。
通过根据工程热力学理论和结构力学超静定力系求解方法而推导出的测试模型，综合两组测试数据(V1、I1和V2、I2)和测试结构的几何尺寸值，可计算出多晶硅薄膜的残余应变。
Claims (3)
1、一种多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，其特征在于该在线检测结构由三个多晶硅弯梁即第一弯梁(101)、第二弯梁(102)、第三弯梁(103)和四个压焊块即第一压焊块(105)、第二压焊块(106)、第三压焊块(107)、第四压焊块(104)组成；这三个多晶硅弯梁平行排列，在这三个多晶硅弯梁的中间点的两面分别设有触点，各触点之间的间距相等；第一弯梁(101)的两端分别接第一压焊块(105)和第四压焊块(104)，第二弯梁(102)的两端分别接第二压焊块(106)和第四压焊块(104)，第三弯梁(103)的两端分别接第三压焊块(107)和第四压焊块(104)。
2、根据权利要求1所述的多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，其特征在于在每个弯梁的中间的触点上都镀有金属薄膜，即在第一弯梁(101)的两侧分别镀有第一弯梁下金属薄膜(108)、第一弯梁上金属薄膜(109)，在第二弯梁(102)的两侧分别镀有第二弯梁下金属薄膜(110)、第二弯梁上金属薄膜(111)，在第三弯梁(103)的两侧分别镀有第三弯梁下金属薄膜(112)、第三弯梁上金属薄膜(113)。
3、根据权利要求1所述的多晶硅薄膜残余应变的在线检测结构，其特征在于该检测结构的工艺层由硅衬底(201)、二氧化硅层(202)、氮化硅层(203)、多晶硅层(204)、铝引线层(205)自下至上组成。
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