专利名称：微机电系统器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(MEMS)器件加工技术，特别是一种微机电系统器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构，属于电学及半导体领域。
背景技术：
在MEMS器件结构中有多层绝缘材料，例如二氧化硅制作的牺牲层、氮化硅，这些材料的厚度是MEMS结构中非常重要的参数，它直接决定了可动结构的纵向移动范围，因此对这些绝缘层厚度进行测试和工艺监视是极具意义的。目前的绝缘层厚度测试大多采用光学或机械的方法，测量速度慢，不能够实现器件结构参数模型的自动提取，因此，快捷有效的测试方法具有实际意义。
发明内容
本发明目的是提供一种微机电系统器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构，其基本出发点是通过电学测量的方式得到绝缘层厚度值。在表面加工工艺中，MEMS器件结构绝缘层通常是二氧化硅、氮化硅或聚合物。本发明利用绝缘层材料上面具有导电性质的多晶硅和绝缘层上的沟槽设计电学测试结构，通过测量多晶硅条的电阻并代入数学模型求得绝缘层的厚度，结构简单且测量方便快捷。
本发明为完成上述工作，采用的技术方案为微机电系统器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构，MEMS器件结构中设有多层不同绝缘材料制成的绝缘层，其特征是利用待测绝缘层上面具有导电性质的多晶硅条和绝缘层上的沟槽形成电学测试结构，通过测量多晶硅条的电阻并代入数学模型求得绝缘层的厚度。
所述测试结构具体是测试结构制作区域的绝缘层位于其他不同属性的绝缘层之上，在待测厚度的绝缘层上制作沟槽，沟槽的深度达到该绝缘层的厚度，即穿透绝缘层，在沟槽上分别制作水平和具有角度的多晶硅条并穿越沟槽，形成两个电阻R1、R2；在绝缘层平面上制作具有相同角度的多晶硅直条，形成电阻R3；测量电阻R1、R2、R3，代入数学模型计算绝缘层的厚度。可在多晶硅条两端各设有一块用于测试接触的金属。因为加工形成的沟槽通常不是直角，本发明的数学模型同时还可以计算得到沟槽的角度。
本发明的优点及效果 1、采用电阻测量和计算模型结合的方法，通过电参数测量得到绝缘层厚度数据，为实现全自动的电学方法提模建立基础，具有自动化提取的应用前景。
2、测试方法和所需的测试设备简单，与普通电子器件的测量方法一致，可以在计算机辅助测试(CAT)系统内自动完成测试与计算。
图1是测试结构基本原理图。
具体实施例方式 参看图1，在测试结构中，104是绝缘层107上开的沟槽，107的厚度等于t2，t2是本发明最终要求的参量。由A-A剖面可见，其深度达到下面的绝缘层108，107和108是不同属性的绝缘层材料，例如，108为氮化硅，107为二氧化硅。沟槽104的宽度设计尺寸为S1，长度以能够放下多晶硅条R1、R2并留有一定的长度余量为设计尺寸，如图1所示。经过刻蚀加工的沟槽104通常存在一定的角度，即上下宽度不同，该角度以α表示。
106是多晶硅材料，其厚度等于t1。101是多晶硅材料106经光刻、刻蚀制作的多晶硅电阻条R1，多晶硅条R1平行于X轴放置。在多晶硅条R1的两端各有一块用于测试接触的金属105，105的外端可以根据测试探针的要求放大，105的内端定义了S2尺寸的计算起点。该多晶硅条的电阻R1＝S2区电阻×2+L2区电阻+L1区电阻×2+拐角电阻×4。其中，S2区电阻是指在长度为S2、宽度为W、厚度为t1的多晶硅条上的电阻；L2区电阻是指在长度为L2、宽度为W、厚度为t1的多晶硅条上的电阻；L1区电阻是指在长度为L1、宽度为W、厚度为t1的多晶硅条上的电阻。如图所示，L1是一斜边长；拐角电阻是指在槽的四个拐角上产生的电阻。这里，因为接触电阻较小，所以忽略了金属105与多晶硅106的接触电阻(下同)。
多晶硅条102结构和101相似，所不同的是，102是一个倾斜结构，其对于X轴的倾斜角度为β。多晶硅条102构成电阻R2，电阻R2＝S2区电阻×2+L2区电阻+L1区电阻×2+拐角电阻×4。和R1的不同之处在于，因为有一个倾斜角度β，各区的电阻长度和宽度都发生了变化。
多晶硅条103是电阻R3，其倾斜情况同102，只不过它不经过槽104，而位于绝缘层平面上。103对X轴的投影长度＝S1×2+S2，即R1、R2、R3对X轴的投影长度相等。103可以放在图1所示的位置，也可以放在绝缘层平面上的其他位置。
109是衬底材料，通常是硅。
计算方法 根据半导体工艺原理，多晶硅106电阻条的电阻R计算公式为 其中，RS为半导体材料的薄层电阻值，L为多晶硅条的长度，W为多晶硅条的有效宽度。
拐角电阻Rg计算需要考虑电流流动主要集中在内拐角(路径短)，因此，需要乘上修正因子λ，其计算公式为 当W远大于t1时，R2拐角的计算采用上式近似。
作为检测材料的多晶硅，其参数，如薄层电阻值RS和厚度t1，有专门的电学测试方法，这里作为已知量处理。其他已知量还包括W、S1、S2、β，这些是设计值。同时，按照经验数据，修正因子λ约为0.5，所以，Rg也可以简单地计算得到。电阻R1、R2、R3是测试结构的测量值，通过简单的电学测量就可以从实际制作的测试结构测得。
参看图1，根据几何关系以及电阻的宽长比关系，可以得出以下关系式。
设计值S1和由加工引起的X、L2的关系为 L2+2X＝S1(3) 由此，得到电阻R1的计算公式为 下面阐述如何得到电阻R2的关系式 对于平行四边形电阻，在任何一条平行于直边的电流通路上，其长度都是相同的，以中心线进行长度度量，R3的中心线长度为(S1+2S2)/Cosβ。R2、R3的宽度相等，通过测量R3的值，可以得到在这样的电阻条上，单位长度的平行四边形电阻值为R3除以中心线长，记为R0。
R0＝R3·Cosβ/(S1+2S2)(7) 因此，电阻R2关系式为 在(3)～(8)式中，(7)式实际上是通过测量R3可以直接得到结果的。其他的5个方程中包含了5个未知量L1、L2、x、t2、α，并在每个方程中都存在2个或2个以上的未知量，可以通过联立求解。
为使方程简洁，这里进行整理。
令(6)式中的相关常数量为则(6)式简化为2L1+L2＝A。
同理，令(8)式中的相关常数量为(8)式被简化为 在上面的整理中，将R1、R2、R3作为已知量进行考虑是因为它们是测量值。
整理得到用于求解的方程组 结论通过测量三个电阻的值不仅可以简单地得到MEMS表面加工中绝缘层厚度的值，而且也可求出刻蚀过程中的刻蚀倾角。测试方法简单，计算方便。
应用示例 以牺牲层的厚度测量为例。在MEMS结构中，运动部件通常通过牺牲层的去除来释放结构，这也是牺牲层名称的来源。这里的牺牲层是二氧化硅，牺牲层厚度直接决定了运动结构的运动间隙，因此，牺牲层厚度是重要的结构参数。
本例的测量二氧化硅牺牲层厚度的测量结构制作在氮化硅材料之上，即106为多晶硅，107为二氧化硅，108为氮化硅。几何参数为S1＝150μm、S2＝50μm、W＝20μm、β＝45°多晶硅的厚度t1＝1μm。电学参数Rs＝20Ω/口，计算得到Rg＝0.5Ω。测试结果R1＝252Ω，R2＝356.5Ω，R3测试得到的R0＝1Ω。
把以上参数代入求解方程组，得到 沟槽边倾角α＝83.2° 牺牲层厚度t2＝2.14μm。
权利要求
1.微机电系统器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构，MEMS器件结构中设有多层不同绝缘材料制成的绝缘层，其特征是利用待测绝缘层上面具有导电性质的多晶硅条和绝缘层上的沟槽形成电学测试结构，通过测量多晶硅条的电阻并代入数学模型求得绝缘层的厚度。
2.根据权利要求1所述的微机电系统器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构，其特征是测试结构制作区域的绝缘层位于其他不同属性的绝缘层之上，在待测厚度的绝缘层上制作沟槽，沟槽的深度达到该绝缘层的厚度，即穿透绝缘层，在沟槽上分别制作水平和具有角度的多晶硅条并穿越沟槽，形成两个电阻R1、R2；在绝缘层平面上制作具有相同角度的多晶硅直条，形成电阻R3；测量电阻R1、R2、R3，代入数学模型计算绝缘层的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的微机电系统器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构，其特征是在多晶硅条两端各设有一块用于测试接触的金属。
全文摘要
本发明提供了一种表面加工MEMS器件结构中绝缘层厚度的电学测试结构，其基本出发点是通过电学测量的方式得到绝缘层厚度值。在表面加工工艺中，MEMS器件结构绝缘层通常是二氧化硅、氮化硅或聚合物。本发明利用绝缘层材料上面具有导电性质的多晶硅和绝缘层上的沟槽，设计电学测试结构，通过测量多晶硅条的电阻并代入数学模型求得绝缘层的厚度。
文档编号G01B7/06GK101158568SQ20071013558
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月13日 优先权日2007年11月13日
发明者李伟华, 钱晓霞 申请人:东南大学