[发明专利]一种多晶硅薄膜残余应力的测试结构及其测试方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种多晶硅薄膜残余应力的测试结构及其测试方法，属于微机电系统(MEMS)材料参数测试技术。

技术背景

多晶硅材料具有较优秀的力学性能，是MEMS器件最主要的结构材料之一，在表面加工工艺中，常采用化学汽相淀积(CVD)方法制备。由于热失配现象的存在，多晶硅薄膜在制作过程中会存在残余应力，当MEMS器件可动结构被释放以后，残余应力会导致薄膜出现弯曲甚至断裂、薄膜与衬底粘附等影响器件性能的现象出现。因此，准确测试多晶硅薄膜中的残余应力有助于优化器件设计，减小残余应力对器件性能和可靠性的影响。

本发明提出了一种多晶硅薄膜残余应力的测试结构。四组偏转指针结构沿45°方向对称放置，利用残余应力对每组指针结构影响相同的特点，放大残余应力对偏转指针结构的影响，使得残余应力能够准确有效地进行测量。测试方法是利用残余应力对结构影响前后角度的变化，根据形变关系、几何参数等计算多晶硅薄膜的残余应力。

发明内容：

本发明提出了一种多晶硅薄膜残余应力的测试结构及其测试方法，本发明具有测试结构简单、无需额外施加载荷、计算方法稳定的特点。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述一种多晶硅薄膜残余应力的测试结构，包括：硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅层，在二氧化硅层上设有氮化硅层，在氮化硅层上设有东向偏转结构、南向偏转结构、西向偏转结构及北向偏转结构，东向偏转结构与西向偏转结构呈现镜面对称，南向偏转结构与北向偏转结构呈现镜面对称，东向偏转结构、南向偏转结构、西向偏转结构及北向偏转结构采用结构相同的偏转结构，所述偏转结构包括指针梁，在指针梁上垂直连接有驱动梁，指针梁及驱动梁分别连接于设在多晶硅层上的第一锚区和第二锚区，东向偏转结构与西向偏转结构中的指针梁在同一条直线上，南向偏转结构与北向偏转结构中的指针梁在同一条直线上，东向偏转结构与西向偏转结构中的指针梁与南向偏转结构与北向偏转结构中的指针梁相垂直，各个偏转结构的指针梁及驱动梁连接于设在氮化硅层上的PSG牺牲层，当PSG牺牲层被释放后，各个偏转结构的指针梁发生偏转，利用发生偏转后的东向偏转结构中的指针梁与北向偏转结构中的指针梁之间的夹角及发生偏转后的西向偏转结构中的指针梁与南向偏转结构中的指针梁之间的夹角即可得到多晶硅薄膜残余应力。

本发明所述的一种多晶硅薄膜残余应力的测试方法，包括以下步骤：

步骤(a)取N型(100)硅片，

步骤(b)在硅片表面热生长一层二氧化硅，

步骤(c)低压化学汽相淀积LPCVD生长一层氮化硅，

步骤(d)再低压化学汽相淀积LPCVD生长一层的磷硅玻璃PSG，形成PSG牺牲层，

步骤(e)光刻PSG牺牲层，在PSG牺牲层上形成各个偏转结构的锚区结构，

步骤(f)在光刻后的PSG牺牲层上低压化学汽相淀积LPCVD生长一层多晶硅，

步骤(g)光刻多晶硅，形成东向偏转结构、南向偏转结构、西向偏转结构及北向偏转结构，

步骤(h)释放PSG牺牲层，在残余应力的作用下，各个偏转结构的驱动梁长度会发生变化，各个偏转结构的指针梁发生偏转，测得发生偏转后的东向偏转结构中的指针梁与北向偏转结构中的指针梁之间的夹角及发生偏转后的西向偏转结构中的指针梁与南向偏转结构中的指针梁之间的夹角，计算多晶硅薄膜的残余应力σ。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

在本发明中，多晶硅薄膜中的残余应力在结构释放以后导致驱动梁的长度发生变化，进而使各指针梁发生相同角度值的偏转，其中，南向偏转结构的指针梁、东向偏转结构的指针梁发生偏转的方向与北向偏转结构的指针梁、西向偏转结构的指针梁偏转的方向相反，此时，北向偏转结构的指针梁与东向偏转结构的指针梁之间的角度α、西向偏转结构的指针梁与南向偏转结构的指针梁之间的角度β发生改变。当薄膜中的残余应力为压应力时，α增大，β减小，当残余应力为张应力时，α减小，β增大。本发明利用残余应力驱动偏转指针旋转的工作方式，根据残余应力与指针梁夹角α、β之间的函数关系计算多晶硅薄膜中的残余应力。

本发明的最大优点在于测试方法简单，测试过程无需施加载荷，一方面简化了测试步骤，另一方面避免了添加载荷时引入误差；测试结构加工过程与微机电器件加工同步，没有额外附加工艺的要求。