CN113267118B - 一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构，包括四探针电阻测试桥结构以及连续阶梯结构，该结构利用多个台阶平均了台阶制造过程中的随机误差，利用多个台阶增加了电阻变化的数值，便于测量。本发明还公开了一种半导体导电薄膜厚度在线测试方法，该方法简单，测试设备要求低，测试过程及测试参数值稳定，加工过程与微机电器件同步，没有特殊加工要求，完全符合在线测试的要求，计算方法仅限于简单数学公式。

Description

一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构及其测试方法

技术领域

本发明涉及半导体导电薄膜在线测量领域，特别是涉及一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构及其测试方法。

背景技术

微机电薄膜器件的薄膜厚度是影响器件性能的重要参数。通过在线测量薄膜的厚度，可以获得器件的尺寸，控制器件的精度。半导体是表面微加工过程中所用到的重要材料，加工的基本过程是：先在硅片上淀积一层材料，称为牺牲层。然后光刻定义图形层，接下来在牺牲层上面用化学气相淀积等方法制作结构层薄膜。最后刻蚀去除牺牲层，使微型部件的可动部分与牺牲层分离，形成半导体薄膜结构。牺牲层的材料通常为介质材料，结构层为半导体材料。微机电产品的制造厂商希望能够在线监测半导体导电薄膜的厚度，实时反映制造过程中的工艺误差。因此，不离开加工环境并采用便捷设备对微机电产品进行的在线测试成为控制工艺的必要手段。在线测试结构通常采用电学激励和电学测量的方法，通过电学量数值以及针对性的计算方法得到材料的几何参数。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构及其测试方法，用以在不离开加工环境的情况下，并采用便捷设备对半导体导电薄膜厚度进行在线测量。

为了达到上述的目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构，包括圆形半导体薄层和第一至第四接触电极，所述四个接触电极均匀的设置在所述圆形半导体薄层的周侧并且与所述圆形半导体薄层电连接，所述四个接触电极与所述圆形半导体薄层形成的张开角度为α；还包括：四探针电阻测试桥结构，所述四探针电阻测试桥结构设置在介质层的表面，所述介质层的表面有一部分被蚀刻成多个相互平行的且相同的凹槽，所述凹槽之间形成台阶，所述台阶具有相同的长度，所述多个凹槽以及相应的台阶共同构成连续阶梯结构，所述凹槽的两个侧壁与所述介质层表面存在相同的夹角；所述四探针电阻测试桥结构包括第一四探针半导体电阻桥和第二四探针半导体电阻桥，其中，

所述第一四探针半导体电阻桥包括第一半导体电阻条和四个金属电极，其中，在所述第一半导体电阻条的两端处并且每一侧处均电连接一个金属电极，所述第一半导体电阻条的中间部分爬越所述连续阶梯结构，所述第一半导体电阻条的一端与所述圆形半导体薄层连接形成一体结构，另外一端连接所述第二四探针半导体电阻桥；

所述第二四探针半导体电阻桥包括第二半导体电阻条和两个金属电极，其中，所述第二半导体电阻条设置在所述第一半导体电阻条的另外一端并且与所述第一半导体电阻条连接，所述第二半导体电阻条与所述第一半导体电阻条共用两个金属电极，所述第二半导体电阻条设置在平坦的介质层表面上，所述第二半导体电阻条与所述第一半导体电阻条具有相同的宽度。

进一步的，所述金属电极设置锚区上，所述锚区为将所述介质层的表面进行蚀刻形成。

进一步的，所述介质层设置在绝缘衬底之上。

一种半导体导电薄膜厚度在线测试方法，包括如下步骤：

步骤S1、通过将圆形半导体薄层到简单结构的映射，再结合方块电阻的定义，求出所述圆形半导体薄层的方块电阻R_sq；

步骤S2、对所述第一半导体电阻条同一侧的两个金属电极施加恒定电流，再测量另外一侧的两个金属电极之间的电压，电压与电流的比值即为电阻R₁；

步骤S3、对所述第二半导体电阻条同一侧的两个金属电极施加恒定电流，再测量另外一侧的两个金属电极之间的电压，电压与电流的比值即为电阻R_A；

步骤S4、根据电阻R₁，方块电阻R_sq与所述第二半导体电阻条的几何尺寸关系，根据所述第一半导体电阻条的厚度与所述台阶的几何尺寸关系，以及根据电阻R₁，方块电阻R_sq与所述第一半导体电阻条的几何尺寸关系，建立公式组(1)，表达式为：

公式组(1)中，W表示所述第二半导体电阻条的宽度，R_sq表示方块电阻，R₁表示第一半导体电阻条的电阻，L₁表示第二半导体电阻条的有效长度，R_A表示第二半导体电阻条的电阻，S₁表示凹槽顶面的长度，S₂表示台阶长度的一半，S₃表示凹槽侧壁的长度，β表示凹槽侧壁与凹槽底面的夹角，t₁表示第一半导体电阻条的厚度，x为引入的一个中间变量，没有具体的物理意义，只是为了使公式(1)显得简洁明了，γ表示为拐角电阻的修正因子，n表示为台阶的数量；

步骤S5、将步骤S1得到的方块电阻R_sq，步骤S2得到的电阻R₁以及步骤S3得到的电阻R_A代入所述公式组(1)中，通过将测量得到的：第二半导体电阻条的有效长度L₁、凹槽顶面的长度S₁、台阶长度的一半S₂、凹槽侧壁的长度S₃，台阶的数量n，拐角电阻的修正因子γ以及凹槽侧壁与凹槽底面的夹角β代入所述公式组(1)中，得到所述半导体导电薄膜厚度。

进一步的，所述步骤S1具体包括：

步骤S101、对第一接触电极和第四接触电极之间施加恒定电流，并且测量第一接触电极和第四接触电极之间的电压，电压与电流的比值为电阻R_a；

步骤S102、对第一接触电极和第四接触电极之间施加恒定电流，并且测量第二接触电极和第四接触电极之间的电压，电压与电流的比值为电阻R_b；

步骤S103、根据圆形半导体薄层到简单结构的映射以及方块电阻的定义，建立公式组(2)：

公式组(2)中，P、Q、S和T均表示中间量，α为未知数，并且表示四个接触电极与圆形半导体薄层形成的张开角度，i为虚数单位，K[·]表示第一类椭圆积分函数，R_sq表示圆形半导体薄层的方块电阻，g_a(α)和g_b(α)表示只与张开角度α有关的函数；

步骤S103、将步骤S101得到的电阻R_a以及步骤S102得到的电阻R_b代入公式组(2)中，求出四个接触电极与圆形半导体薄层形成的张开角度α；

步骤S104、将步骤S103求出的张开角度α代入公式(3)中，得到方块电阻R_sq，公式(3)的表达式为：

公式(3)中，g_a(α)表示只与张开角度α有关的函数，i为虚数单位，P、Q、S和T均表示中间量。

进一步的，在所述步骤S5中，所述半导体导电薄膜厚度，表达式为：

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的测试方法简单，测试设备要求低，测试过程及测试参数值稳定。加工过程与微机电器件同步，没有特殊加工要求，完全符合在线测试的要求。计算方法仅限于简单数学公式。

2、本发明通过半导体爬越多个牺牲层台阶，利用多个台阶平均了台阶制造过程中的随机误差；利用多个台阶增加了电阻变化的数值，便于测量。测量采用四探针法，对两个半导体电阻进行测试。最后，结合圆形薄层结构得到的方块电阻，计算得到半导体的厚度。

附图说明

图1为圆形半导体薄层的结构示意图。

图2为四探针电阻测试桥结构的结构示意图。

图3为单个阶梯结构放大后的剖面图。

附图中：

101-第一接触电极、102-第二接触电极、103-第三接触电极、104-第四接触电极、105-圆形半导体薄层、106-第二半导体电阻条、107-凹槽、108-第一半导体电阻条、109，110，111，112，113以及114均表示锚区、115-金属电极、116-半导体层、117-介质层、118-绝缘衬底。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1、图2和图3，本实施例提供一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构，包括圆形半导体薄层105、第一接触电极101、第二接触电极102、第三接触电极103和第四接触电极104，四个接触电极均匀的设置在圆形半导体薄层105的周侧并且与圆形半导体薄层105电连接，四个接触电极与圆形半导体薄层105形成的张开角度为α；具体的说，圆形半导体薄层105用于测量方块电阻，第一至第四接触电极用于施加电流和测量电压。

半导体导电薄膜厚度在线测试结构还包括：四探针电阻测试桥结构以及连续阶梯结构，四探针电阻测试桥结构设置在介质层117的表面，介质层117设置在绝缘衬底118之上，介质层117的表面有一部分被蚀刻成n个相互平行的且相同的凹槽107，具体请参见图3，凹槽107之间形成台阶，台阶具有相同的长度，凹槽107的两个侧壁与介质层117表面存在相同的夹角β，n个凹槽107以及相依的台阶共同构成上述连续阶梯结构。

四探针电阻测试桥结构包括第一四探针半导体电阻桥和第二四探针半导体电阻桥。

具体的说，第一四探针半导体电阻桥和第二四探针半导体电阻桥均包括一个半导体电阻条，以及四个金属电极115，用于进行四探针法的测量。并且第一四探针半导体电阻桥和第二四探针半导体电阻桥共用两个金属电极115，在笛卡尔坐标系中，半导体电阻条和与x轴方向平行。更具体的说，第一四探针半导体电阻桥包括第一半导体电阻条108和四个金属电极115，第一半导体电阻条108的最左端的两侧均电连接一个金属电极115，第一半导体电阻条108的最右端的两侧均电连接一个金属电极115，合计四个金属电极115，第一半导体电阻108条的中间部分爬越连续阶梯结构。

第二四探针半导体电阻桥包括第二半导体电阻条106和两个金属电极115，第二半导体电阻条106设置在第一半导体电阻条108的最右端并且与第一半导体电阻条108连接，并且设置在平坦的介质层117表面上。第二半导体电阻条106的最右端的两侧均设置一个金属电极115，第二半导体电阻条106的最左端使用第一半导体电阻条108最右端的两个金属电极115。更具体的说，第一半导体电阻条108和第二半导体电阻条106沿y轴方向的长度为W，凹槽107的设计尺寸沿y轴方向的长度大于半导体电阻条的W值的3倍，x轴方向的长度为S₁，第二半导体电阻条106有效长度为L₁。

具体的说，本实施例中的金属电极115设置在相应的六个锚区上，六个锚区是通过将介质层117的表面进行蚀刻形成，在本实施中，四探针电阻测试桥结构下侧的3个锚区从从左至右，依次为：锚区109、锚区110、锚区111；四探针电阻测试桥结构下侧的3个锚区从从右至左，依次为：锚区112、锚区113、锚区114。

参见图3，图3是单个凹槽结构放大后的A-A剖面图，118为绝缘衬底，其上淀积一层介质层117，厚度为t₂，刻蚀出凹槽107，其设计尺寸沿x轴方向的长度为S₁，由于工艺限制，凹槽107侧壁存在一定角度的倾斜，记为β。淀积一层厚度为t₁的半导体层116，在凹槽107处爬越台阶，并形成以凹槽107的垂直中分线为对称轴的对称结构。该对称结构包括以下几部分：在凹槽107两侧未被刻蚀的介质层117表面，分别有一段长为S₂的半导体电阻条；在凹槽107底部的衬底表面有一段长为S₁-2x的半导体电阻条；两个凹槽107侧壁分别由一段长为S₃的半导体电阻条覆盖，并与前面两部分通过四个拐角半导体电阻相连接。由n个图3所示的阶梯结构串联起来，就得到了图2中的连续阶梯结构。

实施例2

参见图1和图2，本实施例提供一种半导体导电薄膜厚度在线测试方法，本实施例的方法基于实施例1中的测试结构进行实现，具体包括如下步骤：

步骤S1、通过将圆形半导体薄层105到简单结构的映射，再结合方块电阻的定义，求出所述圆形半导体薄层105的方块电阻R_sq；

步骤S1，具体采用四探针法进行测量，具体包括：

步骤S101、对第一接触电极101和第四接触电极104之间施加恒定电流，并且测量第一接触电极101和第四接触电极104之间的电压，电压与电流的比值为电阻R_a；

步骤S102、对第一接触电极101和第四接触电极104之间施加恒定电流，并且测量第二接触电极102和第四接触电极104之间的电压，电压与电流的比值为电阻R_b；

步骤S103、根据圆形半导体薄层105到简单结构的映射以及方块电阻的定义，建立下述公式组：

公式组中，P、Q、S和T均表示中间量，α为未知数，并且表示四个接触电极与圆形半导体薄层105形成的张开角度，i为虚数单位，K[·]表示第一类椭圆积分函数，R_sq表示圆形半导体薄层105的方块电阻，g_a(α)和g_b(α)表示只与张开角度α有关的函数；

步骤S103、将步骤S101得到的电阻R_a以及步骤S102得到的电阻R_b代入上述公式组中，求出四个接触电极101-104与圆形半导体薄层105形成的张开角度α；

步骤S104、将步骤S103求出的张开角度α代入下述公式中，得到方块电阻R_sq，其表达式为：

公式中，g_a(α)表示只与张开角度α有关的函数，i为虚数单位，P、Q、S和T均表示中间量。

步骤S2、对第一半导体电阻条108的锚区109和锚区110之间施加恒定电流，再测量另外一侧的锚区113和锚区114之间的电压，电压与电流的比值即为电阻R₁；

步骤S3、对第二半导体电阻条106锚区112和锚区113之间施加恒定电流，再测量锚区110和锚区111之间的电压，电压与电流的比值即为电阻R_A；

步骤S4、根据电阻R₁，方块电阻R_sq与第二半导体电阻条106的几何尺寸关系，根据第一半导体电阻条108的厚度与台阶的几何尺寸关系，以及根据电阻R₁，方块电阻R_sq与第一半导体电阻条108的几何尺寸关系，建立公式组，表达式为：

公式组中，W表示第二半导体电阻条106的宽度，R_sq表示方块电阻，R₁表示第一半导体电阻条108的电阻，L₁表示第二半导体电阻条106的有效长度，R_A表示第二半导体电阻条106的电阻，S₁表示凹槽107顶面的长度，S₂表示台阶长度的一半，S₃表示凹槽107侧壁的长度，β表示凹槽107侧壁与凹槽107底面的夹角，t₁表示第一半导体电阻条108的厚度，x为引入的一个中间变量，没有具体的物理意义，只是为了使公式(1)显得简洁明了，γ表示为拐角电阻的修正因子，n表示为台阶的数量；

步骤S5、将步骤S1得到的方块电阻R_sq，步骤S2得到的电阻R₁以及步骤S3得到的电阻R_A代入公式组(1)中，通过将测量得到的：第二半导体电阻条106的有效长度L₁、凹槽107顶面的长度S₁、台阶长度的一半S₂、凹槽107侧壁的长度S₃，台阶的数量n，拐角电阻的修正因子γ以及凹槽107侧壁与凹槽107底面的夹角β代入步骤S4建立的公式组中，得到半导体导电薄膜厚度，表达式为：

综上所述，本发明的测试方法简单，采用简单的直流电流源作为激励源，采用普通的电压测试设备，完成所有的激励与测试过程。测试结构采用基本的微机电加工工艺完成。

参见图3，下面以典型的两层半导体微机电表面加工工艺说明测试结构的制作过程。

选择N型半导体硅片，热生长100纳米厚度的二氧化硅层，通过低压化学气相沉积工艺淀积一层500纳米厚度的氮化硅，形成绝缘衬底118。采用低压化学气相沉积工艺沉积一层300纳米的半导体并进行N型重掺杂使该层半导体成为导体，通过光刻工艺刻蚀形成锚区(109-114)的一部分。使用低压化学气相沉积工艺沉积2000纳米厚度的介质层117，通过光刻工艺形成锚区(109-114)的图形以及凹槽107。

利用低压化学气相沉积工艺淀积一层1500纳米厚度的半导体层116，对半导体层116进行N型重掺杂，光刻工艺形成半导体测试结构图形和锚区(109-114)，锚区(109-114)的厚度为两次半导体的厚度之和。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构，包括圆形半导体薄层和第一至第四接触电极，所述四个接触电极均匀的设置在所述圆形半导体薄层的周侧并且与所述圆形半导体薄层电连接，所述四个接触电极与所述圆形半导体薄层形成的张开角度为α；其特征在于，还包括：四探针电阻测试桥结构，所述四探针电阻测试桥结构设置在介质层的表面，所述介质层的表面有一部分被蚀刻成多个相互平行的且相同的凹槽，所述凹槽之间形成台阶，所述台阶具有相同的长度，所述多个凹槽以及相应的台阶共同构成连续阶梯结构，所述凹槽的两个侧壁与所述介质层表面存在相同的夹角；所述四探针电阻测试桥结构包括第一四探针半导体电阻桥和第二四探针半导体电阻桥，其中，

所述第一四探针半导体电阻桥包括第一半导体电阻条和四个金属电极，其中，在所述第一半导体电阻条的两端处并且每一侧处均电连接一个金属电极，所述第一半导体电阻条的中间部分爬越所述连续阶梯结构，所述第一半导体电阻条的一端与所述圆形半导体薄层连接形成一体结构，另外一端连接所述第二四探针半导体电阻桥；

所述第二四探针半导体电阻桥包括第二半导体电阻条和两个金属电极，其中，所述第二半导体电阻条设置在所述第一半导体电阻条的另外一端并且与所述第一半导体电阻条连接，所述第二半导体电阻条与所述第一半导体电阻条共用两个金属电极，所述第二半导体电阻条设置在平坦的介质层表面上，所述第二半导体电阻条与所述第一半导体电阻条具有相同的宽度。

2.根据权利要求1所述的一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构，其特征在于，所述金属电极设置锚区上，所述锚区为将所述介质层的表面进行蚀刻形成。

3.根据权利要求2所述的一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构，其特征在于，所述介质层设置在绝缘衬底之上。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、通过将圆形半导体薄层到简单结构的映射，再结合方块电阻的定义，求出所述圆形半导体薄层的方块电阻R_sq；

步骤S2、对所述第一半导体电阻条同一侧的两个金属电极施加恒定电流，再测量另外一侧的两个金属电极之间的电压，电压与电流的比值即为电阻R₁；

步骤S3、对所述第二半导体电阻条同一侧的两个金属电极施加恒定电流，再测量另外一侧的两个金属电极之间的电压，电压与电流的比值即为电阻R_A；

步骤S4、根据电阻R₁，方块电阻R_sq与所述第二半导体电阻条的几何尺寸关系，根据所述第一半导体电阻条的厚度与所述台阶的几何尺寸关系，以及根据电阻R₁，方块电阻R_sq与所述第一半导体电阻条的几何尺寸关系，建立公式组(1)，表达式为：

公式组(1)中，W表示所述第二半导体电阻条的宽度，R_sq表示方块电阻，R₁表示第一半导体电阻条的电阻，L₁表示第二半导体电阻条的有效长度，R_A表示第二半导体电阻条的电阻，S₁表示凹槽顶面的长度，S₂表示台阶长度的一半，S₃表示凹槽侧壁的长度，β表示凹槽侧壁与凹槽底面的夹角，t₁表示第一半导体电阻条的厚度，为引入的一个中间变量，没有具体的物理意义，γ表示为拐角电阻的修正因子，n表示为台阶的数量；

步骤S5、将步骤S1得到的方块电阻R_sq，步骤S2得到的电阻R₁以及步骤S3得到的电阻R_A代入所述公式组(1)中，通过将测量得到的：第二半导体电阻条的有效长度L₁、凹槽顶面的长度S₁、台阶长度的一半S₂、凹槽侧壁的长度S₃，台阶的数量n，拐角电阻的修正因子γ以及凹槽侧壁与凹槽底面的夹角β代入所述公式组(1)中，得到所述半导体导电薄膜厚度。

5.根据权利要求4所述的一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构的测试方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S101、对第一接触电极和第四接触电极之间施加恒定电流，并且测量第一接触电极和第四接触电极之间的电压，电压与电流的比值为电阻R_a；

步骤S102、对第一接触电极和第四接触电极之间施加恒定电流，并且测量第二接触电极和第四接触电极之间的电压，电压与电流的比值为电阻R_b；

步骤S103、根据圆形半导体薄层到简单结构的映射以及方块电阻的定义，建立公式组(2)：

公式组(2)中，P、Q、S和T均表示中间量，α为未知数，并且表示四个接触电极与圆形半导体薄层形成的张开角度，i为虚数单位，K[·]表示第一类椭圆积分函数，R_sq表示圆形半导体薄层的方块电阻，g_a(α)和g_b(α)表示只与张开角度α有关的函数；

步骤S103、将步骤S101得到的电阻R_a以及步骤S102得到的电阻R_b代入公式组(2)中，求出四个接触电极与圆形半导体薄层形成的张开角度α；

步骤S104、将步骤S103求出的张开角度α代入公式(3)中，得到方块电阻R_sq，公式(3)的表达式为：

公式(3)中，g_a(α)表示只与张开角度α有关的函数，i为虚数单位，P、Q、S和T均表示中间量。

6.根据权利要求5所述的一种半导体导电薄膜厚度在线测试结构的测试方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述半导体导电薄膜厚度，表达式为：

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