用于微制造的断裂测试结构的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及微制造的结构，并且在具体的实施例中涉及用于微制造的断裂测试结构的系统和方法。
【背景技术】
[0002]微制造是一种制造微米级和更小的微型结构的工艺。在历史上，最早的微制造工艺用于集成电路制造，也称为“半导体加工”或“半导体器件制造”。此外，微机电系统(MEMS)、微系统(欧洲的术语)、微机械(日本的术语)的领域以及子领域，例如微流体/芯片实验室、光学MEMS、RF MEMS、功率MEMS、B1MEMS和其它向纳米级尺寸的扩展(例如NEMS，用于纳机电系统)已经使用、改编或扩展了微制造方法。平板显示器和太阳能电池也使用类似的技术。
[0003]通常，微制造工艺包括精确控制的步骤来形成具有特定形状或尺寸的微小结构。形成这些微小结构的工艺可以包括其中沉积或形成材料的添加步骤并且还可以包括其中通过图案化和刻蚀或其它已知的技术去除材料的减去步骤。这些小且变化的器件的制造在例如工艺变化、质量控制和结构表征方面呈现出许多挑战。
[0004]一个特定实例主题领域包括表征。由于已制造的器件具有在微米级或更小的尺寸，因此该器件性能或功能可能随材料或几何性质的仅仅小的变化而显著改变。此外，由于所用的工艺应用于这种微小的结构，即使对于在相同半导体晶片上利用相同的器件设计并因此在制造期间利用相同的处理步骤顺序制造的器件，工艺内的变化也可能使得材料或几何性质的小变化是普遍的。由此，例如，相同的设计可以应用于在单个晶片或在不同晶片上的100个器件，但是每个器件因工艺变化而具有显著不同的性能。于是表征已制造的器件以便确定实际性能可能是有用的，但并不总是容易的。
[0005]一种表征已制造的器件的方式是通过使用测试结构。测试结构是在晶片上利用设计器件制造的结构，其可以在制造期间或制造之后被测试以便确定已制造的设计器件的材料和几何性质。
【发明内容】
[0006]根据实施例，微制造的测试结构包括机械耦合在两个刚性锚部之间并布置在衬底之上的结构。该结构从衬底被释放并且包括机械耦合在所述两个刚性锚部之间的测试层。该测试层包括具有第一截面积的第一区域和具有比第一截面积小的第二截面积的收缩区域。该结构还包括布置在测试层的表面上与第一区域相邻的第一张应力层。
【附图说明】
[0007]为了更完整地理解本发明及其优点，现在对下面结合附图进行的描述进行参考，在附图中:
图1示出采用实施例测试结构的已制造的系统的框图； 图2a和2b分别示出实施例测试结构的截面图和顶视图；
图3示出包括第一组测试结构和第二组测试结构的实施例测试结构的布局图；
图4a_4h示出各种实施例测试结构的顶视图；
图5a和5b分别示出另外的实施例测试结构的截面图和顶视图；
图6示出包括第一组测试结构和第二组测试结构的另一实施例测试结构的布局图；
图7a_7e示出各种另外的实施例测试结构的顶视图；
图8a_8h示出实施例测试结构的实施例制造顺序；
图9示出包括实施例测试结构的半导体晶片的顶视图；
图10示出另外的实施例制造顺序的流程图；以及
图11示出使用实施例测试结构确定薄膜的抗张强度的实施例方法的流程图。
[0008]在不同图中的对应数字和符号通常指代对应部分，除非另有说明。各图被绘制以清除示出实施例的相关方面，并且没有必要按比例绘制。
【具体实施方式】
[0009]下面详细讨论各种实施例的制作和使用。然而应当领会的是，本文描述的各种实施例可适用于广泛的多种多样的特定上下文中。所讨论的特定实施例仅是说明制作和使用各种实施例的特定方式并且不应以有限的范围来解释。
[0010]在特定上下文中，即在已制造的测试结构中，并且更具体地在用于确定薄膜的断裂强度的测试结构中，关于各种实施例进行描述。本文描述的各种实施例中的一些包括微机电系统(MEMS)制造、集成电路(IC)制造、薄膜测试结构、薄膜测试结构的制造以及用于确定薄膜的断裂强度的测试结构。在其它实施例中，各方面也可以根据如本领域中已知的任何方式应用于涉及任何类型的测试结构的其它应用。
[0011]根据本文描述的各种实施例，已制造的薄膜或层可以具有变化的厚度和材料性质。由于这些变化，该层或薄膜的断裂强度也可以显著变化。在各种实施例中，本文公开了可以用于在制造期间或制造之后确定薄膜或层的断裂强度的测试结构。这些测试结构包括具有施加到每个结构的各种张应力的多个结构。该多个结构的子集被设计用于在制造顺序期间断裂。检查测试结构以及确定断裂的子集用于确定在测试下的薄膜或层的断裂强度。
[0012]图1示出采用实施例测试结构101的已制造的系统100的框图。根据各种实施例，已制造的系统100可以被称为晶片100并且可以包括在已制造的晶片上的多个部件，例如，诸如MEMS 104、集成电路(IC) 106和IC 108。晶片100可以包括附加的MEMS和IC或更少的MEMS或1C。如所示，测试结构101被制造在晶片100上。在一些实施例中，测试结构101被制造得相邻于正被测试的MEMS或1C，例如MEMS 104、IC 106和IC 108。在另外的实施例中，测试结构101仅用于测试紧邻的MEMS或1C。
[0013]根据各种实施例，可以使用任何类型的可能涉及例如许多步骤的制造工艺来制造晶片100，所述许多步骤包括通常在某种类型的衬底上执行的任何类型的层形成(例如生长或沉积)和任何类型的各层的图案化。本文讨论的制造步骤决不是限制性的，因为如本领域中已知的，实施例测试结构可以与任何制造步骤或工艺一起使用。如上面简要讨论的，制造工艺，并且尤其是微制造工艺(甚至是纳米制造工艺)尽管被高度控制但仍充满了变化。结构的尺度引起大约数微米、数纳米或者甚至更小的几何结构中的小变化，从而影响已制造的器件的整体性能。此外，已制造的结构的材料性质也经受变化并且材料性质的小变化也可能影响已制造的器件的整体性能。
[0014]至少由于这些原因，实施例测试结构101被制造在晶片100上以便表征已制造的结构。如本领域中已知的，许多类型的测试结构存在并且可以被制造在晶片100上并被包括在测试结构101中。本文描述的实施例包括用于测试薄膜或已制造的层的断裂强度的张应力测试结构。测试结构101还可以包括用于测试各种电气性质(例如诸如不同材料的电阻)的可选的电气测试结构。
[0015]除了对表征下面制造的一般需求之外，确定断裂强度在一些实施例中可以特别有益。例如，在许多移动应用(例如个人计算机、蜂窝电话和平板电脑)中普遍的MEMS扩音器中，可偏转隔膜位于MEMS器件的中心处。可偏转隔膜是一种类型的薄膜，其通常响应于进入扩音器的入射声压波被释放以进行偏转。扩音器的鲁棒性经常通过可偏转隔膜的特性来确定。例如，薄膜或层的断裂强度可以被确定以便表征诸如MEMS扩音器的器件。
[0016]图2a和2b分别示出实施例测试结构200的截面图和顶视图。根据各种实施例，测试结构200包括薄膜202、顶部张力膜204和底部张力膜206。薄膜202被附着在刚性锚部208和210之间并在薄膜202中的某一点处具有切口 212。在各种实施例中，使用与图1中的器件(例如MEMS 104)的特定薄膜相同的制造工艺来制造薄膜202，并且薄膜202可以被制造得相邻于晶片上的该器件。由此，薄膜202具有与已制造的器件中的在测试下的具体薄膜类似的性质和工艺变化。在一些实施例中，电极214可以形成在薄膜202下面并且可以被配置用于向薄膜202施加电压。电极214可以例如是衬底(未示出)中的掺杂区域、形成在衬底上的金属层或多晶娃层。
[0017]根据各种实施例，切口 212在薄膜202中产生收缩区域216。顶部和底部张力膜204和206在薄膜202上施加张应力。在一些实施例中，由张力膜204和206施加的张应力引起薄膜202在收缩区域216中断裂。在各种实施例中，图1中的测试结构101包括图2中的测试结构200的多种实施方式，其中不同的张应力被施加到薄膜202或不同的收缩区域216，这将在下面被讨论。在这样的实施例中，可以通过检查所述多个测试结构并识别哪些测试结构断裂来确定在测试下的薄膜的断裂强度。
[0018]图3示出包括第一组测试结构220和第二组测试结构225的实施例测试结构102的布局图。根据各种实施例，每组测试结构220和225包括如所示在测试结构102之上的各个测试结构201。测试结构201包括在薄膜202中的切口 212，所述薄膜202具有长径(横径)为a且短径(共轭直径)为b的椭圆形状。在各种实施例中，图1中的测试结构101可以包括单个测试结构102或多个测试结构102。
[0019]根据各种实施例，测试结构201中的薄膜202断裂所处的应力依赖于由切口 212限定的收缩区域216的大小和形状。此外，所施加的张应力通过被施加的张力膜204和206的量来确定。基于这些概念，测试结构组220和225被选择用于使所述多个测试结构中的一些测试结构201断裂并且不使其它测试结构断裂。第一组测试结构220包括具有贯穿组220中的所有测试结构201相等且恒定的长径a和短径b的测试结构201。然而，组220中的每个测试结构201具有形成在薄膜202上的不同量的张力膜204。在各种实施例中，张力膜206也可以以不同的量形成，或者在一些实施例