一种测量Si/SiO2界面残余应力的微结构应变计

　　1　引　　言

　　二氧化硅是各种微电子器件中使用最广泛的薄膜材料。但是Si/SiO2界面上的残余应力对微电子器件的电、力、热等多方面的性能都有一定的影响。随着近年来微电子器件特征线条尺寸的不断减小和集成度的持续增大,特别是微电子机械系统(MEMS)技术的迅速发展,测定Si/SiO2界面残余应力越来越重要。由于工艺、材料、表明状况、以及测试方法和手段的不同,已有文献上的测试结果有很大的分散性。因此研究一种与微电子器件集成在一起的“原位”的测量的应变计对于评估器件所在位置的残余应力是一种简洁的方法,借鉴工程力学中测量残余应力的盲孔法[1],本文提出一种采用湿法腐蚀工艺制成的微结构应变计的测试方法。

　　2　微结构应变计的原理及测试结果

　　根据半导体的压阻效应[2],对于(100)晶面上如图1所示排列的四个应变计电阻有[3]:

　　式中σx,σy,σz为正应力分量,τxy为平面内剪应力分量,π11π12π44为压阻系数。对于只考虑界面内残余应力的平面应力问题,由上式中的任三式可得平面应力分量为:

　　对于常用的N型衬底上的P型应变计,由于压阻系数π44=70×10-5Mpa-1远大于π11=5×10-5MPa-1和π12=-2×10-5MPa-1之和,当只有R1和R3且作适当近似可得:

　　根据此式,测定应变计阻值的变化后就可以计算平面内的应力。对于无外荷载的情况,应变计只受到残余应力的作用,因此通过释放残余应力而得到应变计电阻值的变化后,就可以由上式得到残余应力的大小。

　　该微结构应变计采用CMOS工艺规范制造。在N型(100)单晶硅上,采用集成电路常规离子注入工艺形成P型应变计电阻。在离子注入后去掉原掩蔽用的二氧化硅后重新热氧化一层1500 的二氧化硅,开出引线孔并做好金属铝引线。完成应变计的平面工艺以后,先测试一次各应变计电阻的阻值,接着用湿法腐蚀工艺将应变计的中央方形和四边的四个梯形区域腐蚀至衬底的一定深度,再次在相同温度下测试应变计的阻值。根据腐蚀前后应变计电阻值的变化计算Si/SiO2界面的残余应力。

　　3　测试结果及讨论

　　应变计的每个臂长约为100微米,四臂阻值均设计为12kΩ。在一个4英寸硅片上均匀分布的摆放50个应变计。测试结果表明,该硅片上残余应力的测量值集中在25—45MPa范围内,全部测量结果分布在0—80MPa范围内。忽略因测试条件如温度和接触电阻改变等的影响,可以认为该分散性主要是硅片上残余应力自身的分散性所决定的。