[发明专利]一种等离子体环境的电荷测试方法和测试系统

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)和集成电路IC(CMOS)加工工艺领域，涉及等离子体工艺的实时监控，特别涉及对等离子体工艺过程中的电荷状态进行实时监控的方法，及其涉及的采用MEMS与CMOS集成制作的芯片和测试系统，特别应用在含有低温离子体的工艺中监控电荷以及均匀性。

背景技术

等离子体(plasma)是物质在高温或者特定激励下的一种物质形态，是除固体、液态和气态以外，物质的第四态。等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。等离子体可分为高温和低温等离子体。低温等离子体被广泛应用在微电子加工领域。随着集成电路的发展，遵循摩尔定律，电路的线宽越来越小，干法的等离子加工技术给器件的精细化和高密度化提供了可能。此外，等离子体技术还被广泛应用MEMS领域，用于薄膜的化学气相淀积(CVD)和物理气相淀积(PVD)，薄膜的掺杂和改性，以及图形化。

对于不同的加工目的，对等离子体的特性要求也完全不同。无论哪种等离子体加工技术，都要求等离子体有足够高的电子和离子浓度，以及合适的电子温度。为了获得较大的面积和均匀淀积薄膜，或者获得较大面积的均匀刻蚀图形，还要求等离子体有足够好的均匀性。目前等离子体工艺中，高密度等离子体(HDP)源使用的越来越多，但到基片表面是自由基还是离子可以用设备控制，而电荷的能量、分布以及数量却无法通过设备控制。为了提高工艺质量，监测等离子体内部电荷的分布是非常重要的。

除了工艺质量的要求，由于等离子体损伤(Plasma damage)的存在，更加剧了对了解等离子体内部电荷行为的要求。等离子体工艺有很多优势，但随着器件尺寸的减小产生了一个日益严重的问题：等离子体致损伤。由于等离子加工工艺中电荷积累会导致MOS器件性能退化，严重影响器件可靠性。为了减少等离子体损伤，目前有调整工艺参数、加入保护二极管等方法。但是想要从根本上解决器件性能退化的问题，就需要控制等离子体内电荷的种类和数量，那么在等离子工艺过程中对电荷量进行实时检测随着器件尺寸缩小变得越来越迫切。

等离子体工艺设备是否能满足要求，对等离子体工艺参数进行有效提取依赖于一些诊断方法。常用等离子体特性诊断方法包括静电探针、质谱法、光谱法以及激光诱导荧光法等。这些方法各有利弊，有些只用于原子性气体等离子体，有的用于分子性气体等离子体，这些方法需要相互配合使用。也有一些可用于检测等离子体致损伤的方法和结构，结构吸收等离子体后测试器件IV特性变化以检测损伤，间接的调整工艺参数。这类方法是破坏性的，不能重复利用。

综上，我们既想要了解等离子体内电荷的分布，又想得到电荷在每个像素点上的积累量，现有技术不能完全满足测试需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种对等离子体环境中的电荷进行实时监测的芯片及测试方法，通过实时监测等离子体加工腔体内电荷量及其分布，为调整工艺参数提供一个参考，并且所述芯片可以根据需要重复使用。

在本发明的第一方面，提供了一种可用于实时监控等离子体环境的电荷检测芯片，该芯片包括一个基片和集成于基片之上的由若干个测试单元组成的阵列，每个测试单元又包括下极板、双材料梁、压阻和MOS开关，其中：下极板位于基片之上；双材料梁悬于下极板上方，由形状相同但膨胀系数不同的两层材料构成，下层为结构层，上层为金属层；双材料梁的形状呈中心对称，中部为一个大面积靶平板，该大面积靶平板平行于下极板，通过支撑梁与基片上的锚点连接；压阻嵌在一支撑梁与锚点相连一端的结构层中；MOS开关的漏端通过引线连接双材料梁的金属层。

上述双材料梁的形状可以是多种多样的，分为大面积靶平板和支撑梁两种功能部分，其中位于中心的大面积靶平板位可以为圆形、矩形、菱形等中心对称的形状，支撑梁可以为直线、折线、T型等形状。图1给出了几种可选择的双材料梁的形状，但本领域的技术人员可以理解，能实现本发明功能的芯片的双结构梁并不限于这几种形状。在本发明的一个实施例中，参见图1的(e)，双材料梁的形状呈“亞”字状，由两个T型的支撑梁和一个矩形的大面积靶平板组成，即在两根平行长梁之间是一个矩形的大面积靶平板，在其平行于长梁的两条边的中心处各伸出一根短梁，通过短梁分别连接两根长梁的中心；长梁的两端通过锚点固定在基片上，使双材料梁悬空在基片之上。