ТЕСТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ДИЭЛЕКТРИКА

Областью применения предполагаемой полезной модели является микроэлектроника, а именно - устройство для оценки качества защитного диэлектрика, нанесенного на полупроводниковую структуру с металлизацией, при производстве мощных высоковольтных интегральных схем и полупроводниковых приборов.
Известен тестовый элемент для оценки качества диэлектрика, содержащий полупроводниковую пластину со слоем изолятора, слой исследуемого диэлектрика, защитного экранирующего проводящего кольца вокруг одного из электродов с рабочей стороны диэлектрика, контактные площадки к электродам и защитному экранирующему кольцу (см., например, книга «Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия» под редакцией Р. Бургера и Р. Донована, 1969 г., стр. 116-118).
Недостатком данного тестового элемента является сложность его изготовления, так как электроды необходимо формировать на обеих сторонах пластины. Кроме того, он не позволяет контролировать качество диэлектрика при его использовании в планарных структурах, когда используется только одна сторона пластины, например, при защите металлизации высоковольтных мощных интегральных схем и защиты поверхности мощных полупроводниковых приборов.
Данные недостатки частично устранены в тестовом элементе для оценки качества диэлектрика, содержащем полупроводниковую пластину со слоем изолятора, слой исследуемого диэлектрика, два гребнеобразных металлических электрода, зубцы одного из которых входят во впадины другого с рабочей стороны диэлектрика (см., например, статья «TTDB Chip Reliability in Copper Interconnects» M. Bashir, D.H. Kim, S.K. Lim и L. Milor в журнале «Integrated Reliability Workshop Final Report», 2010 г., стр. 121-124).
Недостатком данного тестового элемента является низкая достоверность контроля, так как в реальных полупроводниковых приборах и интегральных схемах и полупроводниковых приборах испытываемый диэлектрик наносится сверху металлизации. Это не позволяет в полной мере оценивать влияние окружающей среды на защитные свойства испытываемого диэлектрика.
Данный недостаток частично устранен в наиболее близком к предлагаемому тестовом элементе для оценки качества диэлектрика, содержащем полупроводниковую пластину со слоем изолятора, слой исследуемого диэлектрика, нанесенного поверх металлических гребнеобразных электродов, два гребнеобразных металлических электрода, зубцы одного из которых входят во впадины другого с рабочей стороны диэлектрика (см., например, статья «Electrical Characterization of Benzocyclobutene Polymers for Electric Micromachines» Nima Ghalichechian, Alireza Modafe, Benjamin Kleber и Reza Ghodssi в журнале «IЕЕЕ TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY», том 4, №3, сентябрь 2004 г., стр. 495-508).
Недостатком данного тестового элемента является то, что при его использовании возможны утечки через наружную периферию электродов тестового элемента из-за того, что путь утечки не перекрыт. Кроме того, при формировании гребнеобразных металлических электродов, диэлектрик вне тестового элемента может быть проводящим, например, из-за того, что может абсорбировать из травителя подвижные ионы, что ухудшает точность контроля.
Целью предполагаемой полезной модели является улучшение точности контроля.
Указанная цель достигается тем, что в отличие от известных тестовых элементов, в предлагаемом тестовом элементе для оценки качества диэлектрика, содержащем полупроводниковую пластину со слоем изолятора, слой исследуемого диэлектрика, нанесенного поверх металлических гребнеобразных электродов, два гребнеобразных металлических электрода, зубцы одного из которых входят во впадины другого, защитного экранирующего проводящего кольца вокруг одного из электродов с рабочей стороны диэлектрика, контактные площадки к электродам и защитному экранирующему кольцу, в качестве защитного экранирующего кольца используется один из гребнеобразных электродов, полностью охватывающий другой гребнеобразный электрод.
Использование в качестве защитного экранирующего кольца одного из гребнеобразных электродов, полностью охватывающего другой гребнеобразный электрод, позволяет устранить токи утечки через наружную периферию электродов тестового элемента и сократить число задействованных зондов.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. Конструкция предлагаемого тестового элемента изображена на фиг. 1 (разрез) и фиг. 2 (вид сверху). На фиг. 3 изображена схема электрическая принципиальная, необходимая при использовании данного тестового элемента.
Позициями на фиг. 1-3 обозначены:
1 - кремниевая подложка;
2 - слой оксида кремния;
3 -металлизация;
4 - слой контролируемого диэлектрика;
5 - контактное окно в контролируемом диэлектрике;
6 - источник напряжения;
7 - переключатель полярности напряжения;
8 - наноамперметр.
Предлагаемая модель состоит из полупроводниковой пластины со слоем изолятора на рабочей стороне, двух металлических гребнеобразных электродов с шириной зубцов не менее разрешающей способности фотолитографии, например, 20 мкм, и зазором между зубцами, соответствующим зазорам между металлизацией мощной интегральной схемы, для которой проводится исследование защитного диэлектрика, например, при использовании в качестве диэлектрика полиимида АД-9103 для 1000 вольт зазор равен 7 мкм. Исследуемый диэлектрик наносится поверх металлических электродов. Толщина исследуемого диэлектрика должна быть не менее зазора между зубцами, чтобы исключить пробой по поверхности диэлектрика. В исследуемом диэлектрике формируются окна к контактным площадкам электродов. Зазор между контактными площадками и гребнеобразными электродами выбирается такой, чтобы исключить пробой по воздуху между гребнеобразными электродами, краем кристалла и контактными площадками.
Указанную тестовую ячейку можно изготовить следующим образом: на кремниевой монокристаллической подложке 1 ориентации (100) выращивают слой термического оксида кремния 2, толщиной 0,6 мкм; затем методом магнетронного напыления наносят слой алюминия 3, толщиной 1 мкм, формируют методом фотолитографии требуемую конфигурацию металлизации; далее наносят слой диэлектрика (полиимида) 4, толщиной 6 мкм, и вытравливают контактные окна к металлизации (см. фиг. 1).
Для оценки качества диэлектрика на контактные окна 5 подают напряжение 1000 вольт от источника напряжения 6 и измеряют ток наноамперметром 8 при обеих полярностях напряжения (см. фиг. 3).