测量开关特性的装置和增大开关样品尺寸的装置

申请号 CN200610163588.8 申请日 2006-10-20 公开(公告)号 CN1971300A 公开(公告)日 2007-05-30
申请人 国际商业机器公司; 发明人 查尔斯·J·蒙特罗斯; 王平川; 罗伯特·D·爱德华兹; 罗伯特·A·格罗夫斯; 理查德·P·沃兰特; 哈里克里亚·德利吉亚尼; 托马斯·J·弗莱希曼;
摘要 本 发明 提供多个用于在MEMS 开关 器件上进行可靠性和 质量 测试的测试结构。采用用于触点和间隙特性测量的测试结构,其使得迂回布局模拟上下致动 电极 的排。使用级联开关链测试以大样品尺寸监测工艺 缺陷 。使用环形 振荡器 测量开关速度和开关寿命。设置 电阻 器 梯形测试结构以使得每个 电阻器 与要被测试的开关 串联 ,和使得每个开关电阻器对电并联。利用与现有工艺的开关串联工作的MEMS开关而建立串联/并联测试结构。使用移位寄存器以监测MEMS开关的开放和闭合状态。使用移位寄存器测量吸合 电压 、脱离电压、漏 电流 和开关寿命。
权利要求

1、一种用于测量MEMS开关的触点和间隙特性的装置,包括:
设置成迂回电路的阵列图案中的多个所述MEMS开关,在上下致动电 极的梳之间具有空气间隙;
电连接到所述上致动电极的第一对探针焊盘;
电连接到所述下致动电极的第二对探针焊盘;以及
电连接到所述迂回电路中的所述MEMS开关的第三对探针焊盘;
以使得所有所述致动电极彼此并联电连接,而所述MEMS开关串联电 连接。
2、如权利要求1的装置,包括:设置所述MEMS开关的开关触点,以 使得所述MEMS开关串联闭合且所述致动电极并联以使得致动漏电流是可 测量的,或使得接触电阻是可测量的,其中致动漏电流是每个所述MEMS 开关的每个单独致动漏电流的总和,其中接触电阻是每个所述MEMS开关 的每个单独接触电阻的总和。
3、如权利要求1的装置,其中所述触点和间隙特性定义为所述电极宽 度和长度以及所述电极之间的间隙距离的函数。
4、一种装置,用于测量在级联电结构中设置的MEMS开关的特性,包 括:
多个所述MEMS开关,每个所述MEMS开关具有信号线、梁和至少一 根致动线;和
电连接MEMS开关的所述信号线到相邻MEMS开关的所述梁的通孔连 接,以使得当所述致动线被偏置时所述多个MEMS开关电连接以形成级联 链;
由此,一旦偏置第一MEMS开关的所述致动线时,就以线性方式在延 迟时刻诱发每个所述相邻的MEMS开关的偏置,直到所有的所述多个MEMS 开关被启动。
5、如权利要求4的装置,进一步包括设置所述MEMS开关的所述开关 触点以使之以级联图案闭合,以使作为每个单独的开关延迟时间的总和的开 关延迟时间是可测量的。
6、如权利要求4的装置,进一步包括频率计数器、反相器、和边沿计 数器以形成以所述级联结构设置的所述MEMS开关的环形振荡器,其中所 述频率计数器产生开关延迟的测量值,其等于所述MEMS开关的频率和数 量的乘积的倒数,满足表达式1/f*N,且所述边沿计数器计数通过所述MEMS 开关的传输信号的上升沿和下降沿,所述传输信号电循环回所述级联链以重 新开放所述MEMS开关。
7、如权利要求4的装置,其中每个所述MEMS开关信号线连接到相邻 的MEMS开关致动线,每个所述的梁以电阻方式连接到电压电势,且使环 初始脉冲输入到所述级联结构中的第一MEMS开关的第一致动线。
8、一种装置,用于使用电阻梯形测量MEMS开关的特性,包括:
多个所述MEMS开关;
多个如此电气设置的电阻器,以使每个电阻器具有对应的MEMS开关, 所述电阻器电串联到所述MEMS开关,每个电阻器MEMS开关对彼此并联 地电连接;
用于施加致动电压的致动探针焊盘对;和
用于集总地测量所述电阻器MEMS开关对的输出电阻的信号探针焊盘 对;
使得当所有的所述MEMS开关被一起启动时,每个所述MEMS开关一 个接一个地闭合,逐步减小所测量的电阻。
9、如权利要求8的装置,其中所述多个电阻器的每个具有彼此不同的 电阻值。
10、如权利要求8的装置,其中所述多个电阻器的每个具有相等的电阻 值。
11、一种装置,用于测量开关的特性参数,包括:
由第一技术形成的第一组开关;
由第二技术形成的第二组开关,所述第二技术不同于所述第一技术;
与所述第一组开关电磁连通的致动电路;和
终止所述致动电路的一对致动探针焊盘;
其中当电压跨过所述一对致动焊盘施加时,所述第一组开关设置为闭合 状态且在串联电路中排列,且所述第二组开关保持开放状态,使对于所述第 一组开关总的接触电阻之和是可测量的,或者可以从所述第一组开关的至少 一个开关检测出开放状态失效。
12、如权利要求11的装置,包括:使得所述第二组开关处于闭合状态, 并联地设置所述第一组开关,使当所述第一组开关启动并保持开放时,能从 所述第一组开关的至少一个开关检测出闭合状态失效。
13、如权利要求11的装置,其中当电压施加到所述致动焊盘时,所述 第一组开关同时启动。
14、如权利要求11的装置,其中所述第一技术包括MEMS结构。
15、如权利要求11的装置,其中所述第二技术包括固态结构。
16、一种装置,用于增大用于质量保证测试的MEMS开关样品尺寸, 包括:
多个MEMS开关;
与所述多个MEMS开关电磁连通的致动电路,以使得当以预定电压电 平启动所述致动电路时,所述MEMS开关开放或闭合;
具有读出端口和多个数据输入寄存器的移位寄存器,每个所述数据输入 寄存器与所述多个MEMS开关的MEMS开关对应,以使得当所述MEMS 开关在闭合状态时每个所述数据输入寄存器与每个所述MEMS开关电串联, 完成串联电路;和
输入到所述移位寄存器的电时钟脉冲;
其中所述多个MEMS开关的每个的开放或闭合状态通过来自所述移位 寄存器的时钟脉冲读出线决定。
17、如权利要求16的装置,其中每个所述MEMS开关的开放/闭合状态 由所述移位寄存器的读出确定。
18、如权利要求17的装置,其中所述预定电压包括增加电压电平的阶 梯函数,以使得所述移位寄存器的读出确定用于每个所述MEMS开关的吸 合电压。
19、如权利要求17的装置,其中所述预定电压包括降低电压电平的阶 梯函数,以使得所述移位寄存器的读出确定用于每个所述MEMS开关的脱 离电压。
20、如权利要求16的装置,进一步包括:使得所述致动电路的致动触 点电并联配置,以使得对于所有的所述MEMS开关总的致动漏电流是可测 量的。

说明书全文

技术领域

发明涉及一种微机电系统,特别涉及一种用于测试该系统的微机电开 关和结构。更具体地,本发明涉及为了利用统计显著性表征MEMS开关性 能,而使用的为了得到可靠性和质量鉴定数据的测试结构和测试方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)被认为是可能在先进的高性能模拟电路中使用的开 关结构,部分是因为具有优于FET器件的改善的开关特性。例如,与其它晶 体管基开关例如GaAs MEMSFET等相比,一些正在被研发的MEMS基RF 开关具有优越的RF开关特性。
然而MSMS开关的研发仍处于初步研发阶段,它们的性能必须被经验 化地表征;然而,用于工艺提高和寿命预测的可靠性和鉴定方法难以适用, 且需要用于精确统计测定的大样品尺寸。
在MEMS继电器的鉴定中,有必要评价某些参数的总体性能,包括开 关性能随寿命的老化。为了利用统计显著性确定它们的寿命和可靠性,这些 参数会需要利用伴随的统计数据进行定量的测试。临界继电特性,例如在某 一启动/去启动电压下的启动和去启动(deactivation),可以方便地利用考虑电 路设计容许误差的通过/失效的方法测量。通过绘制在对数正态标度中的测试 累计失效百分比与寿命的图,分析这些结果。可以利用设定的置信度得到在 标准工作寿命中的目标失效率的统计学报道。为了满足越来越高平的可靠 性,统计数据必须以高精度和置信度形成。这意味着必须在这样的测试序列 中使用大量的样品。
通常,MSMS器件的布局和制造使得不太可能测试大尺寸的样品。例如, 由于每个开关至少具有四个探针焊盘(probe pad)(两个用于启动,两个用 于接触),开关的足够大的样品尺寸会需要在样品芯片上数量极多的I/O焊 盘,或者反过来需要大量的芯片。这些选择迅速变得昂贵和不切实际。

发明内容

考虑现有工艺的问题和缺陷,本发明的一个目的是提供用于使用特性参 数测试MEMS继电器以限制样品尺寸和I/O焊盘数量的装置和方法。
本发明的另一目的是提供用于测试MEMS继电器的装置和方法,其适 于大量器件的测试和提供某些器件参数精确的测量。
本发明进一步的目的是在不需要大量探针焊盘的情况下提供一种测试 在半导体电路芯片上的多个MEMS开关的装置。
从本说明书本发明的其它目的和优点将会变得明显或部分明显。
本领域技术人员将会清楚在本发明中实现的上述和其它目的,其涉及用 于测量MEMS开关的触点和间隙性能,包括:在迂回电路中设置的阵列图 案中的多个MEMS开关,在上下致动电极的梳(comb)之间具有空气间隙; 电连接到上致动电极的第一对探针焊盘;电连接到下致动电极的第二对探针 焊盘;和电连接到迂回电路中的MEMS开关的第三对探针焊盘;以使得所 有的致动电极电并联设置,而MEMS开关电串联设置。可以设置MEMS开 关的开关触点以使得MEMS开关串联闭合而致动电极并联以使得致动漏电 流变为可测量的,其中致动漏电流是每个MEMS开关的单独的致动漏电流 的总和,或接触电阻是可测量的,其中接触电阻是每个MEMS开关单独的 接触电阻的总和。
在第二个方面,本发明涉及一种用于测量以级联电结构设置的MEMS 开关的特性的装置,包括:多个MEMS开关,每个MEMS开关具有信号线、 梁和至少一个致动线;通孔连接,当致动线偏置时,其电连接MEMS开关 的信号线到相邻的MEMS开关的梁以使得多个MEMS开关电连接以形成级 联链;由此,一旦第一MEMS开关的致动线被偏置,就以线性方式在延迟 蚀刻诱发每个相邻MEMS开关的偏置,直到多个MEMS开关全被启动。 MEMS开关的开关触点设置为在级联图案中闭合,以使得开关延迟时间是可 测量的,其中开关延迟时间是MEMS开关的每个单独的开关延迟时间的总 和。装置进一步包括频率计数器、反相器和边沿计数器以形成以级联结构设 置的MEMS开关的环形振荡器,其中频率计数器得到开关延迟的测量值, 开关延迟等于MEMS开关的频率和数量乘积的倒数,满足表达式1/f*N,边 沿计数器计算经过MEMS开关所传输信号的上升和下降沿,传输的信号电 循环回到级联链以重新开放MEMS开关。并且,该装置可以进一步包括使 MEMS开关信号线的每一根连接到相邻MEMS开关的致动线,这些梁的每 一根都通过电阻连接到电压,并且具有输入到级联结构中的第一MEMS开 关的第一致动线的环初始脉冲。
在第三方面,本发明涉及一种用于使用电阻梯形测量MEMS开关特性 的装置,包括:多个MEMS开关;电设置以使得每个电阻器具有相应的MEMS 开关的多个电阻器,电阻器与MEMS开关串联电联接,每个电阻器MEMS 开关对彼此并联地电配置;用于施加致动电压的致动探针焊盘对;和用于集 总地(collectively)测量电阻器MEMS开关对的输出电阻的信号探针焊盘对; 这样当一起启动所有的MEMS开关时,每一个MEMS开关一个接一个地闭 合,逐渐地减小测量的电阻。多个电阻器的每一个可以具有彼此不同的电阻, 或相等的电阻值。
在第四方面,本发明涉及用于测量开关的特性参数的装置,包括:由第 一技术构成的第一组开关,由第二技术构成的第二组开关,第二技术不同于 第一技术;与第一组开关电磁连通的致动电路;和终止致动电路的一对致动 探针焊盘;其中当电压跨过一对致动焊盘施加时,第一组开关被设置在闭合 状态且在串联电路中排列,第二组开关在电气上保持在开放状态,使得对于 第一组开关总接触电阻能被测量,或从第一组开关的至少一个开关探测到的 开放状态失效能被测量。第二组开关可以是闭合状态,并联地电设置第一组 开关,使得当启动第一组开关以保持开放时,能够测量第一组开关中的至少 一个的闭合状态失效。当电压施加到致动焊盘时,第一组开关同时被开启。 第一技术可以包括MEMS结构,而第二技术可以包括固态结构。
在第五方面,本发明涉及用于增大用于质量保证测试的MEMS开关样 品尺寸的装置,包括:多个MEMS开关;与多个MEMS开关电磁连通的致 动电路,以使得当以预定电压电平开启致动电路时,MEMS开关开放或闭合; 具有读取端口和多个数据输入寄存器的移位寄存器,每个数据输入寄存器对 应于多个MEMS开关的MEMS开关,以使得当MEMS开关是闭合状态时, 每个数据输入寄存器与每个MEMS开关电串联,完成串联电路;和输入到 移位寄存器的电时钟脉冲;其中多个MEMS开关的每一个的开放或闭合状 态都通过来自移位寄存器的时钟脉冲的读取线确定。从移位寄存器的读出确 定每个MEMS开关的开放/闭合状态。预定电压包括增加电压电平的阶梯函 数(step function),以使得移位寄存器的读出确定每个MEMS开关的吸合电 压。可选择地,预定电压包括减小电压电平的阶梯函数,以使得移位寄存器 的读出确定每个MEMS开关的脱离电压。
附图说明
在附加的权利要求书中将具体地描述本发明被认为是新颖的特征和基 础特性。这些图仅仅是用于说明目的且不是按比例的。然而本发明本身作为 结构和操作方法,可以参考与附图结合的具体说明书来最好地理解,附图中:
图1A描述了具有开关电极和致动电极的处于开启状态的MEMS继电 器。
图1B描述了具有在关闭和启动状态下示出继电器的图1中的MEMS继 电器。
图2示意性地描述了用于可靠性测试和表征RF MEMS开关特性的结 构。
图3描述了在图2中示出的用于测试触点和间隙特征的优选实施例的实 际布局图。
图4A描述了在闭合状态或开放位置的具有悬臂或梁的MEMS开关的 示意图。
图4B描述了在开状态或闭合位置的图4A的铜悬臂开关。
图5描述了示出了多个开关的本发明的级联开关链。
图6示意性地示出了所采用的图5的级联开关链。
图7描述了用于测量开关速度和开关寿命的级联开关的环形振荡器布 置。
图8描述了用于环形振荡器测试多个MEMS开关的第二实施例。
图9描述了用于电阻器梯形测试结构(ladder test structure)的优选实施 例的示意性电路图。
图10描述了用于MEMS开关测试的串联/并联结构的通用结构的示意 图。
图11描述了在串联/并联结构中连接的图10的MEMS开关。
图12描述了具有关闭的MEMS开关的图10的串联/并联结构。
图13描述了在开关测试期间反映MEMS开启或关闭状态的移位寄存器 结构。

具体实施方式

在描述本发明的优选实施例的过程中,在下文中将会参考附图1-13, 其中相同的附图标记表示本发明中相同的部件。
图1A描述了在具有开关电极12和致动电极14的处于开放状态的 MEMS继电器10。MEMS继电器10配置在衬底16上。开关电极通过中 间介电层(ILD)18与致动电极电隔离。触点19位于开关电极的上和下表面上。 图1B描述了图1A的MEMS继电器10,其具有闭合或开启状态。当开关被 施加致动电压时,这会发生。在电触点中示出了触点19,而在致动期间致动 电极14保持接近但之间分开有间隙22。通过施加致动电压,开关梁通过静 电与下接触焊盘产生物理接触。施加的启动电压称为吸合电压,因为梁被 物理地下拉到下触点。
目的是测试在这些继电器上的某些参数,以便确定在开关的整个设计寿 命期间的功能。这些参数包括:吸合和脱离电压;由致动引起的漏电流;接触 电阻;和在卡住(sticking)之前的致动次数(开放/闭合)。例如,不像传统 的BEOL结构(其中金属线嵌入在刚性绝缘的电介质中),MEMS开关通常 包括独立的(free-standing)结构,例如悬臂、两端固定的梁或悬浮的桥结构, 它们响应于施加到致动元件的电压的静电力而移动。在施加致动电压时,在 悬臂/梁上的开关电极触点与用于电传输的下接触焊盘接触,而致动电极通过 如图1B所示的窄间隙分开。在开关期间当致动电极无意中彼此接触时,致 动电压被中断,开关可能被无意地开放。因此,当开关是在闭合状态时通过 测量致动电极之间的漏电流而评价间隙分隔以保证正确的开关是非常重要 的。进行间隙分隔的评定需要相关面积越大越好,以使得在间隙界面处的潜 在问题被放大和观察。这种测试的挑战之一是在间隙区域中进行漏电流测量 时致动的模拟。提出的测试结构具有显著放大的开关电极和致动电极面积以 实现这种测量。
可以同时测量全体器件的总漏电流和总接触电阻,使得更容易更精确地 得到参数测量的量值,其最终改善了鉴定工艺的值。相同地,可以在全体开 关的有效寿命期间测量总漏电流和接触电阻的变化,以确保这些参数处于在 整个工作寿命期间的设计容许误差内,。
另外,可以精确测量每个单独开关的吸合和脱离电压,产生用于全体开 关的这些和其它重要参数的分布。可以作为开关动作的次数或年限的函数来 测量这个分布中的变化。因此,通过采用加速应力状态(stress condition),超 过工作寿命测试开关是很重要的。开放和闭合条件可以被检测,但是重要的, 这些条件不会使测试结构无效,因此测试可以继续直到在测试结构中的每个 开关不再工作,产生开关寿命的分布。
用于测试触点和间隙特性的方法和结构
图2示意性地描述了用于测试RF MEMS开关特性的结构30。这个示 例性结构具有整套测量所需的三组探针焊盘32a-c。探针焊盘32b和32c分 别连接模拟上和下致动电极排的梳。探针焊盘32a+和32a-连接到由几个电 串联的开关形成的迂回电路。在这个实施例中,描述了十(10)个开关。在 测量顺序中,通过在电极32b和32c之间施加致动电压到致动电极闭合测试 开关,致动电压典型地在10V以下。以这种方式,所有致动触点都是并联的, 而开关串联设置。因此,虽然对于这个结构也可以使用其它的更大数量,对 于多个开关仅仅需要四个开关焊盘-在示例实施例中是10个。然后电流通 过在探针焊盘32a+和32a-之间串联的开关传输。所有的开关设置成串联闭合 方式。然后通过在探针焊盘32a+和32a-之间的电阻的连续测量原位测量开关 接触电阻。因此,可以测量总的接触电阻之和,其比单个接触电阻测量大一 个数量级。由于致动结构的并联连接,从焊盘32b到32c的总致动漏电流大 一个数量级。这使得能够更加精确地测量小漏电流。寿命结束测量通过开关 的闭合失效而评估。在所有开关串联的情况下,为了传输电信号,必需要所 有的开关都闭合。
图3描述了用于测试触点和间隙特性的优选实施例40的布局图。在这 个结构中,触点和间隙特性被经验性地定义为电极宽度和长度的函数。电极 的迂回图案使得能够在密集尺寸(condensed footprint)的框架内形成多个开 关。主导特征包括电极宽度W1、每个电极部件之间的间隔d1、开关区域的 长度L。宽度W1优选为5μm到15μm的数量级。在分层段中示出了一个 在另一个之上以进一步压缩结构的电极。优选结构优于传统的离散结构,该 离散结构用于器件性能和MEMS开关触点的可靠性测试,当需要大样品尺 寸时尤其具有更大的优势。优选结构减小了在芯片上需要的空间,增加了测 试系统能够处理的样品数量。当开关闭合时也可以确定介电性能。然而,不 通过这个结构研究开关触点或静摩擦(stiction)。注意,在优选测试系统中, 在整个测试期间开关保持闭合,因此如果有任何静摩擦问题也不能被发现。
通过利用图2和图3的测试结构,开关致动并联设置,增加了总的漏电 流,其使得该电流更容易测量。同样地,开关串联以使得它们的电阻增加。 如果所有的开关都是基本上相同的,致动电流和开关电阻将会以所使用开关 的数量为因子增加。在示例实施例中,其将会是至少一个数量级的因子。通 过这种方式,该测试结构可以精确地经验地量化少量电流和/或电阻。
级联开关链
本领域工艺人员一直把MEMS结构认为是在先进高性能模拟电路中可 行的开关结构,主要是由于它们比FET器件具有改善的开关性能。典型地, 如图4中示意性地所示,厚铜金属用作开关梁或悬臂。图4A描述了具有在 关状态或开放位置,悬浮的横跨偏压线44和信号线46的铜悬臂42的MEMS 开关的示意图。通过经过偏压线44施加偏压,悬臂42被下拉。图4B描述 了在开状态或闭合位置中的图4A的铜悬臂开关。在开状态位置,悬臂42 接触用于传输RF和/或DC信号的信号线46。
MEMS开关结构的性能和可靠性极大地取决于材料和尺寸选择。例如, 下拉电压和开关速度主要取决于悬臂材料的机械性能和梁的尺寸。在优选实 施例中,器件结构允许使用更短的梁。这减少了静摩擦问题,而增加了更多 的可靠性,由此具有减小的开关速度频率,其可以用于为某些电路中的开关 提供适当的时间延迟。
与MEMS结构相关的可靠性测试,例如疲劳、接触完整性和静摩擦, 在传统BEOL结构中都是独特的。提出了级联开关链测试结构以评估工艺成 品率、性能和可靠性。这个测试链结构已经显示出显著地增加了用于测试的 样品尺寸和参数/器件特性,包括允许更容易、更精确地测量开关速度。优选 的级联开关链实施例提供了灵活的开关设计和精确的开关速度测量。级联开 关链也用作用于评估MEMS开关的合格率和可靠性的测试结构。加上反相 器,边沿(edge)计数器和频率计数器,可以修改级联开关链以用作用于自 动寿命测量和精确开关速度性能测定的环形振荡器。
图5描述了示出多个开关52a-c的本发明的级联开关链50。每个开关分 别具有信号线54a-c、梁56a-c并且通过连接58a-c相连。第一开关的信号线 54a通过通孔58a连接到第二开关52b的梁56b。从一个开关到另一个开关 形成类似的电连接。通过这种方式,大量的开关连接以形成链状结构。图6 示意性地表示图5的级联开关链是怎样使用的。在加偏压之前,在链中的每 个开关彼此电隔离。如行60所示,在为第一开关52a的梁56a施加偏压时, 梁56a被下拉并接触第一开关的信号线54a。开关52a的闭合引发了行62所 示的开关52b的偏置。如行64所示,这又闭合了开关52b、偏置了开关52c 等等。图6诸行示意性地说明了开关偏置的级联效应。由于只有当所有单独 的开关闭合时整个链才闭合,级联链可以利用大样品尺寸监测工艺的缺陷。 并且,整个链的开关时间是每个开关的开关时间的总和。结果,级联链结构 可以用于确定具有不同尺寸和/或材料的开关的特征开关速度。寿命和可靠性 的测量也可以在高统计置信度下利用大样品尺寸评估。
另外,对于优选的级联开关的实施例,有可能用作某些电路应用的具有 特殊的开关延迟特性的开关。通过增加链中的开关总数,可以适当地延迟开 关时间以匹配给定操作所需要的时间特性。
级联开关环形振荡器
图7描述了由级联开关72a-n构成的环形振荡器70。在测量开关速度 和开关寿命时,环形振荡器是有用的。频率测量典型地通过频率计数器74 和环形振荡器中的多个开关72a-n进行,获得了1/f*N的开关延迟的测量结 果,其中f是频率,N是开关数量。边沿计数器76计算在每一次信号经过 时信号的上升和下降沿,从而能够量化开关动作的次数。反相器78闭合开 关。信号然后循环回去(circle back)并重新开放它们。通过这种方式,开 关依次闭合,但不是同时闭合。频率计数器74用于测量延迟时间,测量作 为边沿数量的函数的频率。如果环形振荡器工作直到失效,计出的总数量(开 关动作总次数)与开关寿命相关。延迟时间与周期数量结合使用以量化在寿 命中的开关性能特征。
当致动电压上升或下降时通过观察频率信号的出现或消失分别测量和 确认吸合和脱离电压电平。测量的电压表示所有开关样本在最坏情况下的性 能,其获得最高的吸合电压和最低的脱离电压,因为环形振荡器要工作,所 有的开关都必须工作。
图8描述了环形振荡器的第二实施例。第二结构不需要任何有源电路, 例如反相器来维持振荡。当MEMS电路实现于未执行有源器件处理的衬底 上时,这一结构是有用的。如图8中所示,MEMS开关80a-n以级联方式电 连接,信号触点82和致动触点84作用于梁86。在这个结构中,环初始脉冲 (ring initiation pulse)88的脉冲宽度小于环周期。
电阻梯形测试结构
图9描述了用于电阻梯形测试结构90的电学示意图。示出了电阻器R1-N, 每一个与要被测试的开关串联,使得每个开关电阻器对并联电连接。通过这 种方式,所有的开关一起启动。因此,对于N个开关仅仅需要如图所示的四 个探针焊盘。随着致动电压缓慢地增加,开关一个接一个的闭合,对于每个 闭合的开关在Rout端子处的电阻以可预测的预定方式减小。电阻Rout是闭合 的开关数量的函数。随着致动电压缓慢减小,开关一个接一个地开放,跨过 Rout端子的电阻以类似地预定方式增大。通过采用这样的实施例,对于全体 数量的开关可以绘出吸合电压和脱离电压的分布图。然后以预定数量的动作 操作开关,并且过程被重复以确定作为开关寿命的函数的电压分布的变化。
另外,在Rout端子处的电阻测量能够表示卡住的开关(stuck-switch)的 情况。如果当没有施加致动电压时电阻太低,这表明至少一个开关处于闭合 位置。总电阻的测量值将会经验性地示出多少开关处于闭合位置。类似地, 如果施加最大致动电压,而电阻Rout太高,该电阻会表示有多少开关处于开 放位置。重要的是,即使在一些开关已经失效以后测试仍然可以继续。并且, 测试可以继续直到所有的开关失效,这时,当致动电压从零改变到最大值时, 在Rout处测不出电阻改变。通过这种方式,电阻梯形测试结构能够获得开关 寿命的分布。
优选电阻梯形测试结构在产品鉴定工艺的早期和晚期都是有用的。在早 期阶段,当制造工艺还不成熟时,对失效的部分进行物理失效分析是有用的。 当发现失效时,这需要精确地识别失效的开关。优选的电阻梯形测试结构技 术通过要求在梯形结构中的每个电阻器具有不同的值来实现这个目的。在梯 形中的开关数量也有助于测量和识别具体的失效开关。优选地,虽然测试结 构可以包含更多的开关,每个梯形十到二十个开关是适于识别具体的失效开 关的。当制造工艺成熟到一定程度,不再需要单个开关的失效分析时,知道 多少开关已经失效了,以及能够为开关成功率指定统计显著性状态 (statistically significant statement)对于测试工程师是非常重要的。在这种情 况下,更多的开关可以被做成梯形结构,优选100到200个开关。为每个开 关分配相同的电阻器。闭合的开关数量通过R/Rout量化地限定,其中R是相 同的梯形电阻器之一的电阻。由于可在结构中使用大量的开关,这个方法使 得开关吸合和脱离电压、更精确分布和寿命周期评估的测量成为可能。
串联/并联结构
图10描述了用于开关测试的串联/并联结构的通用结构100的示意图。 开关102a-e表示要被测试的器件。开关104a-d由现有工艺形成,例如固态 器件。在这个实施例中,可以有任意数量的被测试器件。示出了两个探针焊 盘106a,b。为了清楚,未示出用于开关102和104的致动探针焊盘对;然而, 不论被测试的开关102的数量是多少,它们构成了用于串联/并联测试结构的 共六个探针焊盘。
如果开关104被同时开放,当开关102闭合时,它们被串联电联接。图 11描述了串联连接的图10的开关。开关102将被同时致动,以使得整个结 构中的漏电流是每个单独开关漏电流的总和。触点的串联结构确保了整个结 构的接触电阻是所有单独开关的接触电阻的总和。然后致动电压可以被缓慢 增加以测量吸合电压,并被缓慢降低以测量脱离电压。在开放状态下失效的 任何开关将会导致结构失效;然而,任何开关卡塞闭合将不会被检测出。
图12描述了具有闭合开关104的图10中的串联/并联结构。通过这种方 式,开关102的触点是并联的。这种结构被用于探测在闭合状态下失效的开 关。
串联/并联结构工作的优选方法如下:1)以限定动作次数操作开关102; 2)测量致动漏电流、接触电阻、吸合电压和脱离电压;3)使用开关104以 检查开关102的任何失效(开放或闭合状态失效);和4)重复上述步骤1-3 直到检测出开关102中的失效。
移位寄存器结构
一般而言,本发明包括用于以有限数量的I/O焊盘增大MEMS样品尺寸 的不同方法和结构。为此可以采用的另一实施例是移位寄存器。图13描述 了反映MEMS开关的开放和闭合状态的移位寄存器110。这个实施例允许所 有的开关致动结合在一起(tied together),以使得不论被评估的MEMS开关 的数量为多少,都只需要两个芯片焊盘。移位寄存器链需要时钟输入、数据 输入和数据输出。通过大量具有少量的I/O芯片焊盘的器件集合得出了统计 数据。每个单独开关的开放/闭合状态可以通过在任何时候移出寄存器中的内 容用于分析而确定。通常地,在上布线层中制造MEMS电路。这样一来, 它们可以物理地存在于移位寄存器上方,为额外的测试电路留下更多的空 间。
参考图13,移位寄存器结构在用于收集大量MEMS开关的统计数据中 是有用的,包括对于吸合电压、脱离电压、致动漏电流和寿命的统计计算。
对于吸合电压,如果致动电压以小而离散的步长缓慢增加,在每个步长 (step)之后进行移位寄存器的读取,可以测量每个单独开关的致动电压。 通过计数在移位寄存器链中的1的数量可以计算闭合开关的数量。通过相对 于施加的致动电压绘制闭合开关的数量曲线,可以对整个样本集合的致动电 压形成柱状图。并且,由于移位寄存器的每一个单元都对应于MEMS开关, 在任何不能工作的开关上或致动电压不在规格之内的开关上可以进行物理 失效分析。
对于脱离电压,使用移位寄存器结构进行类似的动作;然而,施加的致 动电压是逐步下降而不是增加的,而计算开放的开关数量。
对于致动漏电流,由于所有开关的所有致动触点都是并联的,由测试结 构的致动焊盘产生的电流是所有器件的致动漏电流的总和。平均漏电流可以 通过以闭合开关的数量除总漏电流而计算。并且,可以将总漏电流对于闭合 开关数量的曲线与线性曲线匹配,因为该线性表示致动结构的均匀度。
寿命测量数据从产生MEMS器件的物理失效的致动次数导出。移位寄 存结构可以用于表示当致动电压施加时不闭合的开关,或当致动电流除去时 保持闭合的开关。失效的数量和模式可以作为施加的致动电压脉冲数量的函 数绘出。这产生了全体开关的寿命的柱状图。
本发明提供多种测试结构,用于MEMS开关器件上进行可靠性和合格 性测试。用于触点和间隙特性的具有迂回布局的测试结构模拟一排排的上下 致动电极。MEMS开关电串联。级联开关链测试用于以大样品尺寸监测工艺 的缺陷。只有当所有开关闭合时,整个链才会闭合。级联开关链测试会确定 具有不同的尺寸和/或材料的开关的特性开关速度。加上反相器、边沿计数器 和频率计数器,级联开关链结构可以被修改以用作环形振荡器。环形振荡器 用于测量开关速度和开关寿命。电阻梯形测试结构设置为使每个电阻器与要 被测试的开关串联,并且使得每个开关电阻器对电并联。吸合电压和脱离电 压可以对于全体数量的开关绘图。提出了串联/并联测试结构,MEMS开关 与以现有技术形成的开关串联工作。MEMS开关可以以串联或并联的方式测 试。移位寄存器被用于检测MEMS开关的开放或闭合状态。使用移位寄存 器测量吸合电压、脱离电压、致动漏电流和开关寿命。
虽然结合具体的优选实施例具体地描述了本发明,但是对于本领域的技 术人员很明显,在前面描述的启发下可以作出许多替换、变化和修改。因此 权利要求中将包括许多这样的替换、修改和变化,只要它们落入在本发明的 真实范围和精神之内即可。
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