專利名稱：一種測量相變存儲器應力的mems傳感器及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于器件材料力學性能測試技術(shù)領域，具體涉及相變存儲器中材料相變致應力的測量裝置，即一種測量相變存儲器應力的MEMS傳感器；本發(fā)明包括了這種MEMS傳感器結(jié)構(gòu)的制備工藝。
背景技術(shù)：
PCRAM相變存儲器由于具有高速，優(yōu)秀的尺寸縮小能力等特點被看好有望取代 Flash成為下一代的非易失性存儲器。要實現(xiàn)PCRAM的商用化，需要解決PCRAM芯片在應用中的可靠性問題。提高PCRAM芯片的可靠性對于其商用化至關(guān)重要。為了提高PCRAM器件的可靠性，需要對存儲單元進行失效分析，探討其失效機制。 對于相變存儲器結(jié)構(gòu)，一種重要的失效機制是經(jīng)過多次的擦寫循環(huán)后，相變材料與加熱層材料，電極材料，絕緣層材料的界面處產(chǎn)生機械應力，熱應力，在這些應力(Stress)作用下，使得相變材料熔化區(qū)發(fā)生流動，并最終使界面變粗糙甚至出現(xiàn)開路現(xiàn)象。因此，測量應力對解決PCRAM的失效問題，提高可靠性具有關(guān)鍵性的意義。在標準化的集成電路工藝中，使用光學方法測量曲率來測量應力，其原理描述如下一個平坦的晶圓，其曲率為零，曲率半徑為無窮大。晶圓上沉積薄膜后，薄膜與晶圓之間的應力會導致晶圓發(fā)生形變，使得晶圓不再是一個平面而形成具有曲率半徑的球面。應力測試儀測量出這個曲率半徑，然后根據(jù)^oney公式計算出薄膜應力。應力測試儀測量的應力是整個晶圓上的薄膜應力，無法反映某個具體區(qū)域的應力分布。中國專利文獻“薄膜應力測試結(jié)構(gòu)、測試方法及制造方法”(公開號 CN101871825A，
公開日2010. 10. 27)用懸臂梁的幾何放大原理來測量應力，為了用合適的放大系數(shù)來讀出應力值，需要懸臂梁的長度足夠長。在實際應用中這種結(jié)構(gòu)會不可避免的出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)黏附在襯底上的問題，從而失去測量應力的實際應用功能。而且在這種方法中，忽略了懸臂梁結(jié)構(gòu)在垂直于襯底平面上的位移。鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明人采用了與上述方法不同的方法和結(jié)構(gòu)，能夠避免上述技術(shù)方法的缺陷，提高實用性，適應相變存儲器器件應力測試的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，該傳感器能準確測量相變存儲器單元擦寫過程產(chǎn)生的應力，其測試精度較高；本發(fā)明還提供了該傳感器的制備工藝。本發(fā)明公開的一種測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，其特征在于，該傳感器包括指示梁和電極，指示梁懸空在襯底上方，電極與指示梁電連接；根據(jù)指示梁的位移計算位于指示梁上的相變存儲器的應力。作為上述技術(shù)方案的一種改進，所述指示梁由支撐梁和梳齒結(jié)構(gòu)構(gòu)成，支撐梁的一端由固定錨固定在襯底上，另一端與梳齒結(jié)構(gòu)連接，使梳齒結(jié)構(gòu)懸空在襯底上方；進一步地，所述梳齒結(jié)構(gòu)由長度成等差數(shù)列的一對梳齒交互交錯組成，且各梳齒之間互不接觸；更進一步地，所述支撐梁在梳齒結(jié)構(gòu)端的距離D = 0. 4 40 μ m，梳齒結(jié)構(gòu)的長度Llnd = 0. 5 150 μ m、支撐梁的偏轉(zhuǎn)角度Φ = 20mrad 150mrad，支撐梁的跨度Lbb = 3 μ m 500 μ m， 支撐梁的寬度bBB = 12nm 3 μ m，支撐梁的厚度t = 15nm 2 μ m。作為上述技術(shù)方案的另一種改進，指示梁為一根直梁；進一步地，該指示梁的跨度 Lff為0. 5 500 μ m,指示梁的寬度bFF為12nm 3 μ m，指示梁的厚度t為20nm 4 μ m。本發(fā)明提供的所述的MEMS傳感器的制備工藝，其特征在于，該工藝包括下述步驟在襯底上光刻并刻蝕，形成固定錨結(jié)構(gòu)，然后在襯底上制備犧牲層材料，使固定錨和犧牲層高度之間的差2 μ m之內(nèi)；第二次光刻，在犧牲層材料上刻蝕掉固定錨的部分，露出固定錨，然后沉積結(jié)構(gòu)層指示梁材料，在結(jié)構(gòu)層材料上做第三次光刻，刻蝕出固定錨、支撐梁和梳齒結(jié)構(gòu)，濺射沉積電極材料，第四次光刻刻蝕出電極，再用氧等離子體干法刻蝕釋放犧牲層材料，形成懸空的指示梁結(jié)構(gòu)，得到MEMS傳感器。本發(fā)明使用等離子體干法刻蝕的方法釋放犧牲層，可以有效避免懸空結(jié)構(gòu)和襯底黏附的問題。上述結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)支撐梁的角度以及長度，即可以調(diào)整對形變的放大系數(shù)，可以有效避免懸臂梁結(jié)構(gòu)因應力梯度問題和襯底接觸的缺點。通過稍加改變的梁結(jié)構(gòu)，可以通過測量梁在垂直于襯底方向上的形變來計算并得出應力，并且具有更好的測量精度?？梢蕴峁┐鎯ζ鲉卧诓煌瑓^(qū)域的應力分布情況，其結(jié)構(gòu)可以將懸空結(jié)構(gòu)垂直于襯底平面的形變控制在最小，提高測試結(jié)構(gòu)的可靠性。上述發(fā)明的傳感器在測量過程中可以通過電脈沖、激光脈沖、退火等方法使相變材料發(fā)生相變，從而測量相變存儲器相變過程中的應力情況。由以上的技術(shù)方案，本發(fā)明將具有如下優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，并將懸空結(jié)構(gòu)在垂直于襯底方向的位移降低，避免了懸臂梁結(jié)構(gòu)和襯底接觸的問題，提高了測試結(jié)構(gòu)的可靠性；結(jié)構(gòu)所占面積小，不會影響芯片性能；提高了測試應力的精度；測試手段簡單，用光學顯微鏡即可完成測試；適用于張應力和拉應力兩種應力的測試，無需另外設計測試結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)可以單獨測定某區(qū)域的應力，反映出應力的分布情況，也可以反復測量，反映伴隨擦寫過程的應力變化。


圖1是本發(fā)明提供的傳感器的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中梳齒結(jié)構(gòu)3區(qū)域的放大示意圖。圖3是本發(fā)明提供的傳感器的另一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖具體描述本發(fā)明的實施例。應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。如圖1所示，實例1提供的是一種彎梁應力測試結(jié)構(gòu)的傳感器，它包括固定錨1，支撐梁2，梳齒結(jié)構(gòu)3和電極4，支撐梁2和梳齒結(jié)構(gòu)3構(gòu)成指示梁5。固定錨1分為二部分，設置在襯底上，指示梁懸空在襯底上方，支撐梁2連接固定錨1和梳齒結(jié)構(gòu)3，使梳齒結(jié)構(gòu)3對稱分布于固定錨1的二部分之間。梳齒結(jié)構(gòu)使得應力引起的形變被放大并可以被讀出。電極4連接在支撐梁2上。如圖2所示，梳齒結(jié)構(gòu)由長度成等差數(shù)列的一對梳齒交互交錯組成，且各梳齒之間互不接觸。該結(jié)構(gòu)能夠幾何放大平行于梳齒方向上的位移，放大倍數(shù)可以通過相鄰梳齒之間的距離和相鄰梳齒長度差來控制。指示梁對位移的放大倍數(shù)S等于相鄰梳齒的間距Ls 與相鄰梳齒長度差Ld之比，其關(guān)系式為S = Ls/Ld。該梳齒結(jié)構(gòu)并不限于上述這一種形式，應該理解這里的梳齒結(jié)構(gòu)包括任何可以通過幾何放大原理對位移進行放大并讀出的帶梳齒的結(jié)構(gòu)，如通過一對平行相對放置且梳齒方向，和圖2中梳齒方向垂直的互不接觸的梳齒結(jié)構(gòu)，我們也可以把測量的位移放大。本實施例中的具體工藝步驟為在襯底上光刻并刻蝕，形成固定錨1結(jié)構(gòu)，固定錨 1與襯底之間的高度差通過刻蝕過程來控制，然后在襯底上用勻膠機旋涂犧牲層材料，第二次光刻，在犧牲層材料上刻蝕掉固定錨1的部分，露出固定錨1，然后采用薄膜沉積方法如 PECVD和LPCVD沉積結(jié)構(gòu)層指示梁材料，在結(jié)構(gòu)層材料上做第三次光刻，刻蝕出測試結(jié)構(gòu)的圖形，包括固定錨1，支撐梁2和梳齒結(jié)構(gòu)3，濺射沉積電極4材料，第四次光刻刻蝕出電極 4，再用氧等離子體干法刻蝕釋放犧牲層材料，形成懸空的指示梁結(jié)構(gòu)包括支撐梁2和梳齒結(jié)構(gòu)3，然后采用濺射、外延或者蒸鍍的方法在測試結(jié)構(gòu)上生長待測的相變材料薄膜?？梢栽诘诙喂饪糖?，加熱固化犧牲層材料，保證犧牲層表面的平整性以及防止結(jié)構(gòu)變形。本領域技術(shù)人員可以理解，其中襯底，犧牲層，結(jié)構(gòu)層材料和相變材料均可為現(xiàn)有技術(shù)中的一種，例如，襯底材料可為Si、SiC、GaAs, Al2O3等，犧牲層材料可為聚酰亞胺、Al 等，結(jié)構(gòu)層材料(包括支撐梁2和梳齒結(jié)構(gòu)3)可以是Si3N4、Si02、SiC等，電極4材料可為 TiW、Ag、Au、Cu等。采用上述制備工藝，固定錨1的材料與襯底相同，采用其它制備工藝流程，固定錨1的材料也可以與襯底不同，本發(fā)明對其材料本身沒有特殊要求。本發(fā)明提供的傳感器可用于Ge2Te2Sb5、GeiSb4Te7等硫系化合物相變材料的應力測試ο這里我們采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍如下支撐梁2在梳齒結(jié)構(gòu)3端的距離D = 0. 4 40 μ m,梳齒結(jié)構(gòu)3的長度Llnd = 0. 5 150μπι、支撐梁2的偏轉(zhuǎn)角度Φ = 20mrad 150mrad,支撐梁2的跨度Lbb = 3 μ m 500 μ m,支撐梁2的寬度bBB = 12nm 3 μ m，支撐梁2的厚度t = 15nm 2μπι。為了得到較好的彎梁結(jié)構(gòu)，需要通過控制固定錨1和襯底之間高度差來匹配犧牲層的高度，我們通過控制這個高度差，使其保持和犧牲層高度之間的差在2 μ m以內(nèi)，從而保證后續(xù)工藝中在我們指示梁和固定錨之間的連接處有足夠的機械強度，避免出現(xiàn)指示梁與襯底發(fā)生黏附。通常固定錨1和犧牲層之間的高度差應控制在1 2μπι范圍內(nèi)。本領域技術(shù)人員可以理解，襯底材料，犧牲層材料，結(jié)構(gòu)層材料，電極4材料和相變材料均可為現(xiàn)有技術(shù)中的一種，在實施例一中我們采用的襯底材料為單晶硅晶圓，犧牲層材料為聚酰亞胺ΡΙ-5，結(jié)構(gòu)層材料為Si3N4，電極4材料為TiW，相變材料為Ge2Sb2Tev較佳的，為保持結(jié)構(gòu)的懸空，支撐梁2的厚度應大于其寬度。
這里我們在第二次光刻后采用堿性顯影液TAMH來刻蝕聚酰亞胺，實現(xiàn)各向異性刻蝕，在釋放犧牲層時用氧等離子體來刻蝕，實現(xiàn)各向同性刻蝕，整個犧牲層的釋放是干法刻蝕，最小化了與襯底的黏附問題，且釋放過程無需在結(jié)構(gòu)層上開孔，保證了指示梁的機械強度。采用本發(fā)明測試結(jié)構(gòu)進行相變存儲器單元應力測試的主要構(gòu)思為機械放大薄膜應力引起的微小位移，并采用梁結(jié)構(gòu)最小化在垂直襯底平面的位移避免結(jié)構(gòu)與襯底黏附。 通過兩個相反方向放置的彎梁結(jié)構(gòu)我們測量到的位移是單獨彎梁結(jié)構(gòu)位移的兩倍，從而提高了測量結(jié)構(gòu)的精度。在此實施例計算公式的推導中我們假設測試結(jié)構(gòu)的所有形變中應力和應變是成正比的，忽略在垂直于襯底平面的形變，并且待測材料以及結(jié)構(gòu)層材料的物理性質(zhì)是各向同性的。我們的推導采用了卡氏定理，推導結(jié)果如下根據(jù)卡氏理論我們可以得到關(guān)于應變ε的公式
wtL\B sin^ | IrIIyyLm ^ ^IyyLlnd
cos4 φ sin ^ sin 沴 cos 沴η Λε = δ-^-；-γ-Γ-⑴
Uj ^r { ^L3bb 12IwLbb λ
Kz-lBB "‘" j^Ind )ΓΤ1 ~
IvCOS φ cos 泠 J式中，Lbb是支撐梁2的跨度，Llnd是梳齒結(jié)構(gòu)3的長度，t是支撐梁2的厚度， bBB是支撐梁2的寬度，在這個雙梁結(jié)構(gòu)的實例中wt = 2(bBBt)是支撐梁2的橫截面積，
Zjy =2(^4/12)是支撐梁2在平行于襯底方向的轉(zhuǎn)動慣量，Φ是支撐梁2水平方向上的偏轉(zhuǎn)角度，這里定義為 Φ = arctan[ (D0-D)/2Lbb]0根據(jù)應力公式σ = E ε，其中E為結(jié)構(gòu)層材料Si3N4的楊氏模量，ε為應變，從而可以計算出測量的應力值。在此實施例一中，我們從支撐梁2引出了電極4，可以通過電極4結(jié)構(gòu)對支撐梁2 上的相變材料施加合適的電流或電壓脈沖，使相變材料發(fā)生晶態(tài)、非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，從而可以測試相變材料在實際電流擦寫過程中的應力變化情況。在我們實施例一中我們采用的結(jié)構(gòu)尺寸如下表所示表一
符號眉、尺寸bBB支撐梁2寬度2 μ mD支撐梁2間距40 μ mIjInd梳齒結(jié)構(gòu)3長度100 μ mIjBB支撐梁2跨度300 μ mΦ支撐梁2偏轉(zhuǎn)角度2Omradt支撐梁2的厚度2 μ m
6
在測得梳齒結(jié)構(gòu)3的位移值之后，可以根據(jù)如表1所述具體參數(shù)以及結(jié)構(gòu)層材料的楊氏模量E和公式(1)，計算出相應的應力值。實施例二，在該實施例我們采用的結(jié)構(gòu)和實施例一中類似，其示意圖參照圖1所示，結(jié)構(gòu)包括固定錨1，支撐梁2，電極4和梳齒結(jié)構(gòu)3。該實例中我們采用的材料分別為SiO2 襯底，Al犧牲層，SiC結(jié)構(gòu)層，Ag電極和相變材料Ge1Sb4Te715具體制造工藝和實施例一類似為光刻刻蝕S^2襯底，沉積Al犧牲層，光刻并刻蝕Al露出固定錨1結(jié)構(gòu)，沉積SiC結(jié)構(gòu)層材料，光刻并刻蝕SiC，形成結(jié)構(gòu)層指示梁的兩部分支撐梁2和梳齒結(jié)構(gòu)3，沉積電極4 材料Ag，光刻刻蝕出電極4，刻蝕釋放Al犧牲層，使結(jié)構(gòu)層指示梁5懸空，最后濺射或沉積 Ge1Sb4Te7 材料。實施例二我們采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表二所示
符號眉、尺寸bBB支撐梁2寬度3 μ mD支撐梁2間距40 μ mIjInd梳齒結(jié)構(gòu)3長度100 μ mIjBB支撐梁2跨度400 μ mΦ支撐梁2偏轉(zhuǎn)角度60mradt支撐梁2的厚度3 μ m表二根據(jù)卡氏理論我們可以推導出關(guān)于應變的公式，此公式同實施例一中的公式 ⑴；
WtL4m sin φ | ^IyyLw ^ ^IyyLlnd
e cos4 φ sin ^ sin 沴 cos 沴ε = δ ^f-7----…Γ Λ1
( Γ +τ {^ ΒΒ 121 Vlj^BB 卞[Ιη )—"Γ^
IvCOS φ COS φ J根據(jù)應力公式σ =E ε，我們可以計算出待測相變材料的應力值，其中E為結(jié)構(gòu)層材料SiC的楊氏模量，ε為根據(jù)公式(1)計算出的應變值。實施例三我們采用的結(jié)構(gòu)和前兩個實例不同，該傳感器采用單梁應力測試結(jié)構(gòu)， 如圖3所示，它是一個兩端固定的單梁結(jié)構(gòu)，同樣包括兩個固定錨1結(jié)構(gòu)和一個指示梁5結(jié)構(gòu)。這里的指示梁5沒有彎曲，而是直接連接在兩個固定錨1之間，如圖3所示，其中Lff為梁的跨度，bFF為梁的寬度。該實例中我們采用的材料分別為GaAs襯底，聚酰亞胺犧牲層， SiO2結(jié)構(gòu)層和相變材料摻N的Ge2Sb2Te515其制造工藝和前兩個實例中類似，這里不再敘述。 實例三在測量方法原理上和實例一、二有區(qū)別。該實例利用了單梁結(jié)構(gòu)在應力作用下，梁在垂直于襯底方向發(fā)生的形變。這里我們?yōu)榱藴y量梁在垂直于襯底平面方向的形變，我們利用表面輪廓儀來進行測量。根據(jù)歐拉屈曲理論我們可以推導出如圖3結(jié)構(gòu)的計算公式
權(quán)利要求
1.一種測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，其特征在于，該傳感器包括指示梁和電極，指示梁懸空在襯底上方，電極與指示梁電連接；根據(jù)指示梁的位移計算位于指示梁上的相變存儲器的應力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，其特征在于，所述指示梁由支撐梁和梳齒結(jié)構(gòu)構(gòu)成，支撐梁的一端由固定錨固定在襯底上，另一端與梳齒結(jié)構(gòu)連接，使梳齒結(jié)構(gòu)懸空在襯底上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，其特征在于，所述梳齒結(jié)構(gòu)由長度成等差數(shù)列的一對梳齒交互交錯組成，且各梳齒之間互不接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，其特征在于，支撐梁在梳齒結(jié)構(gòu)端的距離D = 0. 4 40 μ m，梳齒結(jié)構(gòu)的長度Llnd = 0. 5 150 μ m、支撐梁的偏轉(zhuǎn)角度Φ = 20mrad 150mrad，支撐梁的跨度Lbb = 3 μ m 500 μ m，支撐梁的寬度bBB = 12nm 3μπι，支撐梁的厚度t = 15nm 2μπι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，其特征在于，指示梁為一根直梁；指示梁的跨度Lff為0. 5 500 μ m,指示梁的寬度bFF為12nm 3 μ m，指示梁的厚度t為20nm 4 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，其特征在于，襯底材料為Si、SiC、GaAs或Al2O3，電極材料為TiW、Ag、Au或Cu ；支撐梁和梳齒結(jié)構(gòu)的材料為 Si3N4、SiO2 或 SiC。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的測量相變存儲器應力的MEMS傳感器，該MEMS傳感器用于硫系化合物相變材料的應力測試。
8.一種權(quán)利要求2所述的MEMS傳感器的制備工藝，其特征在于，該工藝包括下述步驟在襯底上光刻并刻蝕，形成固定錨結(jié)構(gòu)，然后在襯底上制備犧牲層材料，使固定錨和犧牲層高度之間的差2μπι之內(nèi)；第二次光刻，在犧牲層材料上刻蝕掉固定錨的部分，露出固定錨，然后沉積結(jié)構(gòu)層指示梁材料，在結(jié)構(gòu)層材料上做第三次光刻，刻蝕出固定錨、支撐梁和梳齒結(jié)構(gòu)，濺射沉積電極材料，第四次光刻刻蝕出電極，再用氧等離子體干法刻蝕釋放犧牲層材料，形成懸空的指示梁結(jié)構(gòu)，得到MEMS傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備工藝，其特征在于，襯底材料為Si、SiC、GaAs或Al2O3，犧牲層材料為聚酰亞胺或Al，結(jié)構(gòu)層材料為Si3N4、Si&或SiC，電極材料為TiW、Ag、Au或Cu。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備工藝，其特征在于，固定錨和犧牲層之間的高度差應控制在1 2μπι范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量相變存儲器應力的MEMS傳感器及其制備工藝，該結(jié)構(gòu)包括固定錨，支撐梁，電極及指示梁。結(jié)構(gòu)配置于相變存儲器芯片表面上，結(jié)構(gòu)主體由一對相對放置并懸空的彎梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過放大結(jié)構(gòu)在應力作用下在平行于襯底方向的位移來計算出所測應力，也可以通過測量結(jié)構(gòu)在垂直于襯底方向的位移來計算出所測應力。在相變存儲器相變材料反復擦寫過程中，仍然能完成測量應力的工作，并且可以得到不同區(qū)域的應力分布情況。該結(jié)構(gòu)解決了懸空結(jié)構(gòu)易與襯底發(fā)生黏附的技術(shù)問題，提高了測試結(jié)構(gòu)的可靠性同時也提高了測試的精度。
文檔編號B81C1/00GK102564650SQ201110430329
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者周文利, 徐川, 繆向水 申請人:華中科技大學