CN102564650A - 一种测量相变存储器应力的mems传感器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量相变存储器应力的MEMS传感器及其制备工艺，该结构包括固定锚，支撑梁，电极及指示梁。结构配置于相变存储器芯片表面上，结构主体由一对相对放置并悬空的弯梁结构构成，通过放大结构在应力作用下在平行于衬底方向的位移来计算出所测应力，也可以通过测量结构在垂直于衬底方向的位移来计算出所测应力。在相变存储器相变材料反复擦写过程中，仍然能完成测量应力的工作，并且可以得到不同区域的应力分布情况。该结构解决了悬空结构易与衬底发生黏附的技术问题，提高了测试结构的可靠性同时也提高了测试的精度。

Description

一种测量相变存储器应力的MEMS传感器及其制备工艺

技术领域

本发明属于器件材料力学性能测试技术领域，具体涉及相变存储器中材料相变致应力的测量装置，即一种测量相变存储器应力的MEMS传感器；本发明包括了这种MEMS传感器结构的制备工艺。

背景技术

PCRAM相变存储器由于具有高速，优秀的尺寸缩小能力等特点被看好有望取代Flash成为下一代的非易失性存储器。要实现PCRAM的商用化，需要解决PCRAM芯片在应用中的可靠性问题。提高PCRAM芯片的可靠性对于其商用化至关重要。

为了提高PCRAM器件的可靠性，需要对存储单元进行失效分析，探讨其失效机制。对于相变存储器结构，一种重要的失效机制是经过多次的擦写循环后，相变材料与加热层材料，电极材料，绝缘层材料的界面处产生机械应力，热应力，在这些应力(Stress)作用下，使得相变材料熔化区发生流动，并最终使界面变粗糙甚至出现开路现象。因此，测量应力对解决PCRAM的失效问题，提高可靠性具有关键性的意义。

在标准化的集成电路工艺中，使用光学方法测量曲率来测量应力，其原理描述如下：

一个平坦的晶圆，其曲率为零，曲率半径为无穷大。晶圆上沉积薄膜后，薄膜与晶圆之间的应力会导致晶圆发生形变，使得晶圆不再是一个平面而形成具有曲率半径的球面。应力测试仪测量出这个曲率半径，然后根据Stoney公式计算出薄膜应力。应力测试仪测量的应力是整个晶圆上的薄膜应力，无法反映某个具体区域的应力分布。

中国专利文献“薄膜应力测试结构、测试方法及制造方法”(公开号CN101871825A，公开日2010.10.27)用悬臂梁的几何放大原理来测量应力，为了用合适的放大系数来读出应力值，需要悬臂梁的长度足够长。在实际应用中这种结构会不可避免的出现悬空结构黏附在衬底上的问题，从而失去测量应力的实际应用功能。而且在这种方法中，忽略了悬臂梁结构在垂直于衬底平面上的位移。

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明人采用了与上述方法不同的方法和结构，能够避免上述技术方法的缺陷，提高实用性，适应相变存储器器件应力测试的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量相变存储器应力的MEMS传感器，该传感器能准确测量相变存储器单元擦写过程产生的应力，其测试精度较高；本发明还提供了该传感器的制备工艺。

本发明公开的一种测量相变存储器应力的MEMS传感器，其特征在于，该传感器包括指示梁和电极，指示梁悬空在衬底上方，电极与指示梁电连接；根据指示梁的位移计算位于指示梁上的相变存储器的应力。

作为上述技术方案的一种改进，所述指示梁由支撑梁和梳齿结构构成，支撑梁的一端由固定锚固定在衬底上，另一端与梳齿结构连接，使梳齿结构悬空在衬底上方；进一步地，所述梳齿结构由长度成等差数列的一对梳齿交互交错组成，且各梳齿之间互不接触；更进一步地，所述支撑梁在梳齿结构端的距离D＝0.4～40μm，梳齿结构的长度L_Ind＝0.5～150μm、支撑梁的偏转角度Φ＝20mrad～150mrad，支撑梁的跨度L_BB＝3μm～500μm，支撑梁的宽度b_BB＝12nm～3μm，支撑梁的厚度t＝15nm～2μm。

作为上述技术方案的另一种改进，指示梁为一根直梁；进一步地，该指示梁的跨度L_FF为0.5～500μm，指示梁的宽度b_FF为12nm～3μm，指示梁的厚度t为20nm～4μm。

本发明提供的所述的MEMS传感器的制备工艺，其特征在于，该工艺包括下述步骤：

在衬底上光刻并刻蚀，形成固定锚结构，然后在衬底上制备牺牲层材料，使固定锚和牺牲层高度之间的差2μm之内；第二次光刻，在牺牲层材料上刻蚀掉固定锚的部分，露出固定锚，然后沉积结构层指示梁材料，在结构层材料上做第三次光刻，刻蚀出固定锚、支撑梁和梳齿结构，溅射沉积电极材料，第四次光刻刻蚀出电极，再用氧等离子体干法刻蚀释放牺牲层材料，形成悬空的指示梁结构，得到MEMS传感器。

本发明使用等离子体干法刻蚀的方法释放牺牲层，可以有效避免悬空结构和衬底黏附的问题。

上述结构通过调节支撑梁的角度以及长度，即可以调整对形变的放大系数，可以有效避免悬臂梁结构因应力梯度问题和衬底接触的缺点。通过稍加改变的梁结构，可以通过测量梁在垂直于衬底方向上的形变来计算并得出应力，并且具有更好的测量精度。

可以提供存储器单元在不同区域的应力分布情况，其结构可以将悬空结构垂直于衬底平面的形变控制在最小，提高测试结构的可靠性。

上述发明的传感器在测量过程中可以通过电脉冲、激光脉冲、退火等方法使相变材料发生相变，从而测量相变存储器相变过程中的应力情况。

由以上的技术方案，本发明将具有如下优点：结构简单，并将悬空结构在垂直于衬底方向的位移降低，避免了悬臂梁结构和衬底接触的问题，提高了测试结构的可靠性；结构所占面积小，不会影响芯片性能；提高了测试应力的精度；测试手段简单，用光学显微镜即可完成测试；适用于张应力和拉应力两种应力的测试，无需另外设计测试结构；结构可以单独测定某区域的应力，反映出应力的分布情况，也可以反复测量，反映伴随擦写过程的应力变化。

附图说明

图1是本发明提供的传感器的一种具体实施方式的结构示意图。

图2是图1中梳齿结构3区域的放大示意图。

图3是本发明提供的传感器的另一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图具体描述本发明的实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

如图1所示，实例1提供的是一种弯梁应力测试结构的传感器，它包括：固定锚1，支撑梁2，梳齿结构3和电极4，支撑梁2和梳齿结构3构成指示梁5。固定锚1分为二部分，设置在衬底上，指示梁悬空在衬底上方，支撑梁2连接固定锚1和梳齿结构3，使梳齿结构3对称分布于固定锚1的二部分之间。梳齿结构使得应力引起的形变被放大并可以被读出。电极4连接在支撑梁2上。

如图2所示，梳齿结构由长度成等差数列的一对梳齿交互交错组成，且各梳齿之间互不接触。该结构能够几何放大平行于梳齿方向上的位移，放大倍数可以通过相邻梳齿之间的距离和相邻梳齿长度差来控制。指示梁对位移的放大倍数S等于相邻梳齿的间距L_s与相邻梳齿长度差L_d之比，其关系式为S＝L_s/L_d。

该梳齿结构并不限于上述这一种形式，应该理解这里的梳齿结构包括任何可以通过几何放大原理对位移进行放大并读出的带梳齿的结构，如通过一对平行相对放置且梳齿方向，和图2中梳齿方向垂直的互不接触的梳齿结构，我们也可以把测量的位移放大。

本实施例中的具体工艺步骤为：在衬底上光刻并刻蚀，形成固定锚1结构，固定锚1与衬底之间的高度差通过刻蚀过程来控制，然后在衬底上用匀胶机旋涂牺牲层材料，第二次光刻，在牺牲层材料上刻蚀掉固定锚1的部分，露出固定锚1，然后采用薄膜沉积方法如PECVD和LPCVD沉积结构层指示梁材料，在结构层材料上做第三次光刻，刻蚀出测试结构的图形，包括固定锚1，支撑梁2和梳齿结构3，溅射沉积电极4材料，第四次光刻刻蚀出电极4，再用氧等离子体干法刻蚀释放牺牲层材料，形成悬空的指示梁结构包括支撑梁2和梳齿结构3，然后采用溅射、外延或者蒸镀的方法在测试结构上生长待测的相变材料薄膜。

可以在第二次光刻前，加热固化牺牲层材料，保证牺牲层表面的平整性以及防止结构变形。

本领域技术人员可以理解，其中衬底，牺牲层，结构层材料和相变材料均可为现有技术中的一种，例如，衬底材料可为Si、SiC、GaAs、Al₂O₃等，牺牲层材料可为聚酰亚胺、Al等，结构层材料(包括支撑梁2和梳齿结构3)可以是Si₃N₄、SiO₂、SiC等，电极4材料可为TiW、Ag、Au、Cu等。采用上述制备工艺，固定锚1的材料与衬底相同，采用其它制备工艺流程，固定锚1的材料也可以与衬底不同，本发明对其材料本身没有特殊要求。

本发明提供的传感器可用于Ge₂Te₂Sb₅、Ge₁Sb₄Te₇等硫系化合物相变材料的应力测试。

这里我们采用的结构参数范围如下：支撑梁2在梳齿结构3端的距离D＝0.4～40μm，梳齿结构3的长度L_Ind＝0.5～150μm、支撑梁2的偏转角度Φ＝20mrad～150mrad，支撑梁2的跨度L_BB＝3μm～500μm，支撑梁2的宽度b_BB＝12nm～3μm，支撑梁2的厚度t＝15nm～2μm。

为了得到较好的弯梁结构，需要通过控制固定锚1和衬底之间高度差来匹配牺牲层的高度，我们通过控制这个高度差，使其保持和牺牲层高度之间的差在2μm以内，从而保证后续工艺中在我们指示梁和固定锚之间的连接处有足够的机械强度，避免出现指示梁与衬底发生黏附。通常固定锚1和牺牲层之间的高度差应控制在1～2μm范围内。

本领域技术人员可以理解，衬底材料，牺牲层材料，结构层材料，电极4材料和相变材料均可为现有技术中的一种，在实施例一中我们采用的衬底材料为单晶硅晶圆，牺牲层材料为聚酰亚胺PI-5，结构层材料为Si₃N₄，电极4材料为TiW，相变材料为Ge₂Sb₂Te₅。较佳的，为保持结构的悬空，支撑梁2的厚度应大于其宽度。

这里我们在第二次光刻后采用碱性显影液TAMH来刻蚀聚酰亚胺，实现各向异性刻蚀，在释放牺牲层时用氧等离子体来刻蚀，实现各向同性刻蚀，整个牺牲层的释放是干法刻蚀，最小化了与衬底的黏附问题，且释放过程无需在结构层上开孔，保证了指示梁的机械强度。

采用本发明测试结构进行相变存储器单元应力测试的主要构思为：机械放大薄膜应力引起的微小位移，并采用梁结构最小化在垂直衬底平面的位移避免结构与衬底黏附。通过两个相反方向放置的弯梁结构我们测量到的位移是单独弯梁结构位移的两倍，从而提高了测量结构的精度。在此实施例计算公式的推导中我们假设测试结构的所有形变中应力和应变是成正比的，忽略在垂直于衬底平面的形变，并且待测材料以及结构层材料的物理性质是各向同性的。我们的推导采用了卡氏定理，推导结果如下：

根据卡氏理论我们可以得到关于应变ε的公式：

$\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\δ}\frac{[\frac{{\mathrm{wtL}}_{\mathrm{BB}}^4\sin \mathrm{\φ}}{{\cos }^4\mathrm{\φ}}+\frac{{12I}_{\mathrm{yy}}{L}_{\mathrm{BB}}}{\sin \mathrm{\φ}}+\frac{{6I}_{\mathrm{yy}}{L}_{\mathrm{Ind}}}{\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ}}]}{\left[({2L}_{\mathrm{BB}}+L_{\mathrm{Ind}})(\frac{{\mathrm{wtL}}_{\mathrm{BB}}^3}{{\cos }^3\mathrm{\φ}}-\frac{{12I}_{\mathrm{yy}}{L}_{\mathrm{BB}}}{\cos \mathrm{\φ}})\right]}---\left(1\right)$

式中，L_BB是支撑梁2的跨度，L_Ind是梳齿结构3的长度，t是支撑梁2的厚度，b_BB是支撑梁2的宽度，在这个双梁结构的实例中wt＝2(b_BBt)是支撑梁2的横截面积，

是支撑梁2在平行于衬底方向的转动惯量，Φ是支撑梁2水平方向上的偏转角度，这里定义为Φ＝arctan[(D₀-D)/2L_BB]。

根据应力公式σ＝Eε，其中E为结构层材料Si₃N₄的杨氏模量，ε为应变，从而可以计算出测量的应力值。

在此实施例一中，我们从支撑梁2引出了电极4，可以通过电极4结构对支撑梁2上的相变材料施加合适的电流或电压脉冲，使相变材料发生晶态、非晶态的转化，从而可以测试相变材料在实际电流擦写过程中的应力变化情况。

在我们实施例一中我们采用的结构尺寸如下表所示：

表一

符号	意义	尺寸
			bBB	支撑梁2宽度	2μm
D	支撑梁2间距	40μm
			LInd	梳齿结构3长度	100μm
LBB	支撑梁2跨度	300μm
			φ	支撑梁2偏转角度	20mrad
t	支撑梁2的厚度	2μm

在测得梳齿结构3的位移值之后，可以根据如表1所述具体参数以及结构层材料的杨氏模量E和公式(1)，计算出相应的应力值。

实施例二，在该实施例我们采用的结构和实施例一中类似，其示意图参照图1所示，结构包括固定锚1，支撑梁2，电极4和梳齿结构3。该实例中我们采用的材料分别为SiO₂衬底，Al牺牲层，SiC结构层，Ag电极和相变材料Ge₁Sb₄Te₇。具体制造工艺和实施例一类似为：光刻刻蚀SiO₂衬底，沉积Al牺牲层，光刻并刻蚀Al露出固定锚1结构，沉积SiC结构层材料，光刻并刻蚀SiC，形成结构层指示梁的两部分支撑梁2和梳齿结构3，沉积电极4材料Ag，光刻刻蚀出电极4，刻蚀释放Al牺牲层，使结构层指示梁5悬空，最后溅射或沉积Ge₁Sb₄Te₇材料。

实施例二我们采用的结构参数见表二所示：

符号	意义	尺寸
			bBB	支撑梁2宽度	3μm
D	支撑梁2间距	40μm
			LInd	梳齿结构3长度	100μm

LBB	支撑梁2跨度	400μm
			φ	支撑梁2偏转角度	60mrad
t	支撑梁2的厚度	3μm

表二

根据卡氏理论我们可以推导出关于应变的公式，此公式同实施例一中的公式(1)；

$\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\δ}\frac{[\frac{{\mathrm{wtL}}_{\mathrm{BB}}^4\sin \mathrm{\φ}}{{\cos }^4\mathrm{\φ}}+\frac{{12I}_{\mathrm{yy}}{L}_{\mathrm{BB}}}{\sin \mathrm{\φ}}+\frac{{6I}_{\mathrm{yy}}{L}_{\mathrm{Ind}}}{\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ}}]}{\left[({2L}_{\mathrm{BB}}+L_{\mathrm{Ind}})(\frac{{\mathrm{wtL}}_{\mathrm{BB}}^3}{{\cos }^3\mathrm{\φ}}-\frac{{12I}_{\mathrm{yy}}{L}_{\mathrm{BB}}}{\cos \mathrm{\φ}})\right]}$

根据应力公式σ＝Eε，我们可以计算出待测相变材料的应力值，其中E为结构层材料SiC的杨氏模量，ε为根据公式(1)计算出的应变值。

实施例三我们采用的结构和前两个实例不同，该传感器采用单梁应力测试结构，如图3所示，它是一个两端固定的单梁结构，同样包括两个固定锚1结构和一个指示梁5结构。这里的指示梁5没有弯曲，而是直接连接在两个固定锚1之间，如图3所示，其中L_FF为梁的跨度，b_FF为梁的宽度。该实例中我们采用的材料分别为：GaAs衬底，聚酰亚胺牺牲层，SiO₂结构层和相变材料掺N的Ge₂Sb₂Te₅。其制造工艺和前两个实例中类似，这里不再叙述。实例三在测量方法原理上和实例一、二有区别。该实例利用了单梁结构在应力作用下，梁在垂直于衬底方向发生的形变。

这里我们为了测量梁在垂直于衬底平面方向的形变，我们利用表面轮廓仪来进行测量。

根据欧拉屈曲理论我们可以推导出如图3结构的计算公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\π}}^2}{L_{\mathrm{FF}}^2}(\frac{A^2}{4}+\frac{t^2}{3})---\left(2\right)$

这里L_FF为梁结构的长度，A是指示梁5在垂直衬底方向的最大屈曲幅度，t是梁结构的厚度。本实例中我们采用的结构参数为L_FF＝500μm，b_FF、＝3μm，t＝3μm。

可以理解这里的结构参数不限于此，我们采用的范围为L_FF＝0.5～500μm，b_FF＝12nm～3μm，t＝20nm～4μm。

根据公式(2)计算出应变ε，结合应力公式σ＝Eε，可以计算出需要测量的相变材料应力，这里E是结构层(指示梁5)材料SiO₂的杨氏模量。

本实例的结构简单，由于测量的是垂直于衬底平面的位移，而轮廓仪在这个方向的测量精度要高于光学显微镜的测量精度，因此这种方法也提高了测量精度。

本实施例中，我们用退火或者激光脉冲的方法使相变材料发生晶态、非晶态的转化，从而模拟相变材料在这两种情况下的应力变化情况。

上述三个实例的结构尺寸微小，可以分布在相变存储器的表面各区域，从而可以测量应力的分布情况，测量过程不会对相变存储器芯片造成影响。

虽然我们已参照几个实施例描述了本发明，但应当理解，我们这里所用的术语是说明和示例性的术语。由于本发明能够以多种具体形式和材料以及参数实施，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应该在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛的解释，因此落入权利要求或其等效范围的全部变化都应为随附权利要求所覆盖。

Claims (10)

1.一种测量相变存储器应力的MEMS传感器，其特征在于，该传感器包括指示梁和电极，指示梁悬空在衬底上方，电极与指示梁电连接；根据指示梁的位移计算位于指示梁上的相变存储器的应力。

2.根据权利要求1所述的测量相变存储器应力的MEMS传感器，其特征在于，所述指示梁由支撑梁和梳齿结构构成，支撑梁的一端由固定锚固定在衬底上，另一端与梳齿结构连接，使梳齿结构悬空在衬底上方。

3.根据权利要求2所述的测量相变存储器应力的MEMS传感器，其特征在于，所述梳齿结构由长度成等差数列的一对梳齿交互交错组成，且各梳齿之间互不接触。

4.根据权利要求3所述的测量相变存储器应力的MEMS传感器，其特征在于，支撑梁在梳齿结构端的距离D＝0.4～40μm，梳齿结构的长度L_Ind＝0.5～150μm、支撑梁的偏转角度Φ＝20mrad～150mrad，支撑梁的跨度L_BB＝3μm～500μm，支撑梁的宽度b_BB＝12nm～3μm，支撑梁的厚度t＝15nm～2μm。

5.根据权利要求1所述的测量相变存储器应力的MEMS传感器，其特征在于，指示梁为一根直梁；指示梁的跨度L_FF为0.5～500μm，指示梁的宽度b_FF为12nm～3μm，指示梁的厚度t为20nm～4μm。

6.根据权利要求1至5中任一所述的测量相变存储器应力的MEMS传感器，其特征在于，衬底材料为Si、SiC、GaAs或Al₂O₃，电极材料为TiW、Ag、Au或Cu；支撑梁和梳齿结构的材料为Si₃N₄、SiO₂或SiC。

7.根据权利要求1至6中任一所述的测量相变存储器应力的MEMS传感器，该MEMS传感器用于硫系化合物相变材料的应力测试。

8.一种权利要求2所述的MEMS传感器的制备工艺，其特征在于，该工艺包括下述步骤：

在衬底上光刻并刻蚀，形成固定锚结构，然后在衬底上制备牺牲层材料，使固定锚和牺牲层高度之间的差2μm之内；第二次光刻，在牺牲层材料上刻蚀掉固定锚的部分，露出固定锚，然后沉积结构层指示梁材料，在结构层材料上做第三次光刻，刻蚀出固定锚、支撑梁和梳齿结构，溅射沉积电极材料，第四次光刻刻蚀出电极，再用氧等离子体干法刻蚀释放牺牲层材料，形成悬空的指示梁结构，得到MEMS传感器。

9.根据权利要求8所述的制备工艺，其特征在于，衬底材料为Si、SiC、GaAs或Al₂O₃，牺牲层材料为聚酰亚胺或Al，结构层材料为Si₃N₄、SiO₂或SiC，电极材料为TiW、Ag、Au或Cu。

10.根据权利要求8所述的制备工艺，其特征在于，固定锚和牺牲层之间的高度差应控制在1～2μm范围内。

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