[發(fā)明專利]一種測量相變存儲器應力的MEMS傳感器及其制備工藝

無效

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• 申請日: 2011-12-20
• 公開（公告）號: CN102564650A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 周文利;徐川;繆向水
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00;B81C1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發(fā)明屬于器件材料力學性能測試技術領域，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傳感器結構的制備工藝。

背景技術

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。對于相變存儲器結構，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)Stoney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“薄膜應力測試結構、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構會不可避免的出現(xiàn)懸空結構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，忽略了懸臂梁結構在垂直于襯底平面上的位移。

鑒于上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明人采用了與上述方法不同的方法和結構，能夠避免上述技術方法的缺陷，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。

作為上述技術方案的一種改進，所述指示梁由支撐梁和梳齒結構構成，支撐梁的一端由固定錨固定在襯底上，另一端與梳齒結構連接，使梳齒結構懸空在襯底上方；進一步地，所述梳齒結構由長度成等差數(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構端的距離D＝0.4～40μm，梳齒結構的長度L_Ind＝0.5～150μm、支撐梁的偏轉角度Φ＝20mrad～150mrad，支撐梁的跨度L_BB＝3μm～500μm，支撐梁的寬度b_BB＝12nm～3μm，支撐梁的厚度t＝15nm～2μm。

作為上述技術方案的另一種改進，指示梁為一根直梁；進一步地，該指示梁的跨度L_FF為0.5～500μm，指示梁的寬度b_FF為12nm～3μm，指示梁的厚度t為20nm～4μm。

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，形成固定錨結構，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2μm之內；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，然后沉積結構層指示梁材料，在結構層材料上做第三次光刻，刻蝕出固定錨、支撐梁和梳齒結構，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構，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構和襯底黏附的問題。

上述結構通過調節(jié)支撐梁的角度以及長度，即可以調整對形變的放大系數(shù)，可以有效避免懸臂梁結構因應力梯度問題和襯底接觸的缺點。通過稍加改變的梁結構，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。

可以提供存儲器單元在不同區(qū)域的應力分布情況，其結構可以將懸空結構垂直于襯底平面的形變控制在最小，提高測試結構的可靠性。