[发明专利]一种多层存储结构透射电子显微镜原位电学测试单元制备方法

说明书

本发明公开了一种多层存储结构透射电子显微镜原位电学测试单元制备方法，所涉及加工的多层存储结构测试单元用于TEM原位电学测试，包括相变存储单元或阻变存储单元，依次由金属电极A层、存储材料层、金属电极B层、选通管材料层和金属电极C层构成。本发明首先将上述多层结构依次沉积到平面衬底上，形成多层膜结构，再利用聚焦离子束（FIB）提取技术，将多层膜截面提出，转移到通电芯片上，经过聚焦离子束刻蚀技术的进一步减薄加工最终制作出多层存储结构、尺寸可控的TEM原位电学测试单元。该结构制备简单，可一次制备完成，保证层与层之间的欧姆接触，且各层厚度精确可控。

技术领域

本发明属于半导体加工领域，涉及一种多层存储结构透射电子显微镜原位电学测试单元制备方法。

背景技术

功能材料具有优良的物理、化学和生物学性能，在电、热、声、光等外场诱导下可以完成信息的传导、储存或记录、能量的转换或变换。从微观尺度直观记录功能材料在外场作用下发生的物理或者化学变化，澄清微观尺度的变化过程与机理，将有助于进一步改进优化相应功能材料的性能。随着透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）技术的发展，新兴的原位透射电子显微技术（in-situ TEM）在研究材料的微观结构演化的过程中展现出巨大的技术优势，具有空间分辨率高（纳米尺度），实时记录、可引入外场信号（电/热/力/气）的独有优势，逐渐成为研究功能材料工作机制的重要手段。大部分器件是在外加电场信号的作用下实现相应功能的，尤其是各种存储器件，因此需要在TEM中设计出一种合理的电学测试单元来研究存储器件中关键功能材料（存储材料和选通管材料）的微观结构转变。目前国内外电镜厂商推出了商业化的原位通电样品杆，与通电样品杆配套的是通过MEMS加工的商业化或者经过标准半导体工艺实验室自制的通电芯片，这种通电能够在TEM中建立一个原位通电样品室，从而研究电场下材料的结构转变过程。通电芯片中原位通电样品室区域非常脆弱，无法再经受若干道半导体工艺流程，集成测试单元的制备工序到芯片原位通电样品室区域。此外由于采用紫外曝光时光学特征尺寸的限制，不管是商业化还是经过标准半导体工艺实验室自制的通电芯片，其正负电极的间距一般都在3 um以上，远远大于所需要研究材料和器件尺寸，不能直接将器件中的关键器件单元直接集成在原位通电样品室区域。因此如何在通电芯片中设计出一种合理的存储器件测试单元的制备方法，将可以有效的利用现有的原位TEM通电系统，研究关键的器件单元在外加电场作用下发生的微观结构转变过程，从而在微观尺度为存储器的性能和结构优化提供指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种多层存储结构TEM原位电学测试单元制备方法，该方法制作出纳米尺寸精确可控的单层/多层材料测试单元，模拟纳米尺度下功能材料在通电时的微观结构变化行为，从而在微观角度为功能器件的性能优化提供指导方案。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种多层存储结构TEM原位电学测试单元的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：选用平面衬底，将平面衬底表面清洗干净；其中，平面衬底为硅、氧化硅、或金属；

步骤2：采用电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或溅射工艺，在清洗干净的衬底上依次沉积金属电极A层、存储材料层、金属电极B层、选通管材料层和金属电极C层；或者，

在清洗干净的衬底上依次沉积金属电极A层、存储材料层、金属电极B层和金属电极C层；或者，

在清洗干净的衬底上依次沉积金属电极A层、金属电极B层、选通管材料层和金属电极C层；

步骤3：采用聚焦离子束提取技术，将步骤2所得多层膜衬底的截面以薄片的形式提出，转移到通电芯片上，将金属电极A层和金属电极C层用聚焦离子束焊接Pt或W的方式与通电芯片上的两个金属电极相连接；其中，薄片长1-10 um，厚0.1-2 um，高1-10 um；