CN100379047C - 一种纳米相变存储器单元的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属微电子技术领域，具体为一种纳米相变存储器件的制备方法。它利用边墙技术构建纳米电极，通过形成纳米电极来减小电极接触面积。纳米线和相变材料或包含相变材料的复合层进行边沿式接触，接触面积的大小就是纳米线横截面积的大小，从而构建成完全突破光刻条件限制的纳米相变存储器单元结构。采用本发明方法制备的器件具有较小的写操作电流、较低的功耗，较快的读写速度，提高了器件性能。

Description

一种纳米相变存储器单元的制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种用于减小写操作电流的纳米相变存储器的制备方法。。

背景技术

存储器在半导体市场中占有重要地位，仅DRAM(Dynamnic Randam Access Memory)和FLASH两种就占有整个市场的15％，随着便携式电子设备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前FLASH占不挥发存储器的主流，约占90％。但随着半导体技术的进步，FLASH遇到了越来越多的技术瓶颈，首先存储电荷的浮栅不能随着集成电路工艺的发展无限制地减薄，此外，FLASH技术的其它一些缺点也限制了它的应用，例如数据写入慢、写数据时需要高电压因而功耗大，需要特殊的电压提升结构增加了电路和设计的复杂度，可擦写次数低，必须对指定的单元块而不能对指定的单元进写操作等。鉴于这种情况，目前世界上几乎所有电子和半导体行业巨头及其它相关研发机构都在竞相研发新一代不挥发存储器技术，以期在未来激烈的半导体产业竞争中保有技术和市场优势.PCM(PhaseChange Memory)--相变存储器作为一种新兴的不挥发存储技术，在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、多值实现等诸多方面都具有极大的优越性，成为未来不挥发存储技术市场主流产品最有力的竞争者之一⁽¹⁾。

相变存储器采用硫系化合物材料，目前应用最广泛的是GeSbTe的合金(以下简称GST)，在电或热等形式的能量作用下，该材料可在多晶和非晶两相间发生可逆转变，相应地，电阻在低阻和高阻间发生可逆变化，从而可用于信息1或0的存储。

在当前的相变存储器研究领域中，器件面积受到了现有光刻条件的限制，写操作电流过大(接近毫安量级)成为一个关键问题⁽¹⁾。减小电极面积可以有效地降低写操作电流，图1是用matlab热分析模型计算得出写操作电流随电极面积的减小而减小的关系.目前报道的较高密度的相变存储器测试芯片中，SAMSUNG采用先进的光刻技术获得64M相变存储器⁽²⁾；STMICROELECTRICS公司利用传统的工艺技术构建2D结构⁽³⁾，使有一维电极尺度不受光刻限制。但均未完全摆脱光刻限制。本发明提出的方法利用边墙技术来构建纳米电极，可完全突破光刻限制，从而较好地解决当前存储单元尺寸大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以摆脱光刻条件限制的制备纳米相变存储器单元的制备方法，以便降低器件的写操作电流。

本发明提出的制备纳米存储器单元的方法，是利用边墙技术来构建纳米电极，其步骤为：首先在衬底的介质层上形成凸起的台阶，再在介质层上淀积电极材料，刻蚀去掉水平面部分电极材料，保留台阶侧壁部分，形成纳米电极线，获得的纳米线横截面积取决于电极材料薄膜厚度和台阶高度。也可以在刻蚀之前，在电极材料上先淀积一层介质保护层，再进行纳米线刻蚀，使形成的纳米线尺度更加可控；介质台阶为纳米线提供有力的支撑，从而增加结构的稳定性。打断纳米线，淀积相变材料或包含相变材料的复合层，形成边沿接触式纳米相变存储器单元结构。该纳米相变存储器单元尺寸完全不受光刻条件限制。

上述方法中，在介质层上淀积电极材料后，再淀积一介质层；刻蚀形成介质边墙，保护边墙侧壁上的电极材料，再进一步刻蚀去掉水平部分电极材料，留下台阶侧壁部分，形成“L”形纳米电极。

附图说明

图1为RESET电流和电极面积大小关系。

图2～图9为本发明方法的流程图示，其中：

图2向衬底淀积介质材料。

图3为刻蚀介质台阶。

图4a为淀积下电极材料。

图4b为淀积介质保护层。

图5为刻蚀形成介质保护边墙。

图5a为刻蚀形成‘L’形纳米线。

图5b为未淀积介质保护层，直接刻蚀形成‘I’形纳米线。

图6为淀积一层隔离介质层。

图7为刻蚀打断纳米线。

图8为淀积相变材料或包含相变材料的符合层。

图9为和上电极材料。图中标号：1-基片衬底；2-介质层；3-下电极材料；4-介质保护层；5-介质边墙；6-电极材料纳米线；7-介质隔离层；8-相变材料；9-上电极材料。

具体实施方式

图2～图9给出了本发明方法的操作流程图示。下面结合图示进一步介绍制备纳米相变存储器单元的操作步骤：

a.清洗衬底1；

b.在衬底上淀积介质层2；(如图2)。

c.在介质层上形成突起的台阶；(如图3)。

d.淀积纳米厚度的下电极材料3；(如图4a)。

e.在下电极上方淀积介质层材料4，起保护台阶侧面的下电极的作用；(如图4b)。

f，干法或湿法腐蚀，去掉水平部分介质材料，留下侧壁部分，形成保护边墙5；(如图5)。

g.干法或湿法腐蚀，去掉水平部分电极材料，留下侧壁部分以及边墙下面部分，形成“L”形纳米电极6，台阶为纳米电极提供支撑；(如图5a)。

h.淀积介质层7，其作用在于作为电介质材料阻挡热传导，从而减小器件单元之间的干扰，增加器件工作稳定性；(如图6)。

i.干法刻蚀打断纳米线；(如图7)。

j.淀积纳米厚度的相变材料或含有纳米厚度相变材料的复合层8，实现下电极与其的边沿接触，相变体积的大小由下电极的厚度、相变材料的厚度或复合结构的厚度以及L型长度决定；(如图8)。k.淀积上电极材料9，从而构建成为相变存储器的纳米单元；(如图9)。

上描述中，可去除e步骤，形成“I”形纳米电极，最终在j步骤中接触面积的大小由下电极的厚度、相变材料的厚度或复合结构的厚度以及“I”型长度决定；

下面给出几个实施例子

实施例1

具体工艺过程如下：

1.选择低阻型的(100)硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再用浓H₂SO₄:H₂O₂:1∶1加热至100±10度5分钟左右，之后用去离子水冲干甩干，再将将硅片放入10∶1的水：HF溶液中浸20±2秒，去除表面氧化物，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5体积比的I号液煮沸5分钟，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入HCL∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8体积比的II号液煮沸10分钟，之后用去离子水冲干甩干；

2.热氧化清洗好的硅片；(如图2)。

3.经过涂胶，曝光，显影等光刻步骤后，光刻实现图形化；

4.RIE各向异性干法刻蚀SiO2，形成SiO2台阶；(如图3)。

5.溅射下电极材料；(如图4a)。

6.淀积保护层；(如图4b)。

7.各向异性干法刻蚀，形成‘L’形纳米线；(如图5a)。

8.淀积介质隔离层；(如图6)。

9.光刻纳米线打断处图形；。

10.干法刻蚀打断纳米线；(如图7)。

11.淀积相变材料；(如图8)。

12.淀积上电极材料；(如图9)。

实施例2；

采用淀积介质层作为器件基底，其余条件同实施例1。

实施例3：

不淀积介质保护层，直接刻蚀得到‘I’形纳米线，其余条件同实施例1。(如图5b)。

参考文献：

(1)：Stefan Lai，Current status of the phase change memory and its future，in IEEE IEDM2003-255

(2)：S.H.Lee，Y.N.Hwang，et al，Full Integration and Cell Characteristics for 64MbNonvolatile PRAM，in Symposium an VLSl Technology Digest of Technical Papers，2004，20～21

(3)：F.Pellzzer etal.Novel μTrench Phase-Change Memory Cell for Embedded andStand-Alone Non-Volatile Memory Applications，Symposium on VLSI Technology Digest ofTechnical Papers，2004，18.

Claims (3)

1.一种纳米相变存储器单元的制备方法，其特征在于利用边墙技术来构建纳米电极，其步骤为：首先在衬底的介质层上形成凸起的台阶，再在介质层上淀积电极材料，刻蚀去掉水平部分电极材料，保留台阶侧壁部分，形成纳米电极线；打断纳米电极线，淀积相变材料或包含相变材料的复合层，形成边沿式纳米相变存储器单元结构。

2.根据权利要求1所述的纳米相变存储器单元的制备方法，其特征在于在介质层上淀积电极材料后再淀积一介质层；先刻蚀形成介质边墙，保护边墙侧壁上的电极材料，再进一步刻蚀去掉水平部分电极材料，留下台阶侧壁部分，形成‘L’形纳米电极线。

3.根据权利要求1或2所述的纳米相变存储器单元的制备方法，其特征在于刻蚀过程为干法刻蚀或者湿法腐蚀。

Images