CN100423232C

CN100423232C - 用电子束曝光和化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法

Info

Publication number: CN100423232C
Application number: CNB2006100272586A
Authority: CN
Inventors: 宋志棠; 刘奇斌; 张楷亮; 封松林; 陈邦明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: CN1866496A

Abstract

本发明涉及一种利用电子束曝光和化学机械抛光的工艺制作纳电子存储器的方法。工艺步骤是：(1)在清洗干净的衬底上热氧化一层氧化层；(2)沉积过渡层与底电极薄膜；(3)再次沉积过渡层与介质绝缘绝热层；(4)通过电子束曝光在绝缘绝热介质上形成纳米孔；(5)沉积相变材料，填满纳米孔；(6)对相变材料用化学机械抛光进行去除处理和平坦化；(7)再沉积绝缘介质层，刻蚀出小孔，且与纳米孔对应；(8)沉积电极；(9)对电极用化学机械抛光进行去除处理和平坦化；(10)通过引线引出上电极，形成器件单元或阵列。方法简单而且与集成电路工艺完全兼容。

Description

用电子束曝光和化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法

技术领域

本发明涉及一种利用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，更确切地说本发明拟通过对介质材料的电子束曝光和刻蚀，对相变材料的化学机械抛光，制作出纳米结构的相变存储器。属于微纳电子加工技术领域。

背景技术

相变随机存储器，是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)和70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出的硫系化合物薄膜可以应用于相变存储器(PCRAM)介质的构想基础上发展起来的。2001年intel公司首次报道了4MB的PCRAM，2004年Samsung公司已经报道了64MB的PCRAM，发展速度已经超过了其他的存储器。2001年半导体工业协会的Roadmap中PCRAM在Memory中排第二位，到2003年，PCRAM已经上升至第一位，可见其发展的重要性。PCRAM与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有明显的优势：它体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度较快，非挥发，制作成本低。相变存储器不仅是非挥发性存储器，而且有可能制成多级存储，并实用于超低温和高温环境，抗辐照、抗振动，因此不仅将被广泛应用到日常的便携式电子产品，而且在航空航天等领域有巨大的潜在应用。尤其，在便携式电子产品中它的高速、非挥发性正好弥补了闪存(FLASH)和铁电存储器(FeRAM)的不足。Intel公司就曾预言相变存储器最有可能取代目前的FLASH、DARM和静态随机存储器(SRAM)而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品器件。目前国际上有Ovonyx、Intel、Sumsung、STMicroelectronics、Hitachi、British Aerospace和IBM等公司在开展PCRAM的研究，目前处于技术完善和可制造性方面的研发工作。上述公司基于现阶段IC工艺开发多步SPACER技术，采用对介质层的抛光结合多步刻蚀技术(US6635951)了形成相变材料微接触区。相变材料硫系化合物难以刻蚀，而且多元化合物梯形化学机械抛光(CMP)研究较少。对于这种情况下，研制相变薄膜材料随机存储单元器件就显得更加迫切，相变存储器单元器件在纳米量级下，有利于可逆相变薄膜材料的快速相变，同时有利于存储器集成度提高低压、低功耗和高速。因此相变器件结构的纳米量级制备和电学和光学性能的研究显得由为重要。为了在低压、低功耗下实现快速相变，提高存储速度，体现出比现存存储技术更大的优越性，对相变薄膜材料制备相变存储单元，制作成二维或三维的纳米尺度，与电极构成纳米存储单元显得尤为重要。本发明的发明人基于相变材料及电极材料的化学机械抛光研究试图提出一种新的制备方法：先采用电子束曝光形成纳米孔径，再分别沉积相变材料和电极材料，最后通过化学机械抛光去除并平坦化，进一步引线互连，从而提出了一种制备新型纳电子相变存储器方法的构思，其特点是结构简单，制备方便，克服现有技术中存在的不足。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用电子束曝光和化学机械抛光工艺制作纳电子存储器的方法。即针对相变存储器相变区域，提出以电极材料，相变材料的化学机械抛光工艺形成的纳米孔内为相变材料的一种相变存储器的制备方法，使存储器单元结构简单，方法易行，且与集成电路工艺完全兼容。

本发明的主要制备工艺依次如下：在清洗干净的衬底材料上热氧化一层氧化层；沉积过渡层材料与底电极薄膜材料；在底电极薄膜材料上沉积过渡层材料与介质绝缘绝热层材料；通过电子束曝光在绝缘绝热介质上形成纳米孔；沉积相变材料，填满纳米孔；对相变材料用化学机械抛光进行去除处理和平坦化；在抛光的表面上再沉积绝缘绝热介质材料，刻蚀出小孔，且小孔与纳米孔对应；在小孔中沉积金属材料形成顶电极；对电极材料用化学机械抛光进行去除处理和平坦化。通过引线引出上电极，形成器件单元或阵列，进行性能测试。

制备工艺见说明书附图所示，进一步说明如下：

(1)在清洁硅衬底上，用热氧化的方法生长一层氧化硅，然后用丙酮超声，依次在氨水加双氧水，盐酸加双氧水的清洗液中加热清洗干净。热氧化的温度为900～1100℃，热氧化生成的SiO₂层厚度为400-600nm。

(2)在清洗后的清洁表面上先沉积过渡层，再沉积底电极材料；过渡层材料可以是Ti或其氮化物的一种，底电极薄膜材料可以是W、Pt、Mo、TiW，Ni或Au等金属合金材料中的任意一种。沉积是用磁控溅射或者等离子增强化学气相沉积的方法，过渡层厚度为20-40nm，底电极薄膜材料的厚度为80-120nm。

(3)在底电极薄膜材料上沉积过渡层材料，过渡层材料可以是Ti或其氮化物任意一种。在过渡层材料上沉积绝缘绝热介质，绝缘绝热介质材料为氧化物或者氮化物中的一种，厚度为400-600nm。在绝缘绝热介质上通过电子束曝光，曝光后用干法刻蚀，刻蚀出纳米孔。所述的纳米孔孔径为40～500nm，电子束曝光是在氧化物或氮化物介质层上用PMMA胶，干法刻蚀的工艺条件是气体为CF₄。射频功率为70-80W，刻蚀时间为2-5分钟。

(4)在绝缘绝热介质和形成的纳米孔上沉积相变材料。相变材料为硫系化合物，也可以为具有由于相变而引起电阻大的变化特性的氧化物。硫系化合物Ge_xSb_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0＜y＜1，x+y＜1；或者为Si_xSb_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0＜y＜0.6，x+y＜1。

(5)采用化学机械抛光方法将绝缘绝热介质上的相变材料去除并平坦化。化学机械抛光工艺所使用的抛光液为纳米抛光液，即研磨料的特征尺寸小于100nm，可选择酸性条件下的纳米氧化铝磨料或碱性条件下的二氧化硅纳米研磨料。

(6)在抛光的表面上沉积介质绝缘绝热层，介质绝缘绝热层材料为氧化物或者氮化物中的一种如SiO₂、Si₃N₄等。然后在介质绝缘绝热层上刻蚀出小孔，小孔与纳米孔相对应。

(7)在小孔里沉积金属材料，形成顶电极。顶电极材料可以是W、Pt、Mo、TiW，Ni或Au等金属合金材料中的任意一种。

(8)在顶电极材料上沉积互连线，连线可以为Al、Cu或者Al-Cu合金材料中的任意一种。

本发明提出的纳电子相变存储器的制备方法的特点在于：通过电子束曝光和相变材料的化学机械抛光形成纳米孔内为相变材料的存储器，器件结构简单，制备方便。

附图说明

图1、在衬底上热氧化一层氧化层；

图2、在氧化层上沉积过渡层和底电极材料；

图3、在底电极上沉积过渡层及绝缘绝热层，用电子束曝光形成纳米孔；

图4、用化学机械抛光去除绝缘绝热层上的相变材料；

图5、在抛光后的表面上沉积绝缘层介质，采用套刻工艺刻蚀；

图6、沉积顶电极并用化学机械抛光抛光的方法去除表面上的顶电极材料；

图7、沉积互连线，引出器件，测试性能；

图8、所述的实施例中的截面图；

图9、所述的实施例中的电子束曝光和化学机械抛光之后的单元阵列；

图中1为硅衬底，2为氧化层，3为过渡层，4为底电极，5为过渡层，6为绝缘绝热介质，7为纳米孔，8为填充的相变材料，9为绝缘介质，10为顶电极，11为互连线。

具体实施方式

实施例

纳米孔内为相变材料的相变存储器器件的制备过程具体如下：

步骤1：在清洁的硅衬底上，用热氧化的方法生长一层500nm的SiO₂(图1)，然后用丙酮超声，依次在氨水加双氧水，盐酸加双氧水的清洗液中加热清洗干净；

步骤2：在清洁的热氧化层SiO₂2之上用磁控溅射方法沉积过渡层3，过渡层为30nm厚的TiN，再用磁控溅射方法沉积100nm厚的底电极薄膜4，材料为W(图2)；

步骤3：在W底电极薄膜层上用磁控溅射的方法沉积过渡层5，过渡层的材料为Ti，其厚度为10nm(图3)；

步骤4：在过渡层Ti上用等离子增强化学气相沉积沉的方法沉积绝缘介质层6，厚度为400nm，所述的绝缘绝热介质层为Si₃N₄(图3)；

步骤5：在Si₃N₄绝缘绝热介质层上用PMMA胶进行电子束曝光，再用反应离子干法刻蚀，形成80nm的纳米孔7(图3)；干法刻蚀的条件是气体是CF₄，RF功率为77W，刻蚀时间为3分钟；

步骤6：在带有纳米孔的Si₃N₄的介质层上用磁控溅射的方法沉积相变材料8，相变材料为SiSbTe₃，沉积的厚度为450nm，如附图8所示；

步骤7：采用化学机械抛光工艺对Si₃N₄上的SiSbTe₃进行去除并平坦化(图4)抛光液为纳米抛光液，研磨料为二氧化硅纳米研磨料，pH值为10.5；其电子束曝光和化学机械抛光后的单元陈列如图9所示；

步骤8：在抛光的表面Si₃N₄上用低压化学气相沉积的方法沉积绝缘介质9的SiO₂。

步骤9：在SiO₂上干法刻蚀小孔，小孔与纳米孔相对应(图5)；

步骤10：在小孔里用磁控溅射方法沉积W，形成顶电极10(图6)；

步骤11：在顶电极材料上沉积互连线11，互连线为Al(图7)。

Claims

1. 一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于所述的方法的工艺步骤是：

(1)在清洗干净的衬底材料上热氧化一层氧化层；(2)沉积过渡层材料与底电极薄膜材料；(3)在底电极薄膜材料上沉积过渡层材料与绝缘绝热层介质材料；(4)通过电子束曝光在绝缘绝热层介质材料上形成纳米孔；(5)沉积相变材料，填满纳米孔；(6)对相变材料用化学机械抛光进行去除处理和平坦化；(7)在抛光的表面上再沉积绝缘绝热层介质材料，刻蚀出小孔，小孔与纳米孔对应；(8)小孔中沉积金属材料，形成顶电极；(9)对电极材料用化学机械抛光进行去除处理和平坦化；(10)顶电极沉积互连线，通过引线引出上电极，形成器件单元或阵列。

2. 按权利要求1所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于所述的沉积的过渡层材料为Ti或其氮化物；底电极薄膜材料为W、Pt、Mo、TiW，Ni和Au中的任意一种。

3. 按权利要求1或2所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于过渡层或底电极薄膜材料是用磁控溅射或等离子增强化学气相沉积的方法。

4. 按权利要求1或2所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于过渡层厚度20-40nm，底电极薄膜材料厚度80-120nm。

5. 按权利要求1所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于所述的绝缘绝热层介质材料为Si₃N₄，厚度为400-600nm。

6. 按权利要求1所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于纳米小孔的形成是在绝缘绝热层介质材料上先用电子束曝光，曝光后用干法刻蚀，刻蚀出纳米孔；纳米孔径大小为40-500nm。

7. 按权利要求1所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于：纳米孔中的沉积的相变材料为硫系化合物Ge_xSb_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0＜y＜1，x+y＜1；或者为Si_xSb_yTe_(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0＜y＜0.6，x+y＜1；或者为相变而引起电阻大的变化的氧化物材料，通过纳米机械抛光去除纳米孔径以外介质层上的相变材料。

8. 按权利要求1所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于：相变材料的去除所采用的抛光液为纳米抛光液，即研磨料的特征尺寸小于100nm。

9. 按权利要求8所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于所述的研磨料选择酸性条件下的纳米氧化铝磨料或碱性条件下的二氧化硅纳研磨料。

10. 按权利要求1所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于在与纳米孔对应的小孔中沉积的顶电极材料为W、Pt、Mo、TiW、Ni或Au中任意一种。

11. 按权利要求1所述的一种用电子束曝光化学机械抛光工艺制备纳电子存储器的方法，其特征在于沉积的互连线为Al、Cu或Al-Cu合金材料的任意一种。