CN101277897B - 制造非易失性微机电存储器单元的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非易失性存储器装置和制造非易失性微机电存储器单元的方法。所述方法包含通过使用原子层沉积在衬底上沉积第一牺牲材料层的第一步骤。所述方法的第二步骤是在所述第一牺牲材料层的至少一部分上方提供悬臂(101)。第三步骤是通过使用原子层沉积在所述第一牺牲材料层上方和所述悬臂的一部分上方沉积第二牺牲材料层，使得所述悬臂的一部分由牺牲材料包围。第四步骤是提供又一材料层(107)，其覆盖所述第二牺牲材料层的至少一部分。最终，最后步骤是蚀刻掉包围所述悬臂的所述牺牲材料，进而界定其中悬置所述悬臂的空腔(102)。
Description
技术领域
本发明针对于非易失性存储器(NVM)装置的领域。存在若干已知类型的独立NVM装置。提供若干优点的一种类型的NVM是悬臂式微机电系统(MEMS)装置。
背景技术
使用MEMS装置产生更好的存储器性能和更简单的工艺集成及制造，进而降低生产成本。然而，为了在制造集成装置的前线工艺中实施基于MEMS的NVM，需要大幅度缩小当前基于悬臂的开关。因为基于MEMS的NVM本质上是机械装置，所以其难以缩小来用于集成装置。
可容易地使用已知光刻工艺来缩放MEMS装置的横向尺寸。然而，纵向缩放涉及提供非常薄的机械和牺牲层。提供这些层造成若干与悬臂本身的应力诱发曲率有关的问题。
一个问题是非常薄的悬臂层将更容易受到与表面有关的差分应力。另一问题是非常薄的牺牲层将在悬臂层上方和下方产生非常薄的间隙，且将进而减少装置的曲率容差。
基于独立非易失性存储器结构生产集成装置的又一问题是寻找可用于缩小装置并与典型CMOS制造设备中使用的后段过程(Back End OfLine，BEOL)工艺中的材料兼容的合适材料。因此，由于其较小尺寸和制造要求的缘故，更难以设计和制造嵌入式非易失性存储器装置。
因此，很显然地需要一种可使用BEOL工艺进行制造的集成的基于MEMS的非易失性存储器单元。
发明内容
为了解决所有上述问题，本发明提供一种制造非易失性微机电存储 器单元的方法，所述方法包含以下步骤：
通过使用原子层沉积来在衬底上沉积第一牺牲材料层；
在所述第一牺牲材料层的至少一部分上方提供悬臂；
通过使用原子层沉积在所述第一牺牲材料层上方和所述悬臂的一部分上方沉积第二牺牲材料层，使得所述悬臂的一部分由牺牲材料包围；
提供又一材料层，其覆盖所述第二牺牲材料层的至少一部分；和
蚀刻掉包围所述悬臂的牺牲材料，进而界定其中悬置悬臂的空腔。
所述又一材料层可以是绝缘材料层。
所述又一材料层可以是导电材料层。
可通过使用原子层沉积来提供所述悬臂。
可通过使用化学气相沉积来提供所述悬臂。
优选的是，在沉积第一牺牲材料层的步骤和沉积第二牺牲材料层的步骤中沉积的牺牲材料的部分是包围悬臂自由端的部分。
优选的是，牺牲材料是碳基材料。
优选的是，通过使用原子层沉积来提供所述又一层材料层。
优选的是，所述提供悬臂层的步骤进一步包含以下步骤：
使用原子层沉积用导电涂层涂布所述悬臂层的至少一个侧面。
本发明进一步提供一种非易失性微机电存储器单元，其包含：
悬臂；
悬置悬臂于其中的空腔，所述空腔的一部分是通过移除使用原子层沉积进行沉积的牺牲材料而形成的。
所述悬臂可能已通过使用原子层沉积而形成。
优选的是，通过移除使用原子层沉积来沉积的牺牲材料而形成的空腔部分是包围悬臂自由端的空腔部分。
优选的是，通过使用原子层沉积以导电材料涂布所述悬臂。
本发明提供优于现有技术的若干优点。举例来说，由于其超薄层(即，5到20纳米)的缘故，电极装置构造可在装置的读取操作期间传导减少 的编程电流。原子层沉积(ALD)允许逐层控制沉积条件，且因此确保在整个装置厚度上均匀分布应力。这对于最小化应力诱发的曲率效应是关键的。另一优点是由ALD技术提供的非常紧密的厚度控制(对于机械层和牺牲层两者来说)，这产生用于悬臂装置的更准确的切换电压。最后，ALD可直接引入在MEMS/CMOS制造工艺流程中。
因此，本发明用允许异常的膜特性控制(例如，成分、残余应力、厚度等)的优良沉积控制来提供非常薄的层。这些特性将直接改进存储器装置的性能、可靠性和缩放。
附图说明
现将参看附图来描述本发明的实例，在附图中：
图1表示本发明的第一实例；和
图2表示本发明的第二实例。
具体实施方式
参看图1，现将描述本发明的第一实例。在所述第一实例中，装置100是微机电悬臂装置的缩小版本，其部分通过原子层沉积(ALD)而制造。第一介电材料层109包含下拉电极104和悬臂电极110。
在此介电材料层109上，通过交替沉积牺牲材料和悬臂材料来形成由牺牲材料(未图示)包围的悬臂101。接着在第二牺牲材料层上方沉积导电材料层103。接着在导电层103中蚀刻两个释放孔105。接着，通过所述释放孔105蚀刻牺牲材料。当蚀刻掉牺牲材料时，形成空腔102，悬臂101悬置在所述空腔102中。
接着在导电层103上方沉积绝缘层107，导电层103充当上拉电极。接着将上拉电极103电连接到嵌在介电材料顶层108中的端子106。
因此，集成装置包含三个端子。端子110连接到悬臂101，端子104用作下拉电极，且端子106连接到上拉电极107。
悬臂101本身由非常薄的ALD材料层制成，所述材料例如为Ti、 Al、TiN、TiAlN、TaN、TaSiN、W、WN、钌、氧化钌或钴。悬臂101可由具有所描述的不同材料的一个或一个以上层制成，以形成复合悬臂。举例来说，可使用ALD或其它化学气相沉积方法来沉积钌，且具有不会由于半导体设备的BEOL中存在的其它材料之间的反应而形成挥发性氟化物、氯化物、溴化物或碘化物的优点。钌还形成导电氧化物，其导致在本发明的半导体装置中改进接触电阻。
围绕悬臂101的空腔102是通过移除或蚀刻牺牲层而形成的。在本发明中，使用ALD来形成牺牲层。ALD牺牲材料包括SiN、SiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、TiO、铝酸盐或硅酸盐。牺牲材料可由例如(但不限于)非晶碳等碳基材料制成。
如果牺牲层由非晶碳形成，那么其可通过分解例如甲烷(CH4)或乙炔(C2H2)等碳氢化合物(含碳气体)而形成。如果乙炔是分解气体，那么其在等离子体中分解以在衬底表面上形成非晶碳层。在此实例中，典型的所需厚度范围是从25nm到500nm。蚀刻材料相对于金属层来说应为惰性的，以使得材料特性不会降低。或者，可在将要形成含氟膜时使用例如CF4等氟化碳气体。
通常，非晶碳层的厚度也在约25nm到约500nm的范围内。非晶碳层还可用作硬掩模，其可充当化学/机械抛光技术的阻挡物，以允许在选择性地移除材料的同时保护下伏材料(例如介电材料层)在蚀刻期间免受损坏或免受抛光方法。
可通过用氧(在室温下施加或经加热的标准等离子体)或例如高密度氢等离子体的含氢等离子体(这里，在10托下将衬底加热到300C)蚀刻来移除牺牲层的非晶碳材料。蚀刻速率是使得底切通常是30nm/min。
现在再次参看图1，现将描述根据本发明的一个实例的装置操作。当在下拉电极104与悬臂101之间施加电压时，悬臂101被推向下拉电极104，直到悬臂101与下拉电极104接触为止，这允许电荷转移。这 界定装置的接通状态。当在悬臂101与上拉电极103之间施加电压时，悬臂101被迫使不与下拉电极104接触。这界定装置的断开状态。
现在参看图2，现将描述本发明的第二实例。在此第二实例中，现将描述另一种三端子存储器装置。首先在衬底205上沉积底部电极206。接着，对底部电极206进行图案化和蚀刻。
在此第二实例中，在悬臂202的自由端处形成突起203。除一个层以外的其它所有层均是用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)沉积的。通过ALD在突起203下方沉积形成间隙的层。在两步骤牺牲层沉积中形成悬臂202下方的间隙。
第一步骤包含沉积“常规”牺牲层(例如，PECVD SIN)和在界定突起203的区域下方蚀刻掉“通孔”向下到达底部电极206。
第二步骤包含沉积超薄ALD牺牲层的步骤，所述超薄ALD牺牲层在将接触底部电极206的悬臂突起203下方界定间隙。还在悬臂202的自由端上方沉积超薄ALD牺牲层。这将准许在悬臂202的自由端与导电帽201之间形成非常小的间隙，所述导电帽201将随后沉积。虽然通过ALD沉积位于悬臂202的自由端正上方的牺牲层，但还可使用任何已知手段来沉积位于悬臂202的其它部分上方的牺牲层。
接着，在牺牲层上方形成绝缘层204。所述绝缘层仅需要覆盖位于悬臂202的自由端正上方的区域。还可使用ALD来沉积所述绝缘层。
最后，在上部牺牲层上方沉积导电帽201，且接着蚀刻掉绝缘层204和牺牲层，从而使得悬臂202由空腔包围。而且，将在悬臂202的自由端上方和下方存在非常薄的间隙。
在此实例中，所述突起处的薄间隙限制悬臂202的运动。这提供许多优点，例如减少如范德瓦尔斯(van der Waals)和卡什米尔(Casimir)力等非线性力的影响。
在本发明的再一实例中，图2所示的悬臂装置由较厚的机械层(例如，PVD或CVD常见材料)和ALD导电涂层(例如，氧化钌)组成， 所述ALD导电涂层位于悬臂的顶部和/或底部表面上，这确保良好的接触特性。在最简单的配置中，不会单独对ALD层进行图案化，而是在一个步骤中连同机械层一起进行图案化以形成多层悬臂。牺牲层可以是ALD或非ALD层(这取决于所需厚度)。
ALD接触涂层不仅可适用于悬臂开关，而且可适用于用于开关的其它微机械结构，以便改进RF或IN开关中的接触。因此，所属领域的技术人员将了解，本发明可同样应用于形成在空腔中的其它可移动和非可移动微机械结构，例如熔丝、开关或其它电荷转移元件。
Claims (9)
1.一种制造非易失性微机电存储器单元的方法，所述方法包含以下步骤：
通过使用原子层沉积在衬底上沉积第一牺牲材料层；
在所述第一牺牲材料层的至少一部分上方提供悬臂；
通过使用原子层沉积在所述第一牺牲材料层上方和所述悬臂的一部分上方沉积第二牺牲材料层，使得所述悬臂的一部分由所述第一和第二牺牲材料层包围；
提供又一材料层，其覆盖所述第二牺牲材料层的至少一部分；和
蚀刻掉包围所述悬臂的所述第一和第二牺牲材料层，进而界定其中悬置所述悬臂的空腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述又一材料层是绝缘材料层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述又一材料层是导电材料层。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中通过使用原子层沉积来提供所述悬臂。
5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中通过使用化学气相沉积来提供所述悬臂。
6.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中在所述沉积第一牺牲材料层的步骤和所述沉积第二牺牲材料层的步骤中所沉积的所述第一和第二牺牲材料层的部分是包围所述悬臂的自由端的部分。
7.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中所述第一和第二牺牲材料层是碳基材料。
8.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中通过使用原子层沉积来提供所述又一材料层。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述提供悬臂的步骤进一步包含以下步骤：
使用原子层沉积用导电涂层涂布所述悬臂的至少一个侧部。
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