CN101521177B - 以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其首先清洗半导体衬底以去除其表面的污物，然后采用化学气相沉积法在衬底表面沉积介质层，再采用化学气相沉积法在介质层上制备横向的单壁碳纳米管阵列，接着采用聚焦离子束沉积法沉积用于光刻的多个对准标记及与各碳纳米管相接触的接触电极，接着采用电子束光刻结合反应离子刻蚀法刻蚀碳纳米管以形成电极对阵列，并根据所形成的各对准标记，采用磁控溅射法及电子光刻技术在各电极对之间被刻蚀掉的碳纳米管处沉积相变材料，接着再采用离子束沉积法及电子束光刻法在已沉积相变材料的结构上沉积绝热保护区，以及制备各测试电极，由此形成低功耗的横向相变存储器。
Description
技术领域
本发明涉及一种横向相变存储器的制备方法，特别涉及一种以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法。
背景技术
相变存储器(PRAM)是基于硫系化合物相变材料电阻的可逆变化实现信息的存储。与目前市场上的主流半导体存储技术相比，PRAM具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储、高速读取、抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad)、耐高低温(-55～125℃)、抗振动、抗电子干扰和制造工艺简单等优点，不仅能够在移动电话、数码相机、MP3播放器、移动存储卡等民用微电子领域得到广泛应用，而且在航空航天或导弹系统等军用领域中有重要的应用前景。因此，国际上的Ovonyx、英特尔、三星、意法半导体和日立等半导体行业的大公司以及美国空军研究实验室都致力于PRAM的研发，并且在最近五年内取得了一系列重大技术的突破，让业界看到了其实用化的曙光。为此，2003年版的国际半导体工业协会规划中指出，PRAM最有可能取代目前的FLASH而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。
虽然近年来对PRAM的研究有较大的进展，但是在真正实用化之前还有很多问题需要解决，如嵌入式应用中的低功耗方面的问题、动态存储中循环次数的提供问题、海量信息存储应用时高密度方面的问题等等。针对低功耗方面的研究提出了很多相应的方案，如对相变材料改性，将底层电极尽可能的减小以降低电极与相变材料接触的有效面积，选择新型的电极材料也是一个可行的方法。
碳纳米管是日本学者Iijima于1991年在高分辨透射电镜(HRTEM)下发现的，作为一种新的碳的同素异构体，碳纳米管具有独特的结构特性。与氧化镉(CdO)等添加物质相比，纳米碳管不但无毒，而且在结构形态、导电性、机械强度、耐磨性、导热性和稳定性等多方面拥有竞争优势。美国纽约州Rensselaer工学院科学家的最新试验显示，碳纳米管材料的性能已经超越目前应用最为广泛的铜互连工艺，尤其是在45nm以下的工艺中更能得到体现。通过试验结果他们得到，由于漏电问题造成的功耗过大问题，使铜互连工艺在45nm以及更小的尺寸下，无法达到理想的效果，但如果采用碳纳米管进行互联，则可以有效解决功耗过高的问题，从而达到一个理想的效果。同时也有专家指出，之所以碳纳米管在45nm及更小工艺中表现出色，是由于阻抗较低，从而导致其功耗也较低。因此，如何利用碳纳米管的特性制造出低功耗的相变存储器实已经成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，以降低相变存储器件的功耗和操作电流。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，包括步骤：1)清洗半导体衬底以去除所述半导体衬底表面的污物，并将所述半导体衬底烘干；2)采用化学气相沉积法在所述半导体衬底表面沉积一厚度在300～500nm的介质层；3)以铁为催化剂采用化学气相沉积法在所述介质层上制备有序的单壁碳纳米管阵列；4)采用聚焦离子束沉积法在形成了单壁碳纳米管阵列的结构上沉积用于紫外光刻和电子束光刻的多个对准标记，并使对准标记与对准标记之间具有单壁碳纳米管；5)采用聚焦离子束沉积法在所述已沉积有对准标记的结构上沉积与各碳纳米管相接触的接触电极，其中，所述接触电极包括单电极和公共电极，且单电极和公共电极相互间隔；6)采用电子束光刻结合反应离子刻蚀法刻蚀处于各单电极和公共电极之间的碳纳米管以形成电极对阵列；7)根据所形成的各对准标记，采用磁控溅射法及电子光刻技术在各电极对之间被刻蚀掉的碳纳米管处沉积相变材料；8)根据所形成的各对准标记，采用离子束沉积法及电子束光刻法在已沉积相变材料的结构上沉积绝热保护区；以及9)根据所形成的各对准标记，采用磁控溅射沉积及紫外光刻在沉积有绝热保护区的结构上制备与各单电极和公共电极分别连接的各测试电极，以形成具有单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器。
综上所述，本发明的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法针对PRAM应用中的低功耗问题，提出了一种碳纳米管作为电极材料的相变存储器的制备方法，可使电极与相变材料接触时有效接触面积小，从而可充分降低器件操作电流以及功耗。
附图说明
图1至图8为本发明的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法的操作流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图8，本发明的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法主要包括以下步骤：
首先，清洗半导体衬底以去除所述半导体衬底表面的污物，并将所述半导体衬底烘干。在本实施例中，半导体衬底材料为硅，清洗硅片的步骤为：(1)清洗硅片：1#液：氨水∶双氧水∶去离子水＝1∶2∶5，将硅片放入1#液中煮沸5分钟，冷却，去离子水冲洗3分钟，然后氮气吹干。主要作用：去除硅表面的油污和大颗粒。2#液：盐酸∶双氧水∶去离子水＝1∶2∶5，将硅片放入2#液中清洗，方法同1#液，主要作用是去除硅片表面的金属离子。(2)将硅片于120℃的烘箱中烘烤30min去除表面的水分。
然后，采用化学气相沉积法在处理干净的硅片的(100)取向上面上沉积一厚度在300～500nm的介质层，如图1所示，其中，所述介质层采用SixN材料。
接着，以铁为催化剂采用化学气相沉积法(CVD)在所述介质层上制备横向排列有序的单壁碳纳米管阵列。在本实施例中，采用CVD方法以Fe作为催化剂、MgO作为催化剂载体，催化裂解CH4制备单壁碳纳米管，制备温度控制于800℃，如图2所示。
接着，采用聚焦离子束沉积法在形成了单壁碳纳米管阵列的结构上沉积用于紫外光刻和电子束光刻的多个对准标记，并使对准标记与对准标记之间具有单壁碳纳米管。在器件制备的后续工艺中，多层图形结构需保持精确的固定位置，因此对准标记将是不可或缺的。本实施例中，对准标记由混合方块标记图形和十字标记图形所组成，采用的材料为铂，如图3所示，方块标记图形用于紫外光刻时的对准，十字标记图形用于电子束光刻时对准。每一对准标记的厚度控制为200nm，方块标记图形的尺寸为5×5微米，十字标记的尺寸为0.1×5微米。各对准标记的横纵间距为350微米，在各对准标记之间确保有碳纳米管，可通过低电压扫描电镜观测样品表面得到确证。
接着，采用聚焦离子束沉积法在所述已沉积有对准标记的结构上沉积与各碳纳米管相接触的接触电极，其中，所述接触电极包括单电极和公共电极，且单电极和公共电极相互间隔，其中，各接触电极的线宽控制为200nm，长度控制为5微米，厚度控制为200nm，材料为铂，如图4所示。
接着，采用电子束光刻结合反应离子刻蚀法刻蚀处于各单电极和公共电极之间的碳纳米管以形成电极对阵列，刻蚀深度控制为15～20nm；电子束曝光后形成的电极间距控制为30nm以下，如图5所示，由此各碳纳米管被切断成多段。
接着，根据所形成的各对准标记，采用磁控溅射法及电子光刻技术在各电极对之间被刻蚀掉的碳纳米管处沉积相变材料。沉积前先利用丙酮去除刻蚀后残余的光刻胶并将基片清洗干净，在120℃的烘箱中干燥30min，然后在已形成电极对阵列的结构上沉积一层正性电子束光刻抗蚀剂层，抗蚀剂的厚度控制为300nm曝光前利用所述多个对准标记的十字标记图形执行对准程序，确保对准误差200nm以下，而后对各碳纳米管切断部分电子束曝光开孔以形成各第一沉积区域，孔的区域大小控制为1×1(长×宽)微米，抗蚀剂的厚度控制为300nm；利用进行电子束光刻以在各电极对之间被刻蚀掉的碳纳米管处各第一沉积区域再采用磁控溅射在各开孔处沉积相变材料，其厚度控制为100nm，尺寸控制为500×500nm，如图6所示，然后经丙酮浸泡3小时去除光刻胶及其上面附着的相变材料，清洗干净后于120℃的烘箱中干燥30min。
接着，根据所形成的各对准标记，采用离子束沉积法及电子束光刻法在已沉积相变材料的结构上沉积绝热保护区。即采用沉积剥离的方法完成，先旋涂正性电子束光刻抗蚀剂，抗蚀剂厚度控制为500nm，曝光前利用所述多个对准标记的十字标记图形执行对准程序，确保对准误差500nm以下，而后沿着碳纳米管方向利用电子束光刻开一条宽2微米的区域以形成各第二沉积区域，再利用离子束沉积法在各第二沉积区域沉积氧化硅，厚度控制为200nm，并经丙酮浸泡3小时去除光刻胶及其上面附着的氧化硅层，如图7所示。
最后，根据所形成的各对准标记，采用磁控溅射沉积及紫外光刻在沉积有绝热保护区的结构上制备与各单电极和公共电极分别连接的各测试电极，以形成具有单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器。即采用沉积剥离的方法完成，先旋涂紫外光刻抗蚀剂，抗蚀剂厚度控制为600nm，曝光前利用所述多个对准标记的方块标记图形执行对准程序，确保对准误差2微米以下，而后进行紫外光刻以形成各第三沉积区域，各第三沉积区域宽度尺寸控制为50×50微米，然后采用磁控溅射法在各第三沉积区域沉积厚度为200nm的钨材料以形成各测试电极，经丙酮浸泡3小时去除光刻胶及其上面附着的钨，最后完成整个器件的制备如图8所示。
综上所述，本发明的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法采用直径尺寸为1～6纳米的碳纳米管作为电极材料，制备出相应横向相变存储器，可使电极与相变材料接触时的有效接触面积比目前光刻技术可以达到的极限尺寸小得多，从而可充分降低存储器件的操作电流以及功耗。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (13)
1.一种以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于包括步骤：
1)清洗半导体衬底以去除所述半导体衬底表面的污物，并将所述半导体衬底烘干；
2)采用化学气相沉积法在所述半导体衬底表面沉积一厚度在300～500nm的介质层；
3)以铁为催化剂采用化学气相沉积法在所述介质层上制备横向的单壁碳纳米管阵列；
4)采用聚焦离子束沉积法在形成了单壁碳纳米管阵列的结构上沉积用于紫外光刻和电子束光刻的多个对准标记，并使对准标记与对准标记之间具有单壁碳纳米管；
5)采用聚焦离子束沉积法在所述已沉积有对准标记的结构上沉积与各碳纳米管相接触的接触电极，其中，所述接触电极包括单电极和公共电极，且单电极和公共电极相互间隔；
6)采用电子束光刻结合反应离子刻蚀法刻蚀处于各单电极和公共电极之间的碳纳米管以形成电极对阵列；
7)根据所形成的各对准标记，采用磁控溅射法及电子光刻技术在各电极对之间被刻蚀掉的碳纳米管处沉积相变材料；
8)根据所形成的各对准标记，采用离子束沉积法及电子束光刻法在已沉积相变材料的结构上沉积绝热保护区；
9)根据所形成的各对准标记，采用磁控溅射沉积及紫外光刻在沉积有绝热保护区的结构上制备与各单电极和公共电极分别连接的各测试电极，以形成具有单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器。
2.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：步骤1)进一步包括步骤：
(1)将所述半导体衬底放入氨水、双氧水、及去离子水的混合液中煮沸5分钟并冷却，其中，所述氨水、双氧水、及去离子水以1∶2∶5混合；
(2)采用去离子水将冷却后的所述半导体衬底冲洗3分钟，并用氮气吹干；
(3)将经过氮气吹干的所述半导体衬底放入盐酸、双氧水、及去离子水的混合液中煮沸5分钟并冷却，其中，所述盐酸、双氧水、及去离子水以1∶2∶5混合；
(4)将经过步骤(3)处理的所述半导体衬底放入120℃的烘箱中烘烤30min。
3.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：所述介质层的材料为SixN。
4.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：在制备有序的单壁碳纳米管阵列时，采用MgO作为催化剂载体，催化裂解CH4，制备温度控制于800℃。
5.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：每一对准标记都包括用于紫外光刻的方块标记图形和用于电子束光刻的十字标记图形。
6.如权利要求1或5所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：每一对准标记的厚度控制为200nm，采用的材料为铂。
7.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：所述接触电极采用的材料为铂，其线宽控制为200nm，长度控制为5微米，厚度控制为200nm。
8.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：步骤6)中的刻蚀深度控制为15～20nm，所形成的电极间距控制为30nm以下。
9.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：步骤7)进一步包括步骤：
(1)在已形成电极对阵列的结构上沉积一层电子束光刻抗蚀剂层，抗蚀剂的厚度控制为300nm；
(2)利用所述多个对准标记对已具有电子束光刻抗蚀剂层的结构进行对准以使对准误差在200nm以下；
(3)采用电子束光刻法对已具有电子束光刻抗蚀剂层的结构进行光刻以在各电极对之间被刻蚀掉的碳纳米管处形成各第一沉积区域，各第一沉积区域尺寸控制为500×500nm；
(4)采用磁控溅射法在各第一沉积区域沉积相变材料，其厚度控制为100nm。
10.如权利要求1所述的以单壁碳纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：步骤8)进一步包括步骤：
(1)在已沉积相变材料的结构上旋涂电子束光刻抗蚀剂，抗蚀剂厚度控制为500nm；
(2)利用所述多个对准标记对已具有电子束光刻抗蚀剂层的结构进行对准以使对准误差在500nm以下；
(3)进行电子束光刻以形成各第二沉积区域，各第二沉积区域的宽度控制为2微米；
(4)在各第二沉积区域沉积绝热材料以形成各绝热保护区，沉积厚度控制为200nm。
11.如权利要求1或10所述的以单壁炭纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：所述绝热材料为氧化硅。
12.如权利要求1所述的以单壁炭纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：步骤9)进一步包括步骤：
(1)在沉积有绝热保护区的结构上旋涂紫外光刻抗蚀剂，抗蚀剂厚度控制为600nm；
(2)利用所述多个对准标记对已具有紫外光刻抗蚀剂层的结构进行对准以使对准误差在2微米以下；
(3)进行紫外光刻以形成各第三沉积区域，各第三区域宽度尺寸控制为50×50微米；
(4)采用磁控溅射在各第三沉积区域沉积相应各测试电极，其厚度控制为200nm。
13.如权利要求1或12所述的以单壁炭纳米管为电极的横向相变存储器的制备方法，其特征在于：所述测试电极的材料为钨。
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