CN101764196B - 一种纳米尺寸相变存储器的制作方法 - Google Patents

一种纳米尺寸相变存储器的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米尺寸相变存储器的制作方法，首先在硅衬底上淀积一层抗腐蚀性很强的电热绝缘材料，然后利用侧墙工艺在该材料表面制备出一个纳米尺寸的金属NANOGAP，最后再一次利用侧墙工艺制备出一条纳米尺寸的相变材料，纳米相变条填充在金属隙缝中，钝化开孔引出电极，最后制备出了纳米尺寸的相变存储器件。本发明不仅避免了使用电子束曝光的成本高、周期长的缺陷，只采用光刻和两步侧墙工艺，便制备出了纳米尺寸的相变存储器，在突破光刻分辨率限制及提高器件制备效率等方面具有很大的优越性；而且还避免了淀积和干法刻蚀侧墙基底的工艺，具有很大的优越性。

Description

一种纳米尺寸相变存储器的制作方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种纳米尺寸相变存储器的制作方法，采用两步侧墙工艺来制备用来填充相变材料的金属NANOGAP和相变材料纳米条。
背景技术
相变随机存储器(Phase Change-Random Access Memory，PC-RAM)技术是基于S.R.Ovshinsky在1968年提出的利用硫系化合物薄膜相变时具有明显的电阻差异而具有存储效应建立起来的。相变存储器具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、功耗低、成本低、可多级存储、抗强震动和抗辐照等优点，被国际半导体工业协会认为是最有可能取代目前的闪存存储器，而成为未来存储器的主流产品和最先成为商用产品的器件。
相变存储器自诞生以来已经有很多人对它进行了研究，例如Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi等，并且具备了良好的性能。但是，随着半导体行业的高速发展，存储器的集成密度随着摩尔定律提高。要想使相变存储器能够在今天的存储器市场上崭露头角，必须具有很高的集成密度。而且，flash存储器在小尺寸化方面很难突破45nm，相变存储器在小尺寸化方面却有着较小的限制。因此，制备小尺寸的尤其是纳米尺度的相变存储器，成为当前研究的重要内容。
目前，获得小尺寸的方法，主要有电子束曝光(EBL)、聚焦离子束曝光(FIB)等，但是他们的成本过于高昂。为了寻找简单而低成本的制备小尺寸的纳米尺寸的相变存储器的方法，我们提出本发明构思。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种纳米尺寸相变存储器的制作方法，以寻找一种纳米尺寸的相变存储单元的制作方法，避免使用电子束曝光的成本高、周期长的缺陷，只采用光刻和两步侧墙工艺，便制备出纳米尺寸的相变存储器，突破光刻分辨率限制及提高器件制备效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种纳米尺寸相变存储器的制作方法，该方法包括：
a、在衬底上生长一层电热绝缘材料；
b、在该电热绝缘材料上，制备一个光刻胶台面作为第一个侧墙基底，然后淀积侧墙材料，并采用干法刻蚀回刻出侧墙，去除侧墙基底，形成第一个侧墙；
c、在该第一个侧墙上采用剥离工艺淀积一层金属条，使金属条搭在第一个侧墙身上，再采用湿法腐蚀去除第一个侧墙，同时将第一个侧墙上的金属剥离，形成纳米尺寸的金属NANOGAP；
d、在该金属条之上制作第二个侧墙基底，然后淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的第二个侧墙；
e、淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，形成相变存储器。
上述方案中，步骤a中所述在衬底上生长一层电热绝缘材料是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的。
上述方案中，步骤a中所述衬底是半导体材料衬底，或者是绝缘材料衬底。所述半导体材料衬底是硅片或SOI，所述绝缘材料衬底是SiO2或玻璃。
上述方案中，步骤a中所述电热绝缘材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
上述方案中，步骤b中所述作为第一个侧墙基底的光刻胶台面是采用光刻显影的方法制备的，显影液采用有机溶剂，台面的厚度为100nm～1000nm。
上述方案中，步骤b中所述第一个侧墙采用干法刻蚀反刻制备，淀积的侧墙材料是多晶硅、氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种，淀积的侧墙材料的厚度为10～500nm。
上述方案中，步骤b中所述去除侧墙基底采用丙酮或piranha溶液去除。
上述方案中，步骤c中所述金属条采用光刻剥离工艺制备的，金属条采用钨、铂、金、钛、银和铜中的任一种金属。
上述方案中，步骤c中所述金属NANOGAP是采用湿法腐蚀的方法将侧墙腐蚀掉同时将侧墙身上的金属剥离而形成的，金属NANOGAP的宽度为10～500nm，腐蚀剂采用氢氟酸、EDP、HNA或KOH溶液。
上述方案中，步骤d中所述第二个侧墙基底，其一个或多个边缘横跨在金属NANOGAP上，该边缘的长度大于或等于金属NANOGAP的宽度。
上述方案中，步骤d中所述第二个侧墙基底采用电热绝缘材料，该电热绝缘材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
上述方案中，步骤d中所述第二个侧墙基底是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法或热氧化方法中的一种制备的，该第二个侧墙基底的厚度为100～1000nm。
上述方案中，步骤d中所述第二个侧墙由内部的相变层和外部的保护层构成，相变层的厚度为10～500nm，保护层的厚度为10～500nm。
上述方案中，所述第二个侧墙的相变层是采用溅射法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法中的一种制备的，相变层材料采用Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相变材料中的一种；所述第二个侧墙的保护层是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法、热氧化方法中的一种制备的，保护层材料采用电热绝缘，该电热绝缘材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
(三)有益效果
本发明提供的这种纳米尺寸相变存储器的制作方法，采用薄膜工艺、光刻剥离工艺、湿法腐蚀工艺和两步侧墙工艺制备了纳米尺寸的相变存储器器件单元，而且还采用光刻胶作为制作侧墙的侧墙基底材料，去除侧墙基底时，对侧墙没有任何的影响，有利于形成厚度更小的侧墙，提高器件的集成度。这种器件单元制备方法的特点在于：器件结构简单，制备方便，器件单元尺寸小，避免了使用电子束曝光(EBL)，聚焦离子束曝光(FIB)等技术，大大降低了成本，集成度大幅度的提高。
附图说明
图1是本发明提供的制作纳米尺寸相变存储器的方法流程图；
图2是依照本发明实施例在淀积有电热绝缘层的衬底材料上制作第一个侧墙基底的示意图，其中图2(a)是剖视图，图2(b)是俯视图；
图3是依照本发明实施例淀积第一个侧墙材料的示意图，其中图3(a)是剖视图，图3(b)是俯视图；
图4是依照本发明实施例回刻形成第一个侧墙的示意图，其中图4(a)是剖视图，图4(b)是俯视图；
图5是依照本发明实施例去掉第一个侧墙基底的示意图，其中图5(a)是剖视图，图5(b)是俯视图；
图6是依照本发明实施例采用光学光刻和剥离工艺在第一个侧墙的一条边上形成金属条的示意图，其中图6(a)是剖视图，图6(b)是俯视图；
图7是依照本发明实施例淀积金属条并剥离金属，形成金属NANOGAP的示意图，其中图7(a)是剖视图，图7(b)是俯视图；
图8是依照本发明实施例制作第二个侧墙基底的示意图，其中图8(a)是剖视图，图8(b)是俯视图；
图9是依照本发明实施例淀积相变材料和保护层后回刻形成第二个侧墙的示意图，其中图9(a)是剖视图，图9(b)是俯视图；
图10是依照本发明实施例钝化开孔的示意图，其中图10(a)是剖视图，图10(b)是俯视图；
图11是依照本发明实施例引出电极的示意图，其中图11(a)是剖视图，图11(b)是俯视图；
其中，101衬底102电热绝缘材料103第一个侧墙基底(光刻胶基底)104第一个侧墙105金属条106第二个侧墙基底107相变材料108保护层109钝化层110引线孔111金属连线
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的制作纳米尺寸相变存储器的方法，首先在硅衬底上淀积一层抗腐蚀性很强的电热绝缘材料，然后利用侧墙工艺在该材料表面制备出一个纳米尺寸的金属NANOGAP，最后再一次利用侧墙工艺制备出一条纳米尺寸的相变材料，纳米相变条填充在金属NANOGAP中。钝化开孔引出电极，最后制备出纳米尺寸的相变存储器件。
如图1所示，图1是本发明提供的制作纳米尺寸相变存储器的方法流程图，该方法包括：
步骤1、在衬底上生长一层电热绝缘材料；
步骤2、在该电热绝缘材料上，制备一个光刻胶台面作为第一个侧墙基底，然后淀积侧墙材料，并采用干法刻蚀回刻出侧墙，去除侧墙基底，形成第一个侧墙；
步骤3、在该第一个侧墙上采用剥离工艺淀积一层金属条，使金属条搭在第一个侧墙身上，再采用湿法腐蚀去除第一个侧墙，同时将第一个侧墙上的金属剥离，形成纳米尺寸的金属NANOGAP；
步骤4、在该金属条之上制作第二个侧墙基底，然后淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的第二个侧墙；
步骤5、淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，形成相变存储器。
上述步骤1至步骤5的详细工艺可以进一步参考以下具体制备过程：
(1)清洗衬底，衬底为半导体材料，绝缘材料中的一种，如硅片、玻璃、SiO2、SOI等中任意一种；
(2)在衬底上采用薄膜制备工艺，如溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法、热氧化等中的一种制备电热绝缘层，绝缘层材料为氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的一种；
(3)在所述电热绝缘材料上，制作第一个侧墙基底，所用的方法是用直接一步光刻显影形成用胶做成的侧墙基底；基底材料光刻胶。
(4)然后淀积侧墙材料，用干法刻蚀回刻出侧墙，侧墙材料可以是多晶硅、氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的一种；
(5)用湿法腐蚀去除第一个侧墙基底，形成第一个侧墙；所用的腐蚀剂可以是丙酮等有机溶剂或piranha溶液；
(6)在所述侧墙上面用剥离工艺淀积一层金属条，使金属条搭在侧墙身上并与侧墙垂直，再用湿法腐蚀去除侧墙同时将侧墙身上的金属剥离，形成纳米尺寸金属NANOGAP；金属可以是钨、铂、金、钛、银、铜等中的一种，腐蚀剂可以是氢氟酸、EDP、HNA或KOH溶液中的一种。
(7)在所述的金属条之上制作第二个侧墙基底，使该基底的一个或多个边缘横跨在金属NANOGAP上，所用的方法是光刻干法刻蚀工艺。第二个侧墙基底的材料可以是氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的一种。
(8)然后淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的第二个侧墙；相变材料可以是Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相变材料中的一种；保护层可以是氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的一种。
(9)淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，构成相变存储器。钝化层可以是氧化物或氮化物中的一种。
本发明提供的制作纳米尺寸相变存储器的方法，基于侧墙方法实现NANOGAP以及相变材料GST的侧墙方法，将二者改进、结合起来并将其应用于平面PCRAM器件制备，从而突破光刻分辨率限制并使提高器件制备效率。以下为具体实施例。
实施例1
1、采用单晶硅片或者SOI片等半导体或者绝缘材料作为衬底；
2、采用薄膜制备工艺，在衬底上制备电热绝缘层氮化硅；
3、在电热绝缘层氮化硅上用光刻显影的方法制备由光刻胶形成的第一个侧墙基底图形，如图2所示。
4、用溅射法淀积第一个侧墙材料二氧化硅，如图3所示；然后干法回刻形成第一个侧墙。如图4所示。
5、用丙酮等有机溶剂或piranha溶液去除侧墙基底(它们基本不腐蚀电热绝缘材料和第一个侧墙)，如图5所示。
6、采用光学光刻和剥离工艺在第一个侧墙的一条边上形成钨的金属条，如图6所示。然后再用氢氟酸将侧墙漂去，与此同时，附着在侧墙上的金属也被剥离掉，从而形成金属的NANOGAP，如图7所示。
7、淀积相变材料的侧墙基底，然后通过光学光刻和干法刻蚀形成其侧墙基底，如图8所示。
8、淀积相变材料及其保护层，通过干法回刻形成带有保护层的相变材料侧墙，如图9所示。
9、淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，如图10所示；引出电极，制成水平结构的相变存储器。如图11所示。
实施例2
具体步骤和条件同实施例1，不同之处在于采用多晶硅作为第一个侧墙，其腐蚀液为EDP、HNA或KOH溶液。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
a、在衬底上生长一层电热绝缘材料；
b、在该电热绝缘材料上，制备一个光刻胶台面作为第一个侧墙基底，然后淀积侧墙材料，并采用干法刻蚀回刻出侧墙，去除侧墙基底，形成第一个侧墙；
c、在该第一个侧墙上采用剥离工艺淀积一层金属条，使金属条搭在第一个侧墙身上，再采用湿法腐蚀去除第一个侧墙，同时将第一个侧墙上的金属剥离，形成纳米尺寸的金属纳米间距；
d、在该金属条之上制作第二个侧墙基底，然后淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的第二个侧墙；
e、淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，形成相变存储器。
2.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤a中所述在衬底上生长一层电热绝缘材料是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的。
3.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤a中所述衬底是半导体材料衬底，或者是绝缘材料衬底。
4.根据权利要求3所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，所述半导体材料衬底是硅片或SOI，所述绝缘材料衬底是SiO2或玻璃。
5.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤a中所述电热绝缘材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
6.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤b中所述作为第一个侧墙基底的光刻胶台面是采用光刻显影的方法制备的，显影液采用有机溶剂，台面的厚度为100nm～1000nm。
7.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤b中所述第一个侧墙采用干法刻蚀反刻制备，淀积的侧墙材料是多晶硅、氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种，淀积的侧墙材料的厚度为10～500nm。
8.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤b中所述去除侧墙基底采用丙酮或piranha溶液去除。
9.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤c中所述金属条采用光刻剥离工艺制备的，金属条采用钨、铂、金、钛、银和铜中的任一种金属。
10.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤c中所述金属纳米间距是采用湿法腐蚀的方法将侧墙腐蚀掉同时将侧墙身上的金属剥离而形成的，金属纳米间距的宽度为10～500nm，腐蚀剂采用氢氟酸、EDP、HNA或KOH溶液。
11.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤d中所述第二个侧墙基底，其一个或多个边缘横跨在金属纳米间距上，该边缘的长度大于或等于金属纳米间距的宽度。
12.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤d中所述第二个侧墙基底采用电热绝缘材料，该电热绝缘材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
13.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤d中所述第二个侧墙基底是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法或热氧化方法中的一种制备的，该第二个侧墙基底的厚度为100～1000nm。
14.根据权利要求1所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，步骤d中所述第二个侧墙由内部的相变层和外部的保护层构成，相变层的厚度为10～500nm，保护层的厚度为10～500nm。
15.根据权利要求14所述的纳米尺寸相变存储器的制作方法，其特征在于，所述第二个侧墙的相变层是采用溅射法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法中的一种制备的，相变层材料采用Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相变材料中的一种；
所述第二个侧墙的保护层是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法、热氧化方法中的一种制备的，保护层材料采用电热绝缘，该电热绝缘材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
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