CN101776718A - 一种快速表征相变材料及介质层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速表征相变材料及介质层的方法,包括如下步骤:清洗硅片;在所述硅片上制备底层介质层;在所述底层介质层上制备底层电极;在底层电极上制备电介质层;在电介质层上利用光刻及刻蚀工艺制备一系列通孔,使其下方的底层电极通过通孔露出;在所述通孔内制备相变材料,相变材料与所述底层电极接触;在所述相变材料上制备顶层接触电极;在所得结构表面制备顶层绝热保护层;采用三维控制器将纳米机械探针快速定位,使其与顶层接触电极接触,从而完成材料电学性能的测试表征。本发明的测试方法工艺步骤简单,利用三维控制器精确操纵纳米机械探针快速定位于单元结构上部,从而可完成相变材料及介质层电性能的快速测试。
Description
技术领域
本发明涉及表征相变材料及介质层的方法,特别是涉及一种快速表征相变材料及介质层电学性能的方法,属于微电子与固体电子学技术领域。
背景技术
硫系化合物随机存储器是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的硫系化合物薄膜可以应用于相变存储介质的构想基础上发展而来的。2001年intel公司首次报道4MB的C-RAM,2006年底Samsung公司已经报道了512MB C-RAM。目前主流的非挥发性存储器主要是闪存。但是按照摩尔定律,现有的存储单元设计在45nm制程以下时,很难继续保持其非易失性的特性。相变存储器由于在写入新数据时无须进行擦去原数据的处理,其数据写入速度可达到传统闪存的几十至几百倍,而功耗却不到闪存的一半,尺寸也比闪存小很多;并且相变存储器的耐用性极佳,使用寿命远长于传统闪存。基于这些因素,业界普遍认为在45nm以下,相变存储器将会代替flash成为主流的非挥发性存储器。目前国际上有Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Infineon、Elpida、Philips和IBM等公司在开展相变存储器的研究,其方向向着高速、高密度、低功耗的方面发展。他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上,其中器件的功耗降低是非常关键和重要的,因为相变存储器器件单元的相变过程最终要靠金属互补氧化物半导体管的驱动来实现,为了实现与高密度存储芯片中的CMOS管功率相匹配,必需降低器件的功耗。
降低功耗有很多种方式选择,如电极材料的优选、介质层材料以及厚度的控制、器件结构的优化以及新型相变材料的开发。其中对器件功耗影响较大的为相变材料本身的性质,其决定了整个存储器的功耗级别,如何开发与选择合适的相变材料成为业界不断努力探索的一个方向。因此开发一套能够快速表征材料器件电性能的方法成为当前研究材料性质的迫切需求。这种需求正是本发明的出发点。本发明利用聚焦离子束(FIB,focused ion beam)系统沉积铂电极作为顶层接触电极,电极形状为直径为70nm以下的圆形,利用三维精确控制的纳米操纵机械探针快速定位于单元结构上部从而可完成材料电学性能的快速测试。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种快速表征相变材料及介质层的方法,从而能够快速地表征材料器件的电学性能。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种快速表征相变材料及介质层的方法,该方法包括如下步骤:
步骤一,在硅片上制备底层介质层;
步骤二,在所述底层介质层上制备底层电极;
步骤三,在底层电极上制备电介质层;
步骤四,在电介质层上利用光刻及刻蚀工艺制备一系列通孔,使其下方的底层电极通过通孔露出;
步骤五,在所述通孔内制备相变材料,相变材料与所述底层电极接触;
步骤六,在所述相变材料上制备顶层接触电极;
步骤七,在步骤六所得结构表面制备顶层绝热保护层;
步骤八,采用三维控制器将纳米机械探针快速定位,使其与顶层接触电极接触,从而完成材料电学性能的测试表征。
优选地,步骤一采用化学气相沉积的方法制备底层介质层,所述底层介质层的材料为氮化硅或氧化硅,厚度控制为300-500nm。
优选地,步骤二采用磁控溅射的方法制备底层电极,所述底层电极自下而上依次为Al层、Ti层、TiN层,其中Al层的厚度控制为80-300nm,Ti层的厚度控制为60-120nm,TiN层的厚度控制为50-80nm。
优选地,步骤三采用离子束沉积法制备电介质层,所述电介质层的材料为氧化硅或氮化硅,厚度控制为80-120nm。
优选地,步骤四利用电子束光刻及反应离子刻蚀的方法制备通孔,所述通孔的孔径为20-100nm,间距为30-80nm。
优选地,步骤五利用磁控溅射结合剥离的方法制备相变材料,首先在步骤五所得结构表面旋涂双层电子束正性抗蚀剂,采用电子束光刻使底层电极通过通孔露出,并形成相变材料的沉积区域;然后采用磁控溅射法沉积相变材料;最后剥离双层电子束正性抗蚀剂及其上面沉积的相变材料,从而保留了沉积在通孔内的相变材料。
优选地,步骤六利用聚焦离子束沉积的方法制备顶层接触电极,所述顶层接触电极的材料为铂,其形状为直径控制在50-70nm的圆形,厚度为80-120nm。
优选地,步骤七采用离子束沉积法制备顶层绝热保护层,所述顶层绝热保护层的材料为氧化硅,厚度控制为180-220nm。
优选地,所述纳米机械探针的针尖直径为30-50nm。
优选地,在步骤一之前还包括清洗硅片的步骤。
本发明的有益效果在于:开发了一套能够快速表征相变材料及介质层的电性能的方法。本发明利用聚焦离子束系统沉积铂电极作为顶层接触电极(直径控制在50-70nm),利用三维控制器可精确操纵纳米机械探针快速定位于单元结构上部,从而可完成相变材料及介质层材料电学性能的快速测试。
在过去的测试方法中,首先需要制备完整的单元,即最后必须形成能够使得在光学显微镜平台上的测试系统将测试探针准确的定位于相应单元上的电极,通常这个电极是很大的为几十微米的量级,这个电极的形成需要诸多的工艺过程,如电子束曝光、紫外光刻、材料沉积以及刻蚀等,相当复杂,而且也是相当费时的,如中间一个工艺出现问题则之前的工作就全部白费了。
本发明的测试方法省去了过去一半的工艺步骤,同时可以在电子显微镜的高分辨观察下进行探针定位,极大的减小了后续工艺过程中引入的干扰。由于使用纳米机械探针可以省去后续诸多测试电极的引出工艺,大大的节省了时间,也使得测试更为复合实际,引出工艺在极高密度的单元中以目前的微电子标准工艺甚至是不可能实现的。如此则加快了器件的开发速度以及新型材料的考证。聚焦离子束沉积铂材料是由于铂具有好的附着性,能与底层材料更好的接触。
附图说明
图1为本发明涉及的底层介质层制备示意图;
图2为本发明涉及的底层电极制备示意图;
图3为本发明涉及的氧化硅介质层制备示意图;
图4为本发明涉及的在氧化硅介质层上制备通孔的示意图;
图5为本发明涉及的相变材料制备示意图;
图6为本发明涉及的顶层接触电极制备示意图;
图7为本发明涉及的顶层绝热保护层制备示意图;
图8为本发明涉及的纳米机械探针快速定位及移动示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤,为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
请参看图1-图8,本发明公开一种快速表征相变材料及介质层的方法,该方法包括如下步骤:
步骤一,清洗硅片(通常在制备测试结构之前需要进行硅片的清洗,但没有这个步骤也不影响本发明的实施。):
(1).采用1#液清洗硅片,其中1#液的配方为:氨水∶双氧水∶去离子水=1∶2∶5,清洗方法为:先将硅片放入1#液中煮沸5分钟,待冷却后用去离子水冲洗3分钟,然后用氮气吹干。其主要作用是去除硅表面的油污和大颗粒。采用2#液清洗硅片,其中2#液的配方为:盐酸∶双氧水∶去离子水=1∶2∶5,清洗方法与采用1#液清洗硅片的方法相同,其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。
步骤二,在硅片上制备底层介质层:
利用化学气相沉积的方法在前述处理干净的硅片上沉积一层厚度为300-500nm的底层介质层,其材料可为氮化硅或氧化硅,优选SixN(如图1所示)。
步骤三,在底层介质层上制备底层电极:
利用磁控溅射的方法形成底层电极,底层电极的材料可以为W、Pt等,优选为自下而上依次为Al层、Ti层、TiN层的Al/Ti/TiN结构,其相应的厚度控制为(80-300nm)/(60-120nm)/(50-80nm),本实施例优选150nm/100nm/50nm(如图2所示)。
步骤四,在底层电极上制备电介质层:
利用离子束沉积法制备电介质层,其材料为氧化硅或氮化硅,厚度控制为80-120nm,本实施例优选100nm(如图3所示)。
步骤五,在电介质层上利用光刻及刻蚀工艺制备一系列通孔,使其下方的底层电极通过通孔露出,具体操作如下:
旋涂电子束正性抗蚀剂,该抗蚀剂厚度控制为150nm,执行电子束光刻形成孔径为20-100nm,间距为30-80nm,的光刻胶孔,其中本实施例孔径优选50nm。利用反应离子刻蚀转移图形于电介质层上,孔的刻蚀深度为100nm,实际操作时可以适当的过刻,确保孔内的氧化硅完全去除(如图4所示)。
步骤六,在所述通孔内制备相变材料,使相变材料与所述底层电极接触,具体操作如下:
利用磁控溅射结合剥离的方法沉积相变材料。首先在步骤五所得结构表面旋涂双层电子束正性抗蚀剂,厚度控制为300nm,仔细精确的执行对准程序,采用电子束光刻使底层电极通过通孔露出,并形成相变材料的沉积区域,区域尺寸为2×2μm;然后采用磁控溅射法沉积厚度为100nm的相变材料;最后用丙酮浸泡12小时剥离双层电子束正性抗蚀剂及其上面沉积的相变材料,从而保留了沉积在通孔内的相变材料(如图5所示)。
步骤七,在所述相变材料上制备顶层接触电极:
顶层接触电极的沉积利用聚焦离子束沉积铂材料完成。电极的形状为直径控制在50-70nm的圆形,厚度为80-120nm,本实施例优选100nm(如图6所示)。其中,利用聚焦离子束系统沉积顶层接触电极可以将直径控制在70nm以下,并且铂具有好的附着性,利用铂作为顶层接触电极,能与底层材料更好的接触。
步骤八,制备顶层绝热保护层:
顶层绝热保护层的沉积利用离子束沉积法完成。顶层绝热保护层的材料为氧化硅,厚度控制为180-220nm,本实施例优选200nm(如图7所示)。
步骤九,采用三维控制器将纳米机械探针快速定位,使其与单元顶层接触电极接触,从而完成材料电学性能的测试表征。定位误差控制为15nm以下。所述纳米机械探针的针尖直径为30-50nm。由于纳米机械探针极细,其针尖可以潜入顶层绝热保护层与顶层接触电极充分接触(如图8所示)。
将纳米机械探针定位于顶层接触电极后,通过探针自带的连接线,接通于外部的测试系统,即可以对相变材料及电介质层进行各种电学性能测试,主要包括I-V、R-V以及疲劳性能的测试。由于使用纳米探针可以省去后续诸多测试电极的引出工艺,在极高密度的单元中以目前的微电子标准工艺甚至是不可能实现的。如此则加快了器件的开发速度以及新型材料的考证。
至此快速表征相变材料及介质层的方法介绍完毕,本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴,在此不再赘述。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (10)
1.一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一,在硅片上制备底层介质层;
步骤二,在所述底层介质层上制备底层电极;
步骤三,在底层电极上制备电介质层;
步骤四,在电介质层上利用光刻及刻蚀工艺制备一系列通孔,使其下方的底层电极通过通孔露出;
步骤五,在所述通孔内制备相变材料,相变材料与所述底层电极接触;
步骤六,在所述相变材料上制备顶层接触电极;
步骤七,在步骤六所得结构表面制备顶层绝热保护层;
步骤八,采用三维控制器将纳米机械探针快速定位,使其与顶层接触电极接触,从而完成材料电学性能的测试表征。
2.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:步骤一采用化学气相沉积的方法制备底层介质层,所述底层介质层的材料为氮化硅或氧化硅,厚度控制为300-500nm。
3.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:步骤二采用磁控溅射的方法制备底层电极,底层电极自下而上依次为Al层、Ti层、TiN层,其中Al层的厚度控制为80-300nm,Ti层的厚度控制为60-120nm,TiN层的厚度控制为50-80nm。
4.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:步骤三采用离子束沉积法制备电介质层,所述电介质层的材料为氧化硅或氮化硅,厚度控制为80-120nm。
5.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:步骤四利用电子束光刻及反应离子刻蚀的方法制备通孔,所述通孔的孔径为20-100nm,间距为30-80nm。
6.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:步骤五利用磁控溅射结合剥离的方法制备相变材料,首先在步骤五所得结构表面旋涂双层电子束正性抗蚀剂,采用电子束光刻使底层电极通过通孔露出,并形成相变材料的沉积区域;然后采用磁控溅射法沉积相变材料;最后剥离双层电子束正性抗蚀剂及其上面沉积的相变材料,从而保留了沉积在通孔内的相变材料。
7.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:步骤六利用聚焦离子束沉积的方法制备顶层接触电极,所述顶层接触电极的材料为铂,其形状为直径控制在50-70nm的圆形,厚度为80-120nm。
8.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:步骤七采用离子束沉积法制备顶层绝热保护层,所述顶层绝热保护层的材料为氧化硅,厚度控制为180-220nm。
9.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:所述纳米机械探针的针尖直径为30-50nm。
10.根据权利要求1所述一种快速表征相变材料及介质层的方法,其特征在于:在步骤一之前还包括清洗硅片的步骤。
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