CN102054934B - 一种平面相变存储器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种平面相变存储器的制备方法，包括：在衬底上依次生长一层电热绝缘材料层和基底材料层；去除基底材料层的四边，形成图形作为制备相变材料侧墙的基底；在该电热绝缘材料层的上面和基底材料层的表面及侧面淀积相变材料层；去除基底材料层上表面的和电热绝缘材料层表面的相变材料层，形成高和宽均为纳米尺寸的相变材料侧墙；去除剩余的基底材料层，只保留纳米尺寸的相变材料侧墙；在该相变材料侧墙的一条边上搭上一条制作电极的金属层；再用薄膜淀积工艺制备一层绝缘材料层；再用化学机械抛光的方法抛光表面直至磨到将相变材料侧墙顶部的金属割断，形成中间夹有相变材料侧墙的nano-gap电极；淀积一层绝缘材料，在nano-gap电极两边的金属上开孔并引出电极即可形成平面相变存储器。

Description

一种平面相变存储器的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳技术领域，特别涉及一种平面相变存储器的制备方法。本发明提出了一种采用侧墙工艺、湿法腐蚀方法和化学机械抛光(CMP)制备平面相变存储器的方法。该方法尽量避免使用电子束曝光的成本高、周期长的不足，制备方法简单，可控性好，在突破光刻分辨率限制及提高平面相变存储器的制备效率等方面具有很大的优越性。

背景技术

存储器自问世以来，在半导体产业中占着越来越重要的地位。全球的半导体市场中，存储器占有80％的份额。而且随着信息化产业的不断发展和需求，存储器的发展也在发生着日新月异的变化。存储器按其存储特性可以分为挥发型(断电后数据会丢失，如DRAM和SRAM)和非挥发型(断电后数据不会丢失，如FLASH，EPROM)两种类型。近年来，非挥发性存储器(Flash为主流)，在摩尔定律的驱动下，占有了存储器市场近20％的份额。非挥发存储器已经与人们的生活和工作息息相关，手机、数码相机、移动存储设备等等，都已成为人们的必须品。但是在这样大的需求下，Flash存储器受到摩尔定律的限制，已经很难再有以前势不可挡的发展的趋势。因此，新一代的非挥发存储器呼之欲出。

相变存储器(PRAM或者OUM)是由S.R.Ovshinsky在1968年基于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提出来的。它具有高速读取、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Flash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、IBM、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi等，通过改变相变材料和器件结构等已经使其具备了良好的性能。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具有竞争力，必须实现更高密度的存储。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课题。

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，但是它们或者周期太长或者成本过于高昂。为了实现在光刻分辨率的条件下制备纳米尺寸的存储器、提高器件制备效率、降低器件成本，我们提出本发明构思。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种平面相变存储器的制备方法，以寻找到一种小尺寸平面相变存储器的制备方法，并且制备方法简单且成本较低，能够突破光刻分辨率限制，并提高平面相变存储器的制备效率。

为达到上述目的，本发明提供一种平面相变存储器的制备方法，包括：

步骤1：在衬底上依次生长一层电热绝缘材料层和基底材料层；

步骤2：用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层的四边，形成图形作为制备相变材料侧墙的基底；

步骤3：在该电热绝缘材料层的上面和基底材料层的表面及侧面淀积相变材料层；

步骤4：采用干法回刻，去除基底材料层上表面的和电热绝缘材料层表面的相变材料层，在基底材料层的侧面将形成高和宽均为纳米尺寸的相变材料侧墙；

步骤5：用湿法腐蚀的方法去除剩余的基底材料层，只保留纳米尺寸的相变材料侧墙；

步骤6：采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该相变材料侧墙的一条边上搭上一条制作电极的金属层；

步骤7：再用薄膜淀积工艺制备一层绝缘材料层，将相变材料侧墙和金属包裹在其中；

步骤8：再用化学机械抛光的方法抛光表面直至磨到将相变材料侧墙顶部的金属割断，形成中间夹有相变材料侧墙的nano-gap电极；

步骤9：最后淀积一层绝缘材料，再在nano-gap电极两边的金属上开孔并引出电极即可形成平面相变存储器。

其中所述电热绝缘材料层是氮化硅或SiO₂。

其中所述基底材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅。

其中所述相变材料层是Ge₂Sb₂Te₅、Sb₂Te₃、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₄Te₇或者含有硫族元素的任意相变材料中的一种。

其中所述金属层是钨、镍或氮化钛。

其中所述绝缘材料层和绝缘材料是氧化物、氮化物或硫化物，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。

其中所述淀积绝缘材料的方法是是溅射法、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。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种平面相变存储器的制备的方法，采用薄膜工艺、光刻剥离工艺、光刻干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺、化学机械抛光(CMP)工艺和侧墙工艺制备了平面相变存储器。这种平面相变存储器的制备方法的特点在于：结构简单，制备方便，器件尺寸小，尽量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，同时突破光刻分辨率限制及提高了平面相变存储器的制备效率等。

附图说明

为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明提供的平面相变存储器的制备方法的流程图；

图2-图9是平面相变存储器的制备方法的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图9所示，本发明一种平面相变存储器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底101上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层102和基底材料层103；所述的电热绝缘材料102，可以是氧化物、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；所述在衬底上生长一层电热绝缘材料102，可以是采用溅射法、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；所述电热绝缘材料102，对于步骤5中湿法去除基底材料层103时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；其中所述的基底材料层103，可以是氧化物、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；所述淀积一层基底材料层103，可以是采用溅射法、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；其中所述基底材料层103的厚度为20-2000nm(图2)；

步骤2：用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层103的四边，形成图形作为制备侧墙的基底(图2)；

步骤3：在该电热绝缘材料层102的上表面和基底材料层103的表面淀积相变材料层104；其中所述的相变材料层104，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；所述相变材料层104，对于步骤5中湿法去除基底材料层103时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述淀积相变材料层104的方法，可以是采用溅射法、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、激光辅助淀积法和原子层沉积法中的一种(图3)；

步骤4：采用干法回刻，去除基底材料层103上表面的和电热绝缘材料层102表面的相变材料层104，在基底材料层103的侧面将形成高和宽均为纳米尺寸的相变材料侧墙104’；其中所述相变材料层104形成的侧墙104’的宽度为5-200nm(图4)；

步骤5：用湿法腐蚀的方法去除剩余的基底材料层103，只保留纳米尺寸的相变材料侧墙104’；其中的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸等中的一种(图5)；

步骤6：采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该相变材料侧墙104’的一条边上搭上一条制作电极的金属层105；所述的金属层105，可以是钨、镍或氮化钛中的任一种；所述的金属层105，可以是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备的(图6)；

步骤7：再用薄膜淀积工艺制备一层绝缘材料层106，将相变材料侧墙104’和金属105包裹在其中；所述绝缘材料层106，可以是氧化物、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；所述的淀积绝缘材料层106，可以是采用溅射法、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(图7)；

步骤8：再用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面直至磨到将相变材料侧墙顶部的金属106割断，形成中间夹有相变材料侧墙104的nano-gap电极105’；化学机械抛光(CMP)的截止面位于侧墙104的顶端和平面处的金属105的表面之间，并且必须保证位于侧墙顶端的金属105被割断；其中所述的nano-gap电极105’的宽度为5-200nm(图8)。

步骤10、最后淀积一层绝缘材料107，再在nano-gap电极105’两边的金属105上开孔并引出电极108即可形成平面相变存储器。其中所述的绝缘材料107，可以是氧化物、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；所述淀积一层绝缘材料107，可以是采用溅射法、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(图9)。

实施例一

1、采用单晶硅片、SOI片等半导体或者绝缘材料作为衬底101；

2、采用薄膜制备工艺，在衬底上制备200nm氮化硅作为电热绝缘层102和450nm多晶硅作为基底材料层103；

3、用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层103的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；

4、在该电热绝缘材料层102的上面和基底材料层103的表面及侧面淀积200nm厚的Ge₂Sb₂Te₅用来制备相变材料侧墙104’；

5、采用干法回刻，去除基底材料层103上表面的和电热绝缘材料层102表面的相变材料层104，将形成高450nm和宽100nm的Ge₂Sb₂Te₅侧墙104’；

6、用恒温TMAH溶液漂去侧墙基底103，TMAH溶液的温度恒定在70℃，只保留纳米尺寸的Ge₂Sb₂Te₅侧墙104’；

7、采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该侧墙材料层104的一条边上搭上一条制作电极的钨金属层105，金属厚度为100nm；

8、再用PECVD制备结构为200nm厚的SiO₂/100nm Si_xN_y/200nm厚的SiO₂的叠层作为绝缘材料层106，其中Si_xN_y作为CMP工艺的截止层；

9、用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面至Si_xN_y截止层同时切断相变材料侧墙104两旁的金属105的连接，形成宽度为100nm的金属nano-gap电极105’；

10、最后淀积一层500nm厚的SiO₂绝缘材料107，再在nano-gap电极105’两边的钨金属105上开孔并引出电极108即可形成平面相变存储器。

实施例二

与实施例一大致相同，区别在于：基底材料层103为SiO₂，其相应的腐蚀液为氢氟酸。

实施例三

与实施例一大致相同，区别在于：基底材料层103为Si_xN_y，其相应的腐蚀液为热浓磷酸。

实施例四

与实施例一大致相同，区别在于：将电热绝缘材料层102表面上的金属105的上表面作为CMP工艺的截止层。

实施例五

与实施例二大致相同，区别在于：将电热绝缘材料层102表面上的金属105的上表面作为CMP工艺的截止层。

实施例六

与实施例三大致相同，区别在于：将电热绝缘材料层102表面上的金属105的上表面作为CMP工艺的截止层。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种平面相变存储器的制备方法，包括：

步骤1：在衬底上依次生长一层电热绝缘材料层和基底材料层；

步骤2：用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层的四边，形成图形作为制备相变材料侧墙的基底；

步骤3：在该电热绝缘材料层的上面和基底材料层的表面及侧面淀积相变材料层；

步骤4：采用干法回刻，去除基底材料层上表面的和电热绝缘材料层表面的相变材料层，在基底材料层的侧面将形成高和宽均为纳米尺寸的相变材料侧墙；

步骤5：用湿法腐蚀的方法去除剩余的基底材料层，只保留纳米尺寸的相变材料侧墙；

步骤6：采用光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该相变材料侧墙的一条边上搭上一条制作电极的金属层；

步骤7：再用薄膜淀积工艺制备一层第一绝缘材料层，将相变材料侧墙和金属层包裹在其中；

步骤8：再用化学机械抛光的方法抛光表面直至磨到将相变材料侧墙顶部的金属层割断，形成中间夹有相变材料侧墙的nano-gap电极；

步骤9：最后淀积一层第二绝缘材料，再在nano-gap电极两边的金属层上开孔并引出电极即可形成平面相变存储器。

2.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述电热绝缘材料层是氮化硅或SiO₂。

3.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述基底材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅。

4.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述相变材料层是Ge₂Sb₂Te₅、Sb₂Te₃、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₄Te₇或者含有硫族元素的其他任意相变材料中的一种。

5.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述金属层是钨或镍。

6.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料是氧化物、氮化物或硫化物，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。

7.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述淀积绝缘材料的方法是溅射法、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。

Images