CN102097585A - 一种类边接触纳米相变存储器单元的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种类边接触纳米相变存储器单元的制备方法，具体步骤为：首先在衬底材料上通过沉积或热氧化方法形成SiO₂层，然后依次沉积一层金属Al和一层SiO₂，再通过两步阳极氧化工艺在平行于衬底表面方向上自组织形成一维多孔氧化铝的多孔介质孔；然后通过电化学沉积法将电极材料填充于多孔介质孔中形成水平柱状电极，水平柱状电极的大小与多孔介质孔的大小相吻合，最后使用传统的刻蚀、淀积相变材料和上电极材料制备出类边接触纳米存储器单元。

Description

一种类边接触纳米相变存储器单元的制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种用于减小RESET电流的类边接触相变存储器单元的制作方法

背景技术

以SRAM、DRAM及非挥发性Flash为代表的半导体存储器已成为信息电子领域应用最广泛的基础产品，其市场规模占整个集成电路工业的近四分之一。随着便携式消费类电子设备的快速发展，不挥发存储器市场份额越来越大，目前主流的Flash非挥发存储器随着工艺技术在进入22纳米工艺节点后，由于工艺复杂，超薄氧化层中直接隧穿效应、应力导致的漏电效应、源漏穿通效应和邻位干扰严重等多种因素限制单元尺寸进一步缩小，存储器单元尺寸的缩小面临着巨大的困难。新一代相变随机存储器，由于结合了SRAM，DRAM和FLASH的优点于一身，可以实现非易失性(non-volatile)、超高密度(highdensity)、低功耗(low power)、低成本(low cost)和高比例缩小(high scalability)的特点，而被国际半导体工业协会认为是最有可能取代闪存FLASH和动态随机存储器DRAM等目前的主流产品的下一代非易失性存储器而备受关注。

相变存储器的工作原理是利用电脉冲作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶体之间发生可逆相变，通过分辨非晶态的高阻与晶态的低阻来实现信息的写入、擦除和读取操作。例如，擦除过程(reset)：如果施加一个短而强的电压脉冲，电能转变成热能，使硫系化合物温度升高到溶化温度以上，经快速冷却(约为几个纳秒)，可以使晶态的长程有序遭到破坏，并把这种状态保留下来，从而实现由晶态向非晶态的转化，至此硫系化合物的电阻大增，进入高阻态；写入过程(set)：如果施加一个长且强度中等的电压脉冲，硫系化合物的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下，并保持一定的时间(一般不大于100纳秒)，使硫系化合物由非晶态转化为晶态，进入低阻状态；数据读取过程：数据的读取是通过测量硫系化合物的电阻值来实现的，此时所加脉冲电压的强度很弱，产生的热能只能使硫系化合物的温度升高到结晶温度以下，并不引起材料发生相变。

根据目前的研究，相变存储器中发生相转变的有效区域为下电极与相变材料接触的部分。材料发生相变的编程电流与接触面积的大小密切相关。接触面积越大，发生相变的区域越大，需要的电流也就越大，反之亦然如图3。采用传统结构的相变存储器写入电流，特别是Reset过程的电流过大，造成外围电路规模过大，使得存储芯片面积居高不下。另一方面，相转换的速度也与接触区域相关，接触面积越小，转换的速度越快，存储器写入的速度也就越快。因此，在相变存储器的制造中，如何减小电极接触面积成为降低RESET电流的一个主要方法。但是，在主流的半导体工艺技术下，电极与相变材料的接触面积受限于光刻的尺寸，无法进一步减小。要获得比较小的尺寸方法，目前主要有电子束曝光(EB)，聚集离子束曝光(FIB)，spacer技术等。他们也是各有利弊，或是成本太高，或是工艺太复杂。为探索和发展纳电子器件，一种获得小尺寸孔径，并在此基础上制备纳电子器件的方法已成为本领域广大科技人员共同关心的生长点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以摆脱光刻条件限制的制备纳米级相变存储器单元的方法，以减小器件的写操作电流，降低功耗。

本发明的目的是按以下方式实现的，本发明提出的制备纳米相变存储器单元的方法，是利用自组织或者控制工艺流程得到一维多孔介质材料，然后通过电化学沉积方法形成纳米电极，具体步骤为：

首先在衬底材料上沉积一层SiO₂或通过热氧化方法形成一层SiO₂，然后依次沉积一层金属Al和一层SiO₂，通过两步阳极氧化，在平行于衬底表面方向上自组织形成一维多孔氧化铝的多孔介质孔；然后通过电化学沉积法填充电极材料于多孔介质孔中形成水平柱状电极，电极大小就是多孔介质孔的大小。最后使用一般的半导体工业手段刻蚀、淀积相变材料和上电极材料制备出类边接触纳米存储器单元。

具体制备步骤如下：

1)选择低阻型的硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再放入1∶1的浓硫酸和双氧水的溶液中于100℃温度下浸泡5分钟，之后用去离子水冲洗甩干，再将硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20秒，去除表面氧化物，之后用去离子水冲洗甩干，再将硅片放入NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5体积比的溶液中煮沸5分钟，之后用去离子水冲洗甩干，再将硅片放入HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8体积比的溶液中煮沸10分钟，之后用去离子水冲洗甩干备用；

2)在清洗好的硅片上淀积SiO₂介质层；

3)在SiO₂介质层上磁控溅射高纯金属Al层，金属Al纯度在99.9％以上，溅射厚度为100nm；

4)在金属Al层上淀积介质层SiO₂，淀积厚度为500nm-1um；

5)通过两步阳极氧化法在20℃，0.3Mol的草酸溶液中，40V的氧化电压条件下得到一维多介质孔氧化铝层，孔径为40nm左右；

6)采用电化学沉积法在介质孔内填充电极材料，电极材料是W或TiW；

7)采用CMP进行表面平坦化，减薄上SiO₂介质层至200nm；

8)曝光刻蚀孔，刻蚀掉孔上SiO₂介质层和电极材料层；

9)刻蚀孔内沉积GeSbTe相变材料；

10)表面平坦化，然后淀积上电极材料，引线封装即制成纳米级相变存储器。

本发明的优异效果是：它以自组织或控制工艺流程形成一维多孔介质，并以此为基础构建类边接触纳米相变存储器单元，减小电极和相变材料的接触面积，达到热限制、电限制的目的。写操作电流小，功耗小，可提高器件性能。

附图说明

图1是在衬底上依次沉积的介质层、Al层和上介质层的结构示意图；

图2是采用两步阳极氧化法生成一维多孔氧化铝多孔介质孔的结构示意图；

图3是采用电化学沉积法在孔内填充电极材料的结构示意图；

图4是曝光刻蚀孔，刻蚀上介质层、电极层的结构示意图；

图5是在刻蚀孔内沉积相变材料的结构示意图；

图6是表明平坦化后沉积上电极材料的结构示意图。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的方法作以下详细地说明。

本发明方法的操作流程如下：

1)清洗衬底1

2)在衬底上淀积SiO₂介质层，如图1所示；

3)在介质层上淀积高纯铝层，如图1所示；

4)在高纯铝层上淀积SiO₂上介质层，如图1所示；

5)两步阳极氧化，形成一维多介质孔氧化铝层，如图2所示；

6)采用电化学沉积法在孔内填充电极材料层，如W，TiW等，如图3所示；

7)表明平坦化，曝光刻蚀孔，刻蚀掉上介质层，电极层，如图4所示；

8)在刻蚀孔内淀积相变材料层，如GeSbTe等，如图5所示；

9)表面平坦化，淀积上电极材料层，如W，TiW等，形成器件，如图6所示；

以上步骤中，可去掉步骤B。

以上步骤中，SiO₂介质层可通过硅衬底热氧化形成。

下面通过实例予以进一步说明

实施例1：

本发明提出的存储器单元结构制备方法，结合附图说明具体如下：

1)选择低阻型的(111)硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再用浓H₂SO₄∶H₂O₂∶1∶1加热至100度5分钟左右，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20秒，去除表面氧化物，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5体积比的I号液煮沸5分钟，之后用去离子水冲干甩干，再将硅片放入HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8体积比的II号液煮沸10分钟，之后用去离子水冲干甩干。

2)在清洗好的硅片上淀积介质层2，如SiO₂

3)在介质层2上磁控溅射高纯Al层，Al纯度在99.9％以上，Al层厚度为100nm；

4)在Al层上淀积介质层4，如SiO₂，厚度为500nm-1um；

5)通过两步阳极氧化法在20℃，0.3M的草酸溶液中，40V的氧化电压条件下得到一维多孔氧化铝，孔径为40nm左右；

6)采用电化学沉积法在孔内填充电极材料6，如W，TiW等；

7)采用CMP进行表面平坦化，减薄上介质层SiO₂至200nm；

8)曝光刻蚀孔，刻蚀掉上介质层，电极层；

9)孔内沉积GeSbTe相变材料

10)表面平坦化，然后淀积上电极材料，引线封装即制成纳米级相变存储器。

实施例2

本实施例与实施例1相比较其他条件保持不变，仅改变步骤5中阳极氧化的条件，其条件是20wt％硫酸溶液在5℃，18V电压条件下，可得到孔径在40nm左右的一维多孔氧化铝。在10-30V范围内调整电解电压，可得到大小不一的小孔，孔径在10nm-100nm范围。

实施例3

本实施例与实施例1相比较其他条件保持不变，仅改变步骤2中SiO₂生成方式，其方式是Si基衬底通过热氧化法生成100nm厚度的SiO₂介质层。

上述实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (1)

1.一种类边接触纳米相变存储器单元的制备方法，其特征在于，首先在衬底材料上通过沉积或热氧化方法形成SiO₂层，然后依次沉积一层金属Al和一层SiO₂，再通过两步阳极氧化工艺在平行于衬底表面方向上自组织形成一维多孔氧化铝的多孔介质孔；然后通过电化学沉积法将电极材料填充于多孔介质孔中形成水平柱状电极，水平柱状电极的大小与多孔介质孔的大小相吻合，最后使用传统的刻蚀、淀积相变材料和上电极材料制备出类边接触纳米存储器单元；

具体制备步骤如下：

1)选择低阻型的硅片，先用丙酮超声去掉表面有机物，再放入1∶1的浓硫酸和双氧水的溶液中于100℃温度下浸泡5分钟，之后用去离子水冲洗甩干，再将硅片放入10∶1的水∶HF溶液中浸20秒，去除表面氧化物，之后用去离子水冲洗甩干，再将硅片放入NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5体积比的溶液中煮沸5分钟，之后用去离子水冲洗甩干，再将硅片放入HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8体积比的溶液中煮沸10分钟，之后用去离子水冲洗甩干备用；

2)在清洗好的硅片上淀积SiO₂介质层；

3)在SiO₂介质层上磁控溅射高纯金属Al层，金属Al纯度在99.9％以上，溅射厚度为100nm；

4)在金属Al层上淀积介质层SiO₂，淀积厚度为500nm-1um；

5)通过两步阳极氧化法在20℃，0.3Mol的草酸溶液中，40V的氧化电压条件下得到一维多介质孔氧化铝层，孔径为40nm左右；

6)采用电化学沉积法在介质孔内填充电极材料，电极材料是W或TiW；

7)采用CMP进行表面平坦化，减薄上SiO₂介质层至200nm；

8)曝光刻蚀孔，刻蚀掉孔上SiO₂介质层和电极材料层；

9)刻蚀孔内沉积GeSbTe相变材料；

10)表面平坦化，然后淀积上电极材料，引线封装即制成纳米级相变存储器。

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