CN102447061A - 一种高速低功耗相变存储器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速低功耗相变存储器的制备方法，该方法采用具有相变速度快和热导率低的超晶格薄膜材料作为相变材料，利用电感耦合等离子干法刻蚀该材料，形成形貌优良、侧壁陡直、一致性好的相变存储器单元。步骤为：①清洗衬底；②依次沉积金属薄膜和绝缘层薄膜；③沉积超晶格薄膜相变材料；④涂胶、光刻形成光刻胶作为刻蚀掩膜；⑤用电感耦合等离子刻蚀设备刻蚀超晶格薄膜材料；⑥去除光刻胶掩膜；⑦依次沉积绝缘层薄膜和金属薄膜。本工艺充分利用电感耦合等离子干法刻蚀对超晶格相变薄膜材料刻蚀的各向异性、一致性等特点，使制备的相变存储器具有高速低功耗的性能，并能很好地应用到高密度集成和大规模产业化生产中。
Description
技术领域
本发明属于微电子学中的微电子工艺技术领域，具体涉及到制作相变存储器使用的刻蚀工艺。
背景技术
相变随机存储器是一种非易失存储设备，通过电流作用产生的热效应使相变材料在多晶态和非晶态之间发生可逆转变，利用多晶态(低阻)和非晶态(高阻)电阻高低的不同来记录数值“0”和“1”。相变随机存储器不仅具有非易失性、速度快、可靠性高、功耗低、寿命长、与CMOS工艺兼容等优点适合广泛应用于日常电子产品中，而且抗辐射，抗振动，可实现多值存储，可在超低温和高温等特殊环境下工作等特点，在航天和航空领域也有巨大的潜在应用价值。国际半导体工业协会认为相变存储器最有可能取代闪存和动态随机存储器等目前的主流存储器产品而成为未来的存储器主流产品。在这种情况下，相变存储器的相关技术研究和产业化有着重大意义。
目前，影响相变存储器产业化进程的主要问题是其功耗过大和制备工艺方法。为减小操作电流即降低功耗，研究人员从相变存储器的材料、器件结构等方面做了许多工作，但这些都需要合适的工艺制备方法实现并能应用于大规模生产。现今常用的相变存储器制备工艺为剥离工艺，其步骤是光刻形成所需图形，然后在光刻胶上沉积薄膜材料，再用丙酮等光刻胶溶解液将光刻胶溶解，并带走光刻胶上附着的薄膜，从而形成所需图形的薄膜。其操作简单且对设备要求不高，但该方法不能得到很好的薄膜侧壁形貌并且没有很好的一致性和重复性，若应用于大规模生产中则不能得到较好的产品的成品率和重复性。相对于剥离工艺，湿法刻蚀工艺过程是光刻形成图形，使用光刻胶或其他材料作为掩膜进行保护，选择合适的酸碱溶液对待刻蚀薄膜进行刻蚀，最后去除掩膜材料。该方法相对于剥离工艺，对于薄膜的侧壁有更好的可控性，但是酸碱溶液对薄膜材料的腐蚀各向同性，无法制备出接近垂直侧壁的小尺寸相变单元，满足不了高集成度和减小相变单元尺寸以降低操作电流的要求。同时待刻蚀薄膜材料在酸碱溶液中所处溶液深度和周围溶液的流速等因素不同，也导致该方法没有很好的一致性，不适合应用于大规模生产。
因此，目前迫切需要一种具有高一致性，高可控性，并且可制备小尺寸相变存储器单元的工艺方法，加快相变存储器产业化进程。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速低功耗的相变存储器的制备方法，该方法能对作为相变材料的超晶格材料进行刻蚀，有很好的各向异性、较快的刻蚀速率、高可控性、很好的一致性的特点。
本发明提供的相变存储器的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(a)清洗衬底；(b)依次沉积金属薄膜和绝缘层薄膜；(c)沉积超晶格薄膜，作为相变材料；(d)在超晶格薄膜上涂光刻胶、烘烤、曝光、显影形成光刻胶图形作为刻蚀掩膜；(e)用电感耦合等离子干法刻蚀超晶格薄膜材料；(f)去除光刻胶掩膜；(g)依次沉积绝缘层薄膜和金属薄膜。
上述技术方案可以采用下述一种或多种方式进行改进：(1)工艺步骤(c)中的超晶格薄膜材料为由GeTe和Sb2Te3交替生长而成的多层相变材料GeTe/Sb2Te3，每周期薄膜材料厚度分别为1～30nm/1～30nm，总周期数为2～2000；(2)工艺步骤(e)的电感耦合等离子干法刻蚀中，卤素气体流量与惰性气体流量比为1∶1～1∶20，射频功率为50～200瓦，电感耦合等离子功率为300～800瓦，腔体气压为5～15毫托；在刻蚀过程中也可以通入给样品冷却用的氦气，其气压为3～10托，刻蚀时间为5～60秒。
本工艺充分利用电感耦合等离子干法刻蚀对超晶格相变材料刻蚀的一致性和各向异性等特点，制备相变存储器单元结构。测试结果表明该工艺制备的相变存储器具有可逆的相变功能，并且具有工作速度快、操作电流低等特点，可以运用于相变存储器的大规模生产中。具体而言，本发明具有以下技术特点：
(1)超晶格相变薄膜材料具有擦写速度快、热导率低等特点，有利于提高相变存储器工作速度和减小操作电流降低功耗。
(2)在衬底上制备了金属薄膜和绝缘层薄膜之后，在其上沉积超晶格相变材料，利用光刻在超晶格相变材料上形成掩膜图形，在刻蚀过程中为超晶格相变材料提供保护。
(3)用电感耦合等离子刻蚀设备对超晶格相变材料进行干法刻蚀，最后用光刻胶溶解溶液等将作为刻蚀掩膜的光刻胶溶解去除，即形成各向异性、高一致性的超晶格相变材料薄膜。干法刻蚀完成后，可根据器件结构的不同，沉积绝缘层薄膜和金属薄膜等。
总之，本发明对于多种器件结构和多种相变材料均适用，并能运用到大规模生产中，可以使相变存储器在器件结构和材料的选择上有更大的灵活性，并为其产业化提供可能。
附图说明
图1是本发明提供的刻蚀工艺流程图。
图2是在衬底上沉积金属薄膜和绝缘层薄膜。
图3是沉积超晶格薄膜材料。
图4是光刻形成图形。
图5是电感耦合等离子干法刻蚀超晶格薄膜材料。
图6是去除光刻胶。
图7是沉积绝缘层薄膜和金属薄膜。
图8是刻蚀后的超晶格薄膜金相显微镜结果。
图9是刻蚀后的超晶格薄膜的原子力显微镜结果。
图10是单元器件的I-V曲线。
图中1.衬底，2.金属薄膜Pt或Au或TiW或Ag或Cu或Al或TiN，3.绝缘层薄膜SiO2或Si3N4，4.超晶格相变材料，5.光刻胶，6.绝缘层薄膜SiO2或Si3N4，7.金属薄膜Pt或Au或TiW或Ag或Cu或Al或TiN。
具体实施方式
本发明提供的电感耦合等离子干法刻蚀超晶格相变材料的工艺流程如图1所示。下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实例1：
本实例的相变存储器的结构为“T”型结构、边接触结构、对称结构或非对称结构。
(1)清洗衬底：
将氧化硅衬底在丙酮中超声3分钟，分别在无水乙醇和去离子水中清洗干净，用氮气枪将衬底吹干，放在103摄氏度的热板上烘烤以去除衬底上的水分。
(2)沉积金属薄膜和绝缘层薄膜：
在干净的衬底表面涂上光刻胶，在97摄氏度的热板上烘烤3分钟，选择光刻掩膜板上需要的图形，曝光30秒，再在112摄氏度的热板上烘烤110秒，泛曝光30秒，在显影液中浸泡20秒，即形成所需的光刻胶图形。再利用磁控溅射沉积150nm厚的TiW薄膜，将样品浸泡在丙酮中超声3分钟剥离掉光刻胶及其上面的薄膜，即形成所需图形的金属薄膜，再用无水乙醇和去离子水清洗样品。在样品上涂上光刻胶，在97摄氏度的热板上烘烤3分钟，选择光刻掩膜板上需要的图形，曝光30秒，再在112摄氏度的热板上烘烤110秒，泛曝光30秒，在显影液中浸泡20秒，即形成所需的光刻胶图形。再利用磁控溅射沉积150nm厚的SiO2薄膜作为绝缘层薄膜，将样品浸泡在丙酮中超声3分钟剥离掉光刻胶及其上面的薄膜，即形成所需图形的绝缘层薄膜，再用无水乙醇和去离子水清洗样品(图2)。
(3)沉积超晶格相变薄膜材料：
利用磁控溅射沉积由GeTe和Sb2Te3交替生长而成的多层相变材料GeTe/Sb2Te3，每周期薄膜材料厚度分别为2nm/1nm，总周期数为50，总厚度为150nm(图3)。
(4)光刻形成刻蚀掩膜：
在样品上涂上光刻胶，在97摄氏度的热板上烘烤3分钟，选择光刻掩膜板上需要的图形，曝光5分钟，在显影液中浸泡3分钟，即形成所需要图形的光刻胶作为干法刻蚀的掩膜(图4)。
(5)电感耦合等离子干法刻蚀超晶格薄膜：
将样品放入电感耦合等离子刻蚀设备的腔体，在Cl2流量为10sccm(standard-state cubic centimeter per minute)，Ar流量为40sccm，射频功率为80瓦，电感耦合等离子功率为500瓦，腔体气压为10毫托。
为了防止高温给光刻胶带来的碳化，在刻蚀过程中可以给样品通入冷却用的He气，其气压为8托，刻蚀时间为30秒。步骤(5)的示意图如图5所示。
(6)去除光刻胶掩膜：
将刻蚀后的样品浸入丙酮中，超声3分钟，待光刻胶完全溶解后，将样品依次在无水乙醇和去离子水中清洗(图6)。
(7)形成绝缘层和上电极：
在样品表面涂上光刻胶，在97摄氏度的热板上烘烤3分钟，选择光刻掩膜板上需要的图形，曝光30秒，再在112摄氏度的热板上烘烤110秒，泛曝光30秒，在显影液中浸泡20秒，即形成所需的光刻胶图形。再利用磁控溅射沉积150nm厚的SiO2薄膜作为绝缘层薄膜，将样品浸泡在丙酮中超声3分钟剥离掉光刻胶及其上面的薄膜，即形成所需图形的绝缘层薄膜，再用无水乙醇和去离子水清洗样品。在样品上涂上光刻胶，在97摄氏度的热板上烘烤3分钟，选择光刻掩膜板上需要的图形，曝光30秒，再在112摄氏度的热板上烘烤110秒，泛曝光30秒，在显影液中浸泡20秒，即形成所需的光刻胶图形。再利用磁控溅射沉积150nm厚的TiW薄膜，将样品浸泡在丙酮中超声3分钟剥离掉光刻胶及其上面的薄膜，即形成所需图形的金属薄膜，再用无水乙醇和去离子水清洗样品(图7)。
实施实例中的样品具有很好的一致性(图8)，刻蚀的相变层具有平整的形貌和陡直的侧壁(图9)，有利于器件未来应用于高集成度的产业化生产中。用数字源Keithley 4200，脉冲发生器测试实施实例中的样品，该样品能在多晶态和非晶态之间发生可逆相变，操作电流仅为5微安，最短写操作时间仅为500皮秒(图10)。
测试结果表明，利用电感耦合等离子干法刻蚀方法制备的以由GeTe和Sb2Te3交替生长而成的多层相变材料GeTe/Sb2Te3，每周期薄膜材料厚度分别为2nm/1nm，总周期数为50，总厚度为150nm的超晶格薄膜为相变材料的相变存储器具有可逆相变的功能，并且最快的擦操作速度达到500皮秒，操作电流仅为5微安。从金相显微镜结果可观察到其具有很好的一致性。从原子力显微镜结果可观察到其刻蚀形貌具有陡峭的侧壁。从而提高相变存储器的工作速度、降低其功耗，为今后的产业化提供可行性。
实例2～5：
| 实例2 | 实例3 | 实例4 | 实例5 | |
| Cl2流量/sccm | 5 | 0 | 0 | 10 |
| HBr流量/sccm | 0 | 20 | 0 | 0 |
| BCl3流量/sccm | 0 | 0 | 10 | 0 |
| Ar流量/sccm | 45 | 30 | 40 | 40 |
| 射频功率/瓦 | 80 | 80 | 80 | 80 |
| 电感耦合等离子功率/瓦 | 500 | 500 | 500 | 700 |
| 腔体气压/毫托 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| He气压/托 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| 刻蚀时间/秒 | 40 | 30 | 30 | 20 |
| 金属薄膜 | Pt | Au | Ag | Cu |
| 绝缘层薄膜 | SiO2 | Si3N4 | SiO2 | Si3N4 |
本发明方法的关键在于步骤(3)和(5)，其余步骤与现有技术基本相同，在步骤(2)、(7)中的金属薄膜为30nm～200nm的Pt或Au或TiW或Ag或Cu或Al或TiN，绝缘层薄膜为30nm～200nm的SiO2或Si3N4；在工艺步骤(4)的光刻过程中，烘烤时间为1～10分钟，曝光时间为1～8分钟，显影时间为1～5分钟；工艺步骤(6)中去除光刻胶是在丙酮中浸泡1～2小时，再超声5～10分钟。所述的光刻工艺包括光学光刻、电子束光刻与纳米压印光刻等。所述电感耦合等离子体干法刻蚀气体为含有Cl2、HBr、BCl3等卤族元素气体与Ar等惰性气体的混合气体。衬底可以是二氧化硅衬底，硅衬底，砷化镓衬底等。
本发明方法并不局限于上述结构的相变存储器，它适用于各种结构的相变存储器。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种相变存储器的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
（a）清洗衬底；（b）依次沉积金属薄膜和绝缘层薄膜；（c）沉积超晶格薄膜，作为相变材料；（d）在超晶格薄膜上涂光刻胶、烘烤、曝光、显影形成光刻胶图形作为刻蚀掩膜；（e）用电感耦合等离子干法刻蚀超晶格薄膜材料；（f）去除光刻胶掩膜；（g）依次沉积绝缘层薄膜和金属薄膜。
2.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于工艺步骤（c）中的超晶格薄膜材料为由GeTe和Sb2Te3交替生长而成的多层相变材料GeTe/Sb2Te3,每周期薄膜材料中GeTe的厚度为1～30nm，每周期薄膜材料中Sb2Te3的厚度为1～30nm，重复2～2000个周期。
3.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，工艺步骤（e）的电感耦合等离子干法刻蚀中，刻蚀所使用的气体为卤族元素气体与惰性气体的混合气体，二者的流量比为1：1～1：20，射频功率为50～200瓦，电感耦合等离子功率为300～800瓦，腔体气压为5～15毫托。
4.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，步骤(b)、（g）中的金属薄膜为30nm～200nm的Pt或Au或TiW或Ag或Cu或Al或TiN，绝缘层薄膜为30nm～200nm的SiO2或Si3N4。
5.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于工艺步骤（d）的光刻过程中，烘烤时间为1～10分钟，曝光时间为1～8分钟，显影时间为1～5分钟。
6.根据权利要求1所述的相变存储器的制备方法，其特征在于工艺步骤（f）中去除光刻胶是在丙酮中浸泡1～2小时，再超声5～10分钟。
7.根据权利要求3所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，卤族元素气体为Cl2、HBr或BCl3，惰性气体为Ar。
8.根据权利要求3所述的相变存储器的制备方法，其特征在于，在刻蚀过程中，通入冷却用的氦气，气压为3～10托，刻蚀时间为5～60秒。
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