CN102593356B

CN102593356B - 与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法

Info

Publication number: CN102593356B
Application number: CN 201210088406
Authority: CN
Inventors: 付英春; 王晓峰; 张加勇; 季安; 杨富华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: CN102593356A

Abstract

一种与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，包括：在衬底上依次生长电热绝缘材料层、相变材料层和牺牲材料层；通过光刻和干法刻蚀的方法，形成制备侧墙的台阶；淀积侧墙材料层保形覆盖样品上表面；干法回刻侧墙材料层，去除侧墙材料层，形成高和宽均为纳米尺度的侧墙；湿法腐蚀去除牺牲材料层；干法刻蚀相变材料层，形成相变材料的纳米线；在侧墙材料层的一条边上，制备一条抗腐蚀的电极材料层，横向跨置由牺牲材料层和侧墙材料层构造的纵向叠层纳米线结构；湿法腐蚀去除侧墙材料层；通过金属电极材料层掩膜，干法刻蚀去除电极材料层下方以外的相变材料层；剥离，形成相变材料层全限制在电极材料层间的结构，钝化并引出测试电极，完成器件的制备。

Description

与光刻分辨率无关的水平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，特别涉及一种与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法。本发明提出了一种采用侧墙工艺和超声-剥离工艺自对准制备水平全限制相变存储器器件的方法。该方法尽量避免了使用诸如电子束曝光、聚焦粒子束刻蚀等线性光刻手段成本高、周期长的缺点，突破了光学光刻分辨率的限制，适用于大面积衬底上纳米尺度器件的制备，在制备精度、制备效率、经济性以及与现有的CMOS工艺兼容性等方面具有很大的优越性。

背景技术

高新技术产业和基础服务设施的加速发展对于快速计算和高效存储的要求越来越高，而CPU处理能力的提升对存储芯片的速度和功耗的依赖性越来越显著，因此如何发展高效存储成为未来急需突破的关键技术之一。相变存储器PCRAM(phase change random access memory)具有非挥发性，与目前大多数的存储器相比，具有器件尺寸小、功耗低、读取速度快、抗辐照、能实现多级存储以及与现有的CMOS工艺兼容等诸多优点，被认为最有可能取代目前的SRAM、DRAM、FLASH等主流产品而成为未来主流存储的半导体存储器。

PCRAM以硫系化合物为存储介质，依靠电流的热效应控制相变材料在晶态(低阻)和非晶态(高阻)之间转化实现信息的写入与擦除，依靠探测存储区域电阻的变化实现信息的读出。目前，相变存储器面临的最主要问题是操作电流过大，对驱动电路的要求较高，限制了存储功耗的降低、存储速度的提升和存储密度的提高。对于PCRAM操作电流过大的技术瓶颈，常规的解决方法(例如垂直器件中的插塞电极制备)对于光学光刻分辨率、CMP、MOCVD等工艺的依赖性较强，难于实现大面积、高精度、经济、高效地制备。而制备精度较高的电子束曝光、聚焦粒子束刻蚀等线性加工技术虽然能实现较高的制备精度，但受限于加工的速度无法实现大面积衬底上精细图形的高效制备。

侧墙工艺来源于传统的微电子工艺，在微电子器件自对准制备中被广泛应用。现有的技术能够较容易实现在纳米尺度精确可控的薄膜淀积，因此，通过淀积厚度精确可控的纳米薄膜材料，回刻形成侧墙作为掩膜制备纳米线的方法，搭配诸如光学光刻、薄膜淀积、溅射、蒸镀、剥离、刻蚀等工艺可以实现纳米尺度图形的高效加工。由于制备图形的精度只取决于侧墙薄膜的厚度和侧墙材料干法回刻的时间，因而实现了制备精度上与光学光刻分辨率无关以及与现有的CMOS工艺兼容等优点，从而使大面积衬底上精细图形的高效制备成为可能。为了突破光学光刻分辨率的限制以及提高制备方法与CMOS工艺的兼容性等问题，寻找经济高效的自对准制备相变存储器的方法，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与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，该制备方法能够突破光学光刻分辨率的限制，制备精度高、经济高效，与现有的CMOS工艺兼容。

本发明提供一种与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，该方法包括：

步骤1：在衬底上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层，在该电热绝缘材料层上，依次淀积一层相变材料层和一层牺牲材料层；

步骤2：在牺牲材料层上通过光刻和干法刻蚀的方法，形成制备侧墙的台阶；

步骤3：在相变材料层1和牺牲材料层裸露的上表面和侧面，淀积侧墙材料层保形覆盖样品上表面；

步骤4：干法回刻侧墙材料层，去除牺牲材料层及电热绝缘材料层上表面的侧墙材料层，形成高和宽均为纳米尺度的侧墙；

步骤5：湿法腐蚀去除牺牲材料层，同时最大限度地保留纳米尺度的侧墙材料层；

步骤6：用侧墙材料层作掩膜，干法刻蚀相变材料层，形成相变材料的纳米线；

步骤7：通过光刻或电子束曝光+薄膜淀积+超声-剥离，在侧墙材料层的一条边上，制备一条抗腐蚀的电极材料层，横向跨置由牺牲材料层和侧墙材料层构造的纵向叠层纳米线结构；

步骤8：湿法腐蚀去除侧墙材料层；

步骤9：通过金属电极材料层掩膜，干法刻蚀去除电极材料层下方以外的相变材料层；

步骤10：剥离，形成相变材料层全限制在电极材料层间的结构，钝化并引出测试电极，完成器件的制备。

本发明是利用侧墙工艺、薄膜淀积工艺、干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺和腐蚀剥离工艺相结合，实现纳米尺度器件的自对准制备。

本发明提供的这种与光学光刻分辨率无关的水平全限制相变存储器的自对准制备方法，采用侧墙工艺、薄膜淀积工艺、干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺和超声-剥离工艺制备了与光学光刻分辨率无关的纳米尺度相变存储器器件。这种制备方法的特点在于：结构简单、制备简便、制备精度高、经济高效，避免了使用诸如电子束曝光(EBL)，聚焦离子束曝光(FIB)等线性、低产出率、高成本的加工技术，集成度大幅度的提高并与现有的CMOS工艺很好的兼容。

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下，其中：

图1是本发明提供的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法的流程图；

图2(a-b)-图11(a-b)是自对准制备与光刻分辨率无关的水平相变存储器器件的结构示意图，其中各图b是各图a的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1，结合参阅图2至图11所示，本发明提供一种与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，该方法包括：

步骤1：在衬底100上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层101，在该电热绝缘材料层101上淀积相变材料层102，其中衬底100的材料为硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅、砷化镓或玻璃等现有的以及以后出现的衬底材料。所述电热绝缘材料层101的材料是氮氧化合物、氮化物或氧化物，或者是这几种化合物构成的混合物，所述电热绝缘材料层101是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种或者几种制备；所述相变材料层102的材料是GeSbTe系列合金、Sb₂Te₃、GeTeAsSi、GeTe、GeTeAs、GeTeBi、InTe、AsSbTe、SeSbTe、GeSbTeN、GeSbTeSn、AgInSbTe、GeSbTeO、AsTeAg、AuInTe，所述相变材料层102是通过溅射法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法或原子层淀积法中的一种或者几种制备；所述牺牲层材料层103可以是光刻胶、多晶硅、硅的氧化物、氮化物或者是其它容易腐蚀的材料，所述牺牲层材料层103溅射法、蒸发法、化学气相淀积、等离子体辅助淀积法、金属有机物热分解法或激光辅助淀积法中的一种或几种制备；

步骤2：在牺牲材料层103上光刻，通过光刻胶掩膜干法刻蚀，形成水平尺寸微米量级和厚度在1-102nm的牺牲材料台阶。该步骤中光刻胶要抗刻蚀，胶边整齐，无明显毛刺状突起。对于刻蚀出的牺牲层台阶要求侧面陡直、光滑，无底部钻蚀，以便于侧墙材料爬坡并保形覆盖样品表面的结构；

步骤3：侧墙材料层104可以是金属、合金、Si的氧化物、氮化物等可腐蚀材料，通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、原子层淀积法、金属有机物热分解法等方法中的一种或者几种制备。牺牲层材料103、侧墙材料104等辅助性材料与功能性材料(电热绝缘材料层101、相变材料层102、电极材料层105)要有足够高的干法刻蚀和湿法腐蚀选择比，以保证针对辅助性材料的工艺处理对功能性材料的影响足够小；

步骤4：干法回刻侧墙材料层104，去除牺牲材料层103及电热绝缘材料层101上表面的侧墙材料层104，形成高和宽均为纳米尺度的侧墙。干法刻蚀出的侧墙须陡直光滑，以便于电极材料的爬坡以及在侧墙底部与相变材料的良好接触。由于侧墙的厚度是通过干法刻蚀的时间控制的，延长干法刻蚀的时间可以减薄侧墙，但同时也会刻蚀掉侧墙一侧的相变材料层，因此，关键是要找到一个干法刻蚀的时间平衡点，使得干法刻蚀既要保证侧墙刻蚀的陡直光滑，又要保证相变材料不被过度刻蚀损耗；

步骤5：湿法腐蚀去除牺牲材料层103，同时最大限度地保留纳米尺度的侧墙材料层104；

步骤6：用侧墙材料层104作掩膜，干法刻蚀相变材料层102，形成相变材料的纳米线。由于该步骤中层间应力会影响到整体纳米级叠层结构的机械稳定性，因此，样片的清洗过程中应该避免使用大剂量氮气吹干表面、超声振动清洗等能量较大的物理清洗方式；

步骤7：通过光刻或电子束曝光+薄膜淀积+超声-剥离，在侧墙材料层104的一条边上，制备一条抗腐蚀的电极材料层105，横向跨置由牺牲材料层103和侧墙材料层104构造的纵向叠层纳米线结构。其中电极材料层105可以是钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜、铂、氮化钨或它们的合金，通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法、金属有机物热分解法中的一种或者几种制备；

步骤8：湿法腐蚀去除侧墙材料层104；

步骤9：通过金属电极材料层105掩膜，干法刻蚀去除电极材料层105下方以外的相变材料层102；

步骤10：剥离，形成相变材料层102(量子点)全限制在电极材料层105(纳米线)间的结构，钝化并引出测试电极，完成器件的制备。

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包含范围之内。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

1.一种与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，该方法包括：

步骤3：在相变材料层裸露的上表面和牺牲材料层裸露的上表面和侧面，淀积侧墙材料层保形覆盖样品上表面；

步骤4：干法回刻侧墙材料层，去除牺牲材料层及相变材料层上表面的侧墙材料层，形成高和宽均为纳米尺度的侧墙；

步骤7：通过光刻+薄膜淀积+超声-剥离，在侧墙材料层的一条边上，制备一条抗腐蚀的电极材料层，横向跨置由相变材料层和侧墙材料层构造的纵向叠层纳米线结构；

步骤8：湿法腐蚀去除侧墙材料层；

步骤9：以电极材料层为掩膜，干法刻蚀去除电极材料层下方以外的相变材料层；

2.根据权利要求1所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中衬底的材料为硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅、砷化镓或者玻璃。

3.根据权利要求1所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中电热绝缘材料层是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法或热氧化法中的一种或者几种制备。

4.根据权利要求1所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中相变材料层是GeSbTe系列合金、Sb₂Te₃、GeTeAsSi、GeTe、GeTeAs、GeTeBi、InTe、AsSbTe、SeSbTe、GeSbTeN、GeSbTeSn、AgInSbTe、GeSbTeO、AsTeAg或AuInTe。

5.根据权利要求4所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中相变材料层是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法或热氧化法中的一种或者几种制备。

6.根据权利要求1所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中牺牲材料层是光刻胶、Si的氧化物或氮化物。

7.根据权利要求6所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中牺牲材料层是通过旋涂法、化学气相淀积法或原子层沉积法中的一种或者几种制备。

8.根据权利要求1所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中侧墙材料层是金属、合金、Si的氧化物、氮化物或多晶硅。

9.根据权利要求8所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中侧墙材料层是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法或热氧化法中的一种或者几种制备。

10.根据权利要求1所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中电极材料层是钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜、铂、氮化钨或它们的合金。

11.根据权利要求10所述的与光刻分辨率无关的水平相变存储器的制备方法，其中电极材料层是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种或者几种制备。