CN1808706A

CN1808706A - 一种制备相变存储器纳米加热电极的方法

Info

Publication number: CN1808706A
Application number: CN 200510111118
Authority: CN
Inventors: 吴良才; 宋志棠; 刘波; 封松林; 陈邦明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: CN100423231C

Abstract

本发明涉及一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，首先通过微纳加工技术，在SiO₂衬底上制备较大尺寸的孔洞，接着利用常规的CVD技术的良好台阶覆盖性能在该孔洞中和孔洞侧壁上淀积一层几个纳米厚的加热金属层，在孔洞里填充介质层，最后进行化学机械抛光，抛去孔洞上端的介质材料和加热电极材料，从而形成环状纳米加热电极。本发明避免了纳米小孔中填充电极材料、相变材料的困难，利用较大的环状纳米加热电极实现具有同样面积的小孔洞柱状加热电极的效果。不仅仅适用于解决相变存储器纳米加热电极问题，同样适用于其它电子器件特别是纳电子器件所需的纳米加热电极的制备，具有很大的应用价值。

Description

一种制备相变存储器纳米加热电极的方法

技术领域

本发明涉及一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，具体地说是一种通过制备环状纳米加热电极，从而避免纳米小孔填充材料难的问题，达到纳米填充同样的加热效果。属于微电子学中纳米材料的制备工艺与电学表征领域。

技术背景

在目前的新型存储技术中，基于硫系半导体材料的相变存储器(chalcogenide based RAM，C-RAM)具有成本低，速度快，存储密度高，制造简单且与当前的CMOS(互补金属-氧化物-半导体)集成电路工艺兼容性好的突出优点，受到世界范围的广泛关注。此外，C-RAM具有抗辐照(抗总剂量的能力大于1Mrad(Si))、耐高低温(-55-125℃)、抗强振动、抗电子干扰等性能，在国防和航空航天领域有重要的应用前景。自2003年起，国际半导体工业协会一直认为相变存储器最有可能取代目前的SRAM(静态随机存取存储器)、DRAM(动态随机存取存储器)和FLASH存储器(闪速存储器)等当今主流产品而成为未来存储器主流产品的下一代半导体存储器件，最近美国空间理事会发表申明：认为：C-RAM技术是高安全高可靠计算机芯片材料的突破，该存储技术的研究为战用计算机芯片提供前所未有的保障，该技术可能会引发计算机的一次革命性的变革。

目前国际上主要的电子和半导体公司都在致力于C-RAM的研制。主要研究单位有Ovonyx、Intel、Samsung、IBM、Bayer、ST Micron、AMD、Panasonic、Sony、Philips、British Areospace、Hitachi和Macronix等。2005年5月份，美国IBM、德国英飞凌科技、台湾旺宏电子(Macronix International)宣布联合研究开发相变存储器，派遣20～25名技术人员专门参与此项研究。3家公司分别提供各自擅长的技术进行研究，具体来说，就是将把IBM拥有的有关材料以及物理特性的基础研究能力，英飞凌拥有的各种内存产品的研究、开发和量产技术能力，以及旺宏电子的非挥发性内存技术能力集成到这项研究中。

针对目前C-RAM快速发展的现状，要想尽快实现其实用化、产业化，达到“更快、更小、更冷”的目标，C-RAM器件尺寸必需进一步缩小，器件中相变材料发生相变区域的尺寸和加热电极尺寸进一步缩小，达到深亚微米以致纳米量级，从而降低硫系材料发生相变所需的电流/电压，降低相变存储器单元的功耗。

目前制备相变存储器加热电极的方法多般是利用各种刻蚀的方法制备出小孔洞，然后填充相变材料或者电极材料。例如利用聚焦离子束刻蚀技术在介质层上制备出纳米小孔，然后用磁控溅射W的方法在小孔中填充加热电极材料(如W、Pt等)，再经过抛光形成纳米电极。但是当小孔的直径在200nm以下时，在其中填充W或其它加热材料比较困难，W等材料往往只是堆积在孔口，很难进入孔中，孔内存在有很多空洞，导致接触不良甚至断路。此外，利用聚焦离子束刻蚀技术打孔效率比较低，费用比较高。本发明就是针对随着相变存储器体积的不断减小，如何实现减小纳米加热电极面积以及增加电极的可靠性问题而提出的一种简单、实用的新方法。

发明内容

本发明提供一种制备相变存储器纳米加热电极的方法。针对目前纳米孔洞填充金属材料(W、Pt)等的困难，提出的一种制备环状纳米加热电极的方法。首先通过微纳加工技术，在长有SiO₂或其它介质的衬底上制备较大尺寸的孔洞，接着利用通常的CVD技术在该孔洞中淀积一层几个纳米的加热金属层(W、Pt等具有一定电阻率的金属材料)，然后再在孔洞里填充介质层，最后进行化学机械抛光(CMP)，从而形成一个个的环状纳米电极。本发明是利用较大直径的环状加热电极实现具有同样面积的较小直径的柱状加热电极的效果，避免了小尺寸纳米孔洞的填充电极材料的困难，同时本发明不仅仅适用于解决相变存储器纳米加热电极问题，同样适用于其它电子器件特别是纳电子器件所需的纳米加热电极的制备，具有很大的实用价值。本发明的主要工艺步骤如下：

(a)利用高真空磁控溅射方法在Si衬底或其它衬底上淀积一层底电极，在底电极上原位溅射生长50nm-500nm厚的SiO₂或SiN_x介质层；

(b)在上述介质层上利用电子束刻蚀技术或其它刻蚀技术制备纳米孔洞阵列，孔洞的直径在300nm-600nm，孔洞的底部与底电极相连；

(c)利用CVD技术在步骤(b)制出的小孔内淀积厚度10nm左右的加热电极材料为金属W或Pt，沉积时使用的反应气体为WF₆、SiH₄和H₂的混合气体，三种气体的体积比为2∶1∶1；

(d)在淀积了金属的小孔内填充SiO₂、SiN_x等介质材料，填满整个孔洞；

(e)采用化学机械抛光(CMP)技术，将小孔外的介质材料(SiO₂或SiN_x等)和金属材料(W)去除，得到环状纳米电极阵列，环状纳米电极的外径与内径之差为10nm-20nm；

(f)在上述带有环状纳米电极阵列的衬底上制备相变材料、绝热材料和上电极材料，通过剥离或者刻蚀的方法形成相变存储器器件单元阵列；

(g)将上述具有环状纳米加热电极的相变存储器器件单元连接到电学测量系统中，进行相变存储器器件单元的写、擦、读操作，研究其存储特性和疲劳特性，研究其电流-电压(I-V)特性、电阻-点流(R-I)特性、电流-时间(I-t)特性等，相变电流小于0.1mA，相变前后阻值相差一个量级以上。

所述的衬底材料无限制，可以是常用的Si片，GaAs等半导体材料，也可以是石英玻璃，陶瓷基片等介质材料或金属材料。

所述的底电极不受限制，可以是铝、铜等常用的导体材料，其厚度为200-400nm。

所述的介质材料为常用的SiO₂、SiN_x等材料，厚度50nm-500nm。

所述的介质层上的孔洞可以用电子束光刻法、聚焦离子束刻蚀法、电子束曝光和反应离子刻蚀法等方法获得。

所述的加热电极的材料为W、Pt等具有一定电阻率的材料，甚至可以再在W、Pt等上沉积一层几个纳米厚的高电阻率的加热材料如TiW、TiAlN等，从而提高加热效果，降低操作电流。

所述的化学机械抛光(CMP)后得到的环状纳米电极的表面平整度很高，甚至可以达到纳米级，不影响后续的长膜工艺。

所述的剥离方法是先在带有环状纳米电极的衬底表面涂敷一层光刻胶，然后通过阴光刻版曝光后露出环状纳米电极，其它地方有光刻胶，长完各层材料后用丙酮将光刻胶连同光刻胶上的材料一同去除，最后只剩下电极区域的相变材料、绝热材料和上电极，形成相变存储器器件单元阵列。

所述的刻蚀的方法是在带有环状纳米电极的衬底上长完相变材料、绝热材料和上电极后，通过甩胶、阳光刻版曝光后环状纳米电极区域被光刻胶保护起来，然后利用反应离子刻蚀或其它刻蚀方法去除环状纳米电极以外的材料，形成相变存储器器件单元。

所述环状纳米电极与相变材料的交叠面积可以在最小值和最大值之间变化，最小值为不交叠时的0，最大值为完全交叠时环状纳米电极本身的面积，从而相变所需的电流也随着交叠面积的变化而变化。

本发明提供了一种简单、实用的相变存储器纳米加热电极的制备方法，本发明同样适用于其它需要用到纳米电极的器件。

附图说明

图1孔洞内依次淀积和填充加热电极材料和介质材料的剖面结构示意图；

图2将图1所示的结构进行化学机械抛光(CMP)后得到的剖面结构示意图。

图3在抛光后带有环状纳米电极的衬底表面上溅射相变材料后的剖面结构示意图

图4经剥离或刻蚀相变材料后得到的结构示意图。

图5在图4的结构上覆盖一层绝热材料后的结构示意图。

图6刻除相变材料上的绝热材料，作为上电极的引线孔。

图7在孔内淀积电极材料，刻除孔以外的电极材料，从而得到相变存储器器件单元阵列。

图8相变材料和环状纳米电极只有部分交叠的相变存储器器件单元阵列。

图中1.介质层；2.底电极；3.绝热层；4.加热电极；5.相变材料；6.上电极。

具体实施方式

下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于所述的实施例。

实施例1：

(1)在Si衬底上热生长100nm厚的SiO₂或利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)制备100nm厚的SiN_x介质膜，然后在SiO₂或SiN_x上利用磁控溅射或蒸镀的方法制备一层80nm厚的Al膜作为底电极；

(2)利用PECVD或溅射的方法在底电极Al膜上制备300nm-500nm厚的SiO₂，PECVD制备SiO₂的源为TEOS(正硅酸乙酯)；

(3)在上述300nm-500nm厚SiO₂上利用电子束刻蚀技术制备纳米孔洞，孔洞底部与底电极相连，孔洞直径在300nm-600nm范围；(图1)

(4)利用CVD技术在孔洞里淀积W薄膜，反应源为WF₆、SiH₄和H₂三者按2∶1∶1；体积比的混合物，厚度约5-10nm；利用CVD或溅射方法在孔洞内填充Si0₂或SiN_x介质材料，直至孔洞填满；

(5)利用化学机械抛光技术(CMP)抛除孔洞以外区域的W、SiO₂或SiN_x介质材料；(图2)

(6)磁控溅射相变材料GeSbTe，厚度约80nm，本底真空为3×10^-6Torr，溅射真空为0.08Pa，功率100W；(图3)

(7)利用剥离和刻蚀技术制备出相变材料单元(图4)和上电极(图6)，从而得到相变存储器器件单元；(图7)

(8)将该相变存储器器件单元连接到电学测量系统中，进行相变存储器器件单元的写、擦、读操作，研究其存储特性和疲劳特性等。

实施例2：

在实施例1的第1步到第6步完成之后，利用剥离和刻蚀技术制备出相变材料和环状纳米电极只有部分交叠的相变存储器器件单元(图8)，这样的相变存储器器件单元的相变电流可以进一步减小。

实施例3：

将实施例1的衬底换成金属衬底，如Al、Au等，其它同实施例1的(2)-(8)步骤，可得到与实施例1类似的结果。

实施例4：

将实施例1的衬底换成陶瓷、石英或其它绝缘材料衬底，在其上溅射制备100nm厚的SiO₂或利用PECVD制备100nm厚的SiN_x介质膜，其它同实施例1，可得到与实施例1类似的结果。

实施例5：

在实施例1第4步利用CVD的方法淀积W薄膜以后，接着再制备一层几个纳米厚具有更高电阻率的加热材料如TiW、TiAlN等，然后再填充介质材料。其它步骤同实施例一。这样可以得到更好的加热效果，降低器件的操作电流。

Claims

1、一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于：

(a)在衬底上制备一金属层作为底电极，然后制备一层介质材料，最后利用微纳加工技术在介质层上制备孔洞阵列；孔洞的底部与底电极相连；

(b)在介质孔洞侧壁和底部制备一层加热电极材料；

(c)在上述制备完加热电极材料的孔洞里填充介质材料；

(d) 利用化学机械抛光抛除孔洞以外的介质材料和加热电极材料，从而在衬底上形成环状纳米电极阵列；

(e)在上述带有环状纳米电极阵列的衬底上制备相变材料、绝热材料和上电极材料，通过剥离或者刻蚀的方法形成相变存储器器件单元阵列。

2、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于所述的衬底材料无限制，是常用的Si片、GaAs半导体材料、石英玻璃、陶瓷基片中一种。

3、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于所述的底电极不受限制，是铝、铜通常的导体材料中一种，厚度为200-400nm。

4、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于介质材料为常用的SiO₂或SiNx材料，厚度50nm-500nm。

5、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于所述的介质层上的孔洞是用电子束光刻法、聚焦离子束刻蚀法、电子束曝光和反应离子刻蚀法中任意一种方法获得的，孔洞的直径为300-600nm。

6、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米电极的方法，其特征在于加热电极的材料为W或Pt；或在W或Pt上再沉积一层几个纳米厚的TiW或TiAlN，是用CVD方法沉积的，沉积时反应气体为WF₆、SH₄和H₂混合气体，三者体积比为2∶1∶1。

7、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米电极的方法，其特征在于化学机械抛光后得到的环状纳米电极的表面平整度达到纳米级，环状纳米电极的外经与内经之差为10nm-20nm。

8、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于所述的剥离方法是先在带有环状纳米电极的衬底表面涂敷一层光刻胶，然后通过阴光刻版曝光后露出环状纳米电极，其它地方有光刻胶，长完各层材料后用丙酮将光刻胶连同光刻胶上的材料一同去除，最后只剩下电极区域的相变材料、绝热材料和上电极，形成相变存储器器件单元阵列。

9、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于所述的刻蚀的方法是在带有环状纳米电极的衬底上长完相变材料、绝热材料和上电极后，通过甩胶、阳光刻版曝光后环状纳米电极区域被光刻胶保护起来，然后利用反应离子刻蚀或其它刻蚀方法去除环状纳米电极以外的材料，形成相变存储器器件单元阵列。

10、按权利要求1所述的一种制备相变存储器纳米加热电极的方法，其特征在于所述的环状纳米电极与相变材料的交叠面积是再最小值和最大值之间变化的，最小值为不交叠时的0，最大值为完全交叠时环状纳米电极本身的面积，从而相变所需的电流也随着交叠面积的变化而变化。