一種納米尺寸相變存儲器的製作方法
2023-11-04 04:16:32 1
專利名稱：一種納米尺寸相變存儲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子技術領域,特別涉及一種納米尺寸相變存儲器的製作方法,採 用兩步側牆工藝來製備用來填充相變材料的金屬NAN0GAP和相變材料納米條。
背景技術：
相變隨機存儲器(Phase Change-Random Access Memory, PC-RAM)技術是基於
S. R. Ovshinsky在1968年提出的利用硫系化合物薄膜相變時具有明顯的電阻差異而具有
存儲效應建立起來的。相變存儲器具有高速讀取、高可擦寫次數、非易失性、功耗低、成本
低、可多級存儲、抗強震動和抗輻照等優點，被國際半導體工業協會認為是最有可能取代目
前的快閃記憶體存儲器，而成為未來存儲器的主流產品和最先成為商用產品的器件。 相變存儲器自誕生以來已經有很多人對它進行了研究，例如0vonyx、 Inte 1 、
Samsung、 STMicroelectronics、 Hitachi等，並且具備了良好的性能。但是，隨著半導體行
業的高速發展，存儲器的集成密度隨著摩爾定律提高。要想使相變存儲器能夠在今天的存
儲器市場上嶄露頭角，必須具有很高的集成密度。而且,flash存儲器在小尺寸化方面很難
突破45nm，相變存儲器在小尺寸化方面卻有著較小的限制。因此，製備小尺寸的尤其是納米
尺度的相變存儲器，成為當前研究的重要內容。 目前，獲得小尺寸的方法，主要有電子束曝光(EBL)、聚焦離子束曝光(FIB)等，但 是他們的成本過於高昂。為了尋找簡單而低成本的製備小尺寸的納米尺寸的相變存儲器的 方法，我們提出本發明構思。
發明內容
(一)要解決的技術問題 本發明的主要目的在於提供一種納米尺寸相變存儲器的製作方法，以尋找一種納 米尺寸的相變存儲單元的製作方法，避免使用電子束曝光的成本高、周期長的缺陷，只採用 光刻和兩步側牆工藝，便製備出納米尺寸的相變存儲器，突破光刻解析度限制及提高器件 製備效率。
( 二 )技術方案 為達到上述目的,本發明提供了一種納米尺寸相變存儲器的製作方法，該方法包 括 a、在襯底上生長一層電熱絕緣材料； b、在該電熱絕緣材料上，製備一個光刻膠臺面作為第一個側牆基底，然後澱積側 牆材料，並採用幹法刻蝕回刻出側牆,去除側牆基底，形成第一個側牆； c、在該第一個側牆上採用剝離工藝澱積一層金屬條,使金屬條搭在第一個側牆身 上,再採用溼法腐蝕去除第--個側牆，同時將第--個側牆上的金屬剝離，形成納米尺寸的金 屬NAN0GAP ; d、在該金屬條之上製作第二個側牆基底，然後澱積相變材料及其保護層,用幹法刻蝕回刻出帶有保護層的第二個側牆； e、澱積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，形成相變存儲器。
上述方案中，步驟a中所述在襯底上生長一層電熱絕緣材料是採用濺射法、蒸發 法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法和熱氧 化方法中的一種實現的。 上述方案中，步驟a中所述襯底是半導體材料襯底，或者是絕緣材料襯底。所述半 導體材料襯底是矽片或SOI,所述絕緣材料襯底是Si02或玻璃。 上述方案中，步驟a中所述電熱絕緣材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化 物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合物中的任--種。 上述方案中，步驟b中所述第一個側牆採用幹法刻蝕反刻製備，澱積的側牆材料 是多晶矽、氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混 合物中的任一種，澱積的側牆材料的厚度為10 500nm。 上述方案中，步驟b中所述去除側牆基底採用丙酮或piranha溶液去除。 上述方案中，步驟d中所述第二個側牆基底，其-一個或多個邊緣橫跨在金屬 NANOGAP上，該邊緣的長度大於或等於金屬NANOGAP的寬度。 上述方案中，步驟d中所述第二個側牆基底採用電熱絕緣材料，該電熱絕緣材料 是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合物中 的任一種。 上述方案中，步驟d中所述第二個側牆基底是採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助 澱積法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法或熱氧化方法中的一種制 備的，該第二個側牆基底的厚度為100 l體。 上述方案中，步驟d中所述第二個側牆由內部的相變層和外部的保護層構成，相 變層的厚度為10 500nm，保護層的厚度為10 500nm。 上述方案中，所述第二個側牆的相變層是採用濺射法、等離子體輔助澱積法、化 學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法中的一種製備的，相變層材料採用 Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、GeiSb2Te4、Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相變材料中的一種；所述第 二個側牆的保護層是採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有 機物熱分解法、雷射輔助澱積法、熱氧化方法中的一種製備的,保護層材料採用電熱絕緣， 該電熱絕緣材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種 構成的混合物中的任一種。
(三)有益效果 本發明提供的這種納米尺寸相變存儲器的製作方法，採用薄膜工藝、光刻剝離工
5藝、溼法腐蝕工藝和兩步側牆工藝製備了納米尺寸的相變存儲器器件單元，而且還採用光 刻膠作為製作側牆的側牆基底材料，去除側牆基底時，對側牆沒有任何的影響，有利於形成 厚度更小的側牆，提高器件的集成度。這種器件單元製備方法的特點在於器件結構簡單, 製備方便,器件單元尺寸小，避免了使用電子束曝光(EBL)，聚焦離子束曝光(FIB)等技術, 大大降低了成本，集成度大幅度的提高。
圖1是本發明提供的製作納米尺寸相變存儲器的方法流程圖； 圖2是依照本發明實施例在澱積有電熱絕緣層的襯底材料上製作第一個側牆基
底的示意圖，其中圖2(a)是剖視圖，圖2(b)是俯視圖； 圖3是依照本發明實施例澱積第一個側牆材料的示意圖，其中圖3(a)是剖視圖， 圖3(b)是俯視圖； 圖4是依照本發明實施例回刻形成第 -個側牆的示意圖，其中圖4(a)是剖視圖， 圖4(b)是俯視圖; 圖5是依照本發明實施例去掉第一個側牆基底的示意圖，其中圖5(a)是剖視圖， 圖5(b)是俯視圖; 圖6是依照本發明實施例採用光學光刻和剝離工藝在第一個側牆的一條邊上形 成金屬條的示意圖，其中圖6(a)是剖視圖，圖6(b)是俯視圖； 圖7是依照本發明實施例澱積金屬條並剝離金屬，形成金屬NAN0GAP的示意圖，其 中圖7(a)是剖視圖，圖7(b)是俯視圖； 圖8是依照本發明實施例製作第二個側牆基底的示意圖，其中圖8(a)是剖視圖， 圖8(b)是俯視圖; 圖9是依照本發明實施例澱積相變材料和保護層後回刻形成第二個側牆的示意 圖，其中圖9(a)是剖視圖，圖9(b)是俯視圖； 圖IO是依照本發明實施例鈍化開孔的示意圖，其中圖10(a)是剖視圖，圖10(b) 是俯視圖； 圖ll是依照本發明實施例引出電極的示意圖，其中圖ll(a)是剖視圖，圖ll(b) 是俯視圖； 其中，101襯底102電熱絕緣材料103第一個側牆基底(光刻膠基底)104第一個 側牆105金屬條106第二個側牆基底107相變材料108保護層109鈍化層110引線孔111 金屬連線
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。 本發明提供的製作納米尺寸相變存儲器的方法，首先在矽襯底上澱積一層抗腐 蝕性很強的電熱絕緣材料,然後利用側牆工藝在該材料表面製備出一個納米尺寸的金屬 NANOGAP，最後再一次利用側牆工藝製備出一條納米尺寸的相變材料，納米相變條填充在金 屬NAN0GAP中。鈍化開孔引出電極,最後製備出納米尺寸的相變存儲器件。
如圖1所示，圖1是本發明提供的製作納米尺寸相變存儲器的方法流程圖，該方法 包括 步驟1 、在襯底上生長一層電熱絕緣材料； 步驟2、在該電熱絕緣材料上,製備一個光刻膠臺面作為第一個側牆基底，然後澱 積側牆材料，並採用幹法刻蝕回刻出側牆，去除側牆基底，形成第-一個側牆；
歩驟3、在該第一個側牆上採用剝離工藝澱積一層金屬條，使金屬條搭在第一個側 牆身上，再採用溼法腐蝕去除第一個側牆，同時將第一個側牆上的金屬剝離，形成納米尺寸 的金屬NANGA:P ; 步驟4、在該金屬條之上製作第二個側牆基底，然後澱積相變材料及其保護層，用 千法刻蝕回刻出帶有保護層的第二個側牆； 步驟5、澱積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，形成相變存儲 器。
上述步驟1至步驟5的詳細工藝可以進一步參考以下具體製備過程 (1)清洗襯底，襯底為半導體材料，絕緣材料中的一種，如矽片、玻璃、Si02、 SOI等
中任意一種； (2)在襯底上採用薄膜製備工藝,如濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣 相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法、熱氧化等中的-一種製備電熱絕緣層，絕 緣層材料為氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混 合物中的一種； (3)在所述電熱絕緣材料上，製作第一個側牆基底，所用的方法是用直接一步光刻 顯影形成用膠做成的側牆基底；基底材料光刻膠。
(4)然後澱積側牆材料，用千法刻蝕回刻出側牆，側牆材料可以是多晶矽、氧化物， 氮化物、硫化物,或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合物中的一種；
(5)用溼法腐蝕去除第一個側牆基底,形成第一個側牆；所用的腐蝕劑可以是丙 酮等有機溶劑或piranha溶液； (6)在所述側牆上面用剝離工藝澱積一層金屬條，使金屬條搭在側牆身....匕並與側 牆垂直，再用溼法腐蝕去除側牆同時將側牆身上的金屬剝離，形成納米尺寸金屬NAN0GAP ; 金屬可以是鎢、鉬、金、鈦、銀、銅等中的一種，腐蝕劑可以是氫氟酸、EI)P、 HM或KH溶液中 的一種。 (7)在所述的金屬條之上製作第二個側牆基底，使該基底的一個或多個邊緣橫跨 在金屬NAN0GAP上,所用的方法是光刻幹法刻蝕工藝。第二個側牆基底的材料可以是氧化 物,氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合物中的一種。
(8)然後澱積相變材料及其保護層,用幹法刻蝕回刻出帶有保護層的第二個側牆； 相變材料可以是Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3、 Ge:lSb2Te4、 Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相變材料 中的一種；保護層可以是氧化物，氮化物、硫化物,或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少 兩種構成的混合物中的一種。 (9)澱積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極,構成相變存儲器。鈍 化層可以是氧化物或氮化物中的一種。 本發明提供的製作納米尺寸相變存儲器的方法，基於側牆方法實現NAN0GAP以及相變材料GST的側牆方法，將二者改進、結合起來並將其應用於平面PCRAM器件製備，從而 突破光刻解析度限制並使提高器件製備效率。以下為具體實施例。
實施例1 2、採用薄膜製備工藝，在襯底上製備電熱絕緣層氮化矽； 3、在電熱絕緣層氮化矽上用光刻顯影的方法製備由光刻膠形成的第一個側牆基 底圖形，如圖2所示。 4、用濺射法澱積第一個側牆材料二氧化矽，如圖3所示；然後幹法回刻形成第一 個側牆。如圖4所示。 5、用丙酮等有機溶劑或piranha溶液去除側牆基底(它們基本不腐蝕電熱絕緣材 料和第一個側牆)，如圖5所示。 6、採用光學光刻和剝離工藝在第一個側牆的一條邊上形成鎢的金屬條，如圖6所 示。然後再用氫氟酸將側牆漂去，與此同時，附著在側牆上的金屬也被剝離掉，從而形成金 屬的NAN0GAP，如圖7所示。 7、澱積相變材料的側牆基底,然後通過光學光刻和幹法刻蝕形成其側牆基底,如 圖8所示。 8、澱積相變材料及其保護層,通過幹法回刻形成帶有保護層的相變材料側牆,如 圖9所示。 9、澱積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔,如圖10所示；引出電極，製成水 平結構的相變存儲器。如圖11所示。
實施例2 具體歩驟和條件同實施例l，不同之處在於採用多晶矽作為第一個側牆，其腐蝕液 為EDP、HNA或K0H溶液。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，該方法包括a、在襯底上生長一層電熱絕緣材料；b、在該電熱絕緣材料上，製備一個光刻膠臺面作為第一個側牆基底，然後澱積側牆材料，並採用幹法刻蝕回刻出側牆，去除側牆基底，形成第一個側牆；c、在該第一個側牆上採用剝離工藝澱積一層金屬條，使金屬條搭在第一個側牆身上，再採用溼法腐蝕去除第一個側牆，同時將第一個側牆上的金屬剝離，形成納米尺寸的金屬NANOGAP；d、在該金屬條之上製作第二個側牆基底，然後澱積相變材料及其保護層，用幹法刻蝕回刻出帶有保護層的第二個側牆；e、澱積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，形成相變存儲器。
2. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟a中所述 在襯底上生長一層電熱絕緣材料是採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱 積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法和熱氧化方法中的一種實現的。
3. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟a中所述 襯底是半導體材料襯底，或者是絕緣材料襯底。
4. 根據權利要求3所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法,其特徵在於，所述半導體 材料襯底是矽片或SI，所述絕緣材料襯底是Si2或玻璃。
5. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟a中所述 電熱絕緣材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構 成的混合物中的任一種。
6. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟b中所述 作為第一個側牆基底的光刻膠臺面是採用光刻顯影的方法製備的，顯影液採用有機溶劑， 臺面的厚度為100nm 1000nm。
7. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於,步驟b中所述 第一個側牆採用幹法刻蝕反刻製備，澱積的側牆材料是多晶矽、氧化物、氮化物、硫化物或 者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合物中的任一種，澱積的側牆材料的 厚度為10 500nm。
8. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於,步驟b中所述 去除側牆基底採用丙酮或piranha溶液去除。
9. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟c中所述 金屬條採用光刻剝離工藝製備的，金屬條採用鎢、鉬、金、鈦、銀和銅中的任一種金屬。
10. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於,步驟c中所 述金屬NANGA:P是採用溼法腐蝕的方法將側牆腐蝕掉同時將側牆身上的金屬剝離而形成 的，金屬NANOGAP的寬度為10 500nm，腐蝕劑採用氫氟酸、EDP、 HNA或KOH溶液。
11. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，歩驟d中所 述第二個側牆基底,其一個或多個邊緣橫跨在金屬NAN0GAP上，該邊緣的長度大於或等於 金屬NANGAP的寬度。
12. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟d中所 述第二個側牆基底採用電熱絕緣材料，該電熱絕緣材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合物中的任--種。
13. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟d中所 述第二個側牆基底是採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有 機物熱分解法、雷射輔助澱積法或熱氧化方法中的一種製備的，該第二個側牆基底的厚度 為100 1000nm。
14. 根據權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，歩驟d中所 述第二個側牆由內部的相變層和外部的保護層構成，相變層的厚度為10 5 00nm，保護層 的厚度為l 5亂
15. 根據權利要求14所述的納米尺寸相變存儲器的製作方法，其特徵在於，所述第 二個側牆的相變層是採用濺射法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱 分解法、雷射輔助澱積法中的一種製備的，相變層材料採用Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3、 GeiSb2Te4、 Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相變材料中的一種；所述第二個側牆的保護層是採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積 法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法、熱氧化方法中的一種製備的，保護層材料採用 電熱絕緣,該電熱絕緣材料是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的 至少兩種構成的混合物中的任一種。
全文摘要
本發明公開了一種納米尺寸相變存儲器的製作方法，首先在矽襯底上澱積一層抗腐蝕性很強的電熱絕緣材料，然後利用側牆工藝在該材料表面製備出一個納米尺寸的金屬NANOGAP，最後再一次利用側牆工藝製備出一條納米尺寸的相變材料，納米相變條填充在金屬隙縫中，鈍化開孔引出電極，最後製備出了納米尺寸的相變存儲器件。本發明不僅避免了使用電子束曝光的成本高、周期長的缺陷，只採用光刻和兩步側牆工藝，便製備出了納米尺寸的相變存儲器，在突破光刻解析度限制及提高器件製備效率等方面具有很大的優越性；而且還避免了澱積和幹法刻蝕側牆基底的工藝，具有很大的優越性。
文檔編號H01L45/00GK101764196SQ20081024093
公開日2010年6月30日 申請日期2008年12月24日 優先權日2008年12月24日
發明者張加勇, 楊富華, 王曉東, 王曉峰, 田曉麗 申請人:中國科學院半導體研究所