專利名稱：相變存儲器的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體技術領域，涉及一種存儲器的制備方法，尤其涉及一種相變存儲器的 制備方法。
背景技術：
相變隨機存儲器(PCRAM)與目前的動態(tài)隨機存儲器(DRAM) 、 W存(FLASH)相比 有明顯的優(yōu)勢其體積小，驅動電壓低，功耗小，讀寫速度快，非揮發(fā)。相變存儲器不僅是 非揮發(fā)性存儲器，而且有可能制成多機存儲，并實用于超低溫和高溫環(huán)境，抗輻照、抗震動， 因此不僅將被廣泛應用到日常的便攜電子產(chǎn)品，而且在航空航天的領域有巨大的潛在應用。 尤其，在便攜式電子產(chǎn)品中其高速、非揮發(fā)性正好彌補了閃存(FLASH)和鐵電存儲器 (FeRAM)的不足。Intel公司就曾預言相變存儲器將取代FLASH、 DRAM和靜態(tài)隨機存儲 器(SRAM)芯片將很快進入市場。國際半導體聯(lián)合會在2001年的路線圖中，同樣把相變存 儲器預測為可以最先實現(xiàn)商業(yè)化的存儲器之一。在這種情況下，研制相變隨機存儲單元器件 就顯得更加迫切，相變存儲單元器件在納米量級下，有利于可逆相變薄膜材料的快速相變， 同時有利于存儲器的集成度提高，低壓、低功耗和高速的性能。因此相變器件結構的納米量 級制備和電學，光學性能的研究顯得尤為重要。
為了在低壓、低功耗下實現(xiàn)快速相變，提高存儲速度，體現(xiàn)出比現(xiàn)存存儲技術更大的優(yōu) 越性，對相變薄膜材料制備相變存儲單元，制成二維或三維的納米尺度，與電極構成納米存 儲單元顯得尤為重要?，F(xiàn)在研究的較多的是縱向結構的單元器件，這種結構可以提高器件的 密度，但是這種結構中熱效率利用很低，只有不到1%的熱是真正用于相變的，其余的熱都擴 散于底電極與介質層中，其中擴散于底電極的熱量占70%左右。同時，現(xiàn)行制備技術的限制 很難將縱向器件單元的尺寸控制為100nm以下。2005年菲利浦公司提出了一種橫向結構的器 件，在這種結構中發(fā)生相變的機理與縱向結構中的相變有著較大的不同，其靠相變材料自身 的焦耳熱效應完成多晶與非晶之間的轉換，熱效率比縱向結構有很大的提高，可以達到15% 左右。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種相變存儲器的制備方法，利用該方法制備出的相變存儲器可降低熱量在電極中的損失，極大的提高了熱的利用率。 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案 一種相變存儲器的制備方法，包括如下步驟
A、 提供一硅片，在該硅片表面沉積一介質層；
B、 在所述介質層上沉積底層電極層；
C、 在所述底層電極層上制備設定厚度的SkO作為中間絕緣層；
D、 在所述絕緣層上制備通孔，而后填充鉤用以連通底層電極，形成鴇塞；
E、 在絕緣層上沉積一層設定厚度的TiN電極層；
F、 在所述TiN電極層上制備設定線寬的橫向電極對，同時與所述形成的鴇塞相連；
G、 形成橫向電極對后，沉積設定厚度的相變材料，利用電子束曝光及反應離子刻蝕形成 相變材料納米線與前述形成的電極對相連構成基本的存儲單元；
H、 沉積設定厚度的SkO層作為頂層絕緣層，使用紫外光刻以及反應離子刻蝕開孔填充
鎢，最后引出上層電極。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟A還包括清洗硅片的歩驟Al :將硅片放入第一清
洗液中煮沸1-10分鐘，冷卻，用去離子水沖洗0.5-5分鐘，然后氮氣吹干；所述第一清洗液
為氨水、雙氧水、去離子水；氨水、雙氧水、去離子水的比例為l: 2: 5。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟A還包括清洗硅片的步驟A2:將硅片放入第二清 洗液中煮沸1-10分鐘，冷卻，用去離子水沖洗0.5-5分鐘，然后氮氣吹干；所述第二清洗液 包括鹽酸、雙氧水、去離子水；鹽酸、雙氧水、去離子水的比例為l: 2: 5。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟A還包括去除表面水分的步驟A3:將硅片于100 'C-20(TC的烘箱中烘烤10分鐘-60分鐘去除表面的水分。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟A中，在硅片表面利用化學氣相沉積的方法制備 一層SixN介質層，其厚度為300nm 500nm;所述步驟B中，所述介質層沉積的底層電極層 自底向上依次為100nm-200nm的A1層、80nm-120nm的Ti層、30nm-80nm的TiN層；所 述步驟C中，中間絕緣層SixO的厚度為150nm-250nm;所述步驟E中，橫向TiN電極層的 厚度為40nm-80nm;步驟F中，所述相變材料的厚度為80nm-120nm;步驟G中，所述頂層 絕緣層的厚度為150mn-250nm;步驟H中，所述上層電極的厚度為150nm-250nm，其材料為 Al。
進一步地，所述介質層沉積的底層電極層自底向上依次為150nm的A1層、100nm的Ti 層、50nm的TiN層；所述中間絕緣層SixO的厚度為100nm;所述橫向TiN電極層的厚度為60nm;所述相變材料的厚度為lOOnm;所述頂層絕緣層的厚度為200nm;所述上層電極的厚 度為100nm。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟D中，將橫向電極與底層電極通過鎢塞連通，鉤 塞的制備利用紫外光刻結合反應離子刻蝕的方法，在制備鴇塞的同時將下次對準套刻用的標 記制作完成；鎢塞的直徑大小控制為240nm-280nm，鎢塞的填充方式為磁控濺射法。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟F制備TiN橫向電極時，需與上次制備完成的鵒 塞對準，確保形成的橫向電極與鎢塞相連；在轉移橫向電極的圖形應用形成的對準標記完成 與鎢塞的對準曝光，以保證設計圖形結構的連續(xù)性。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟G制備相變材料納米線結構時應用電子束曝光結 合反應離子刻蝕的方法；執(zhí)行電子束曝光時，首先利用前述形成的套刻標記進行對準，而后 調整掃描電子顯微鏡的狀態(tài)，使其達到最佳的圖形分辨率，最后進行曝光；圖形轉移使用反 應離子刻蝕完成。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟H中，在制備與頂層電極相連的鵒塞時，首先利 用剝離的方法在橫向電極對的一側電極上沉積150nm-250mn厚的鎢，此電極與頂層電極相連， 然后沉積與所述鎢相應厚度的SixO，利用紫外光刻結合反應離子刻蝕的方法去除媽塞上的 SixO。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟H中，利用紫外光刻結合反應離子刻蝕的方法引 出頂層電極；首先利用磁控濺射法沉積250rnn-350nm厚的鋁電極材料，之后利用紫外光刻形 成頂層電極圖形，最后反應離子刻蝕轉移圖形，形成完整的器件結構。
本發(fā)明的有益效果在T:本發(fā)明的制備方法適應了信息技術不斷發(fā)展的要求，制備出高 密度、低功耗的相變存儲器。本發(fā)明結合了縱向結構的高密度與橫向結構的低功耗，提出了 一種新型的器件結構，其相變材料部分完全被介質層所包裹。同時將相變材料與電極接觸的 面積減小到50nm以下，降低了熱量在電極中的損失，極大的提高了熱的利用率。同時，本發(fā) 明專利結合了縱向結構單元的高密度以及橫向結構單元的低功耗，有利于提高相變存儲器的 整體性能。


圖1為步驟2后相變存儲器的結構示意圖。 圖2為歩驟3后相變存儲器的結構示意圖。圖3A、圖3B為步驟4后相變存儲器的結構示意圖。 圖4A、圖4B為步驟5后相變存儲器的結構示意圖。 圖5A、圖5B為步驟6后相變存儲器的結構示意圖。 圖6為步驟7后相變存儲器的結構示意圖。 圖7為步驟8后相變存儲器的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
本發(fā)明揭示了一種相變存儲器的制備方法，包括如下步驟步驟1提供一硅片，并清洗該硅片。
將硅片放入第一清洗液中煮沸1-10分鐘(本實施例為5分鐘)，冷卻，用去離子水沖洗 0.5-5分鐘(本實施例為3分鐘)，然后氮氣吹干；所述第一清洗液為氨水、雙氧水、去離子水； 氨水、雙氧水、去離子水的比例為l: 2: 5。通過本過程可以去除硅表面的油污和大顆粒。
將硅片放入第二清洗液中煮沸1-10分鐘(本實施例為約5分鐘)，冷卻，用去離子水沖洗 0.5-5分鐘(本實施例為約3分鐘)，然后氮氣吹干；所述第二清洗液包括鹽酸、雙氧水、去離 子水；鹽酸、雙氧水、去離子水的比例為1: 2: 5。通過本過程可以去除硅片表面的金屬離子。
將硅片于100。C-20(TC的烘箱中烘烤10分鐘-60分鐘(本實施例為約30分鐘)去除表面 的水分。通過本過程可以去除表面的水分。步驟2制備底層介質層。
請參閱圖1，圖1揭示了制備底層介質層后相變存儲器的結構示意圖。利用化學氣相沉積 的方法在前述處理干凈的硅片上沉積一層厚度為300~500nm的SixN (如圖1所示)。步驟3制備底層電極。
請參閱圖2，圖2揭示了制備底層電極后相變存儲器的結構示意圖。利用磁控濺射的方法 在所述介質層上形成底層電極Al/Ti/TiN,底層電極自底向上依次為Al層、Ti層、TiN層；本 實施例中，其相應的厚度控制為150nm/100nm/50nm (如圖2所示)。步驟4制備中間絕緣層及連通底層電極的鎢塞。
請參閱圖3，圖3揭示了制備中間絕緣層及連通底層電極的鎢塞后相變存儲器的結構示意 圖。在所述底層電極層上制備設定厚度的SixO作為中間絕緣層，中間絕緣層SixO的厚度控 制為200nm左右。鎢塞的制備利用紫外光刻結合反應離子刻蝕的方法，在制備鉤塞的同時將下次對準套刻用的標記制作完成；鎢塞的直徑大小控制為260nm左右，鎢塞的填充方式為磁 控濺射法(如圖3所示)。
步驟5制備橫向電極對。
請參閱圖4，圖4揭示了制備橫向電極后相變存儲器的結構示意圖。首先利用磁控濺射的 方法沉積約60nm的TiN，而后利用電子束曝光結合反應離子刻蝕形成橫向電極結構。在所述 TiN電極層上制備設定線寬的橫向電極對，同時使其與所述步驟4中形成的鎢塞相連(如圖4 所示)。
此外，制備TiN橫向電極時，需與上次制備完成的鎢塞對準，確保形成的橫向電極與鎢 塞相連；在轉移橫向電極的圖形應用形成的對準標記完成與鎢塞的對準曝光，以保證設計圖 形結構的連續(xù)性。
步驟6制備相變納米線。
請參閱圖5，圖5揭示了制備相變納米線的鎢塞后相變存儲器的結構示意圖。利用磁控濺 射的方法沉積一層厚度約60nm的相變材料，之后執(zhí)行電子束曝光形成需要轉移的圖形結構， 利用反應離子刻蝕轉移圖形結構，從而形成相變材料納米線與歩驟5形成的電極對相連構成 基本的存儲單元(如圖5所示)。
步驟7制備連通頂層電極的鎢塞。
請參閱圖6，圖6揭示了制備連通頂層電極的鎢塞后相變存儲器的結構示意圖。利用剝離 的方法在橫向電極對的一側電極上(此電極與頂層電極相連)沉積約200nm厚的鎢，然后沉 積約200nm厚的SixO，利用紫外光刻結合反應離子刻蝕的方法去除鎢塞上的SixO (如圖6 所示)。
制備相變材料納米線結構時應用電子束曝光結合反應離子刻蝕的方法；執(zhí)行電子束曝光 時，首先利用前述形成的套刻標記進行對準，而后調整掃描電子顯微鏡的狀態(tài)，使其達到最 佳的圖形分辨率，最后進行曝光；圖形轉移使用反應離子刻蝕完成。步驟8制備頂層電極。
請參閱圖7，圖7揭示了制備頂層電極后相變存儲器的結構示意圖。利用紫外光刻結合反 應離子刻蝕的方法引出頂層電極。首先利用磁控濺射法沉積約300nm厚的鋁電極材料，之后 利用紫外光刻形成頂層電極圖形，最后反應離子刻蝕轉移圖形，形成完整的器件結構(如圖7 所示)。
本發(fā)明的制備方法適應了信息技術不斷發(fā)展的要求，制備出高密度、低功耗的相變存儲 器。本發(fā)明結合了縱向結構的高密度與橫向結構的低功耗，提出了一種新型的器件結構，其相變材料部分完全被介質層所包裹。同時將相變材料與電極接觸的面積減小到50nm以下，降
低了熱量在電極中的損失，極大的提高了熱的利用率。同時，本發(fā)明專利結合了縱向結構單 元的高密度以及橫向結構單元的低功耗，有利于提高相變存儲器的整體性能。
這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這 里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替 換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本 質特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、材料和部 件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其他變形 和改變。
如，步驟A中，SixN介質層的厚度可以為300nm 500nm之間的任意厚度；步驟B中， 底層電極層中A1層、Ti層、TiN層的厚度可以分別為100nm-200nm、 80 nm-120nm、 30 nm -80nm;步驟C中，中間絕緣層SixO的厚度可以為150nm-250nm之間；步驟E中，橫向TiN 電極層的厚度可為40nm-80nm之間；步驟F中，相變材料的厚度可為80nm-120nm之間；步 驟G中，頂層絕緣層的厚度可為150ran-250nm之間*,步驟H中，上層電極的厚度為可為 150nm-250nm之間，其材料還可以為除Al之外的其他材料。
權利要求
1、一種相變存儲器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟A、提供一硅片，在該硅片表面沉積一介質層；B、在所述介質層上沉積底層電極層；C、在所述底層電極層上制備設定厚度的SixO作為中間絕緣層；D、在所述絕緣層上制備通孔，而后填充鎢用以連通底層電極，形成鎢塞；E、在絕緣層上沉積一層設定厚度的TiN電極層；F、在所述TiN電極層上制備設定線寬的橫向電極對，同時與所述形成的鎢塞相連；G、形成橫向電極對后，沉積設定厚度的相變材料，利用電子束曝光及反應離子刻蝕形成相變材料納米線與前述形成的電極對相連構成基本的存儲單元；H、沉積設定厚度的SixO層作為頂層絕緣層，使用紫外光刻以及反應離子刻蝕開孔填充鎢，最后引出上層電極。
2、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟A還包括清洗硅片的步驟Al:將硅片放入第一清洗液中煮沸l(wèi)-10分鐘，冷卻，用去離子水沖洗0.5-5分鐘，然后氮氣吹 干；所述第一清洗液為氨水、雙氧水、去離子水；氨水、雙氧水、去離于水的比例為1: 2:5。
3、 根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述步驟A還包括清洗硅片的步驟A2:將硅片放入第二清洗液中煮沸l(wèi)-10分鐘，冷卻，用去離子水沖洗0.5-5分鐘，然后氮氣吹 干；所述第二清洗液包括鹽酸、雙氧水、去離子水；鹽酸、雙氧水、去離子水的比例為l.-2: 5。
4、 根據(jù)權利要求2或3所述的制備方法，其特征在于所述步驟A還包括去除表面水分的步 驟A3:將硅片于10(TC-20(TC的烘箱中烘烤10分鐘-60分鐘去除表面的水分。
5、 根據(jù)權利要求l所述的制備方法，其特征在于所述步驟A中，在硅片表面利用化學氣相沉積的方法制備一層SixN介質層，其厚度為300nm 500nm;所述步驟B中，所述介質 層沉積的底層電極層自底向上依次為100nm-200nm的Al層、80 nm-120nm的Ti層、30nm -80nm的TiN層；所述步驟C中，中間絕緣層SixO的厚度為150nm-250nm;所述步驟E 中，橫向TiN電極層的厚度為40nm-80nm;步驟F中，所述相變材料的厚度為80nm-120nm; 步驟G中，所述頂層絕緣層的厚度為150nm-250nm;步驟H中，所述上層電極的厚度為 150nm-250nm,其材料為Al。
6、 根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述介質層沉積的底層電極層自底向上依 次為150nrn的A1層、lOOnm的Ti層、50nrn的TiN層；所述中間絕緣層SixO的厚度為 100nm;所述橫向TiN電極層的厚度為60nm;所述相變材料的厚度為100nm;所述頂層 絕緣層的厚度為200nm;所述上層電極的厚度為100nm。
7、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟D中，將橫向電極與底層電極通 過鎢塞連通，鎢塞的制備利用紫外光刻結合反應離子刻蝕的方法，在制備鎢塞的同時將下 次對準套刻用的標記制作完成；鎢塞的直徑大小控制為240mn-280nm，筠塞的填充方式為 磁控濺射法。
8、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟F制備TiN橫向電極時，需與上 次制備完成的鎢塞對準，確保形成的橫向電極與鴉塞相連；在轉移橫向電極的圖形應用形 成的對準標記完成與鎢塞的對準曝光，以保證設計圖形結構的連續(xù)性。
9、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟G制備相變材料納米線結構時應用電子束曝光結合反應離子刻蝕的方法；執(zhí)行電子束曝光時，首先利用前述形成的套刻標 記進行對準，而后調整掃描電子顯微鏡的狀態(tài)，使其達到最佳的圖形分辨率，最后進行曝 光；圖形轉移使用反應離子刻蝕完成。
10、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟H中，在制備與頂層電極相 連的鎢塞時，首先利用剝離的方法在橫向電極對的一側電極上沉積150nm-250nm厚的鴿， 此電極與頂層電極相連，然后沉積與所述鴇相應厚度的SixO，利用紫外光刻結合反應離子 刻蝕的方法去除鉤塞上的SixO。
11、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟H中，利用紫外光刻結合反 應離子刻蝕的方法引出頂層電極；首先利用磁控濺射法沉積250nm-350nm厚的鋁電極材 料，之后利用紫外光刻形成頂層電極圖形，最后反應離子刻蝕轉移圖形，形成完整的器件 結構。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種相變存儲器的制備方法，包括如下步驟提供一硅片，在該硅片表面沉積一介質層；在介質層上沉積底層電極層；在底層電極層上制備設定厚度的SixO作為中間絕緣層；在絕緣層上制備通孔，而后填充鎢用以連通底層電極，形成鎢塞；在絕緣層上沉積一層設定厚度的TiN電極層；在TiN電極層上制備設定線寬的橫向電極對，同時與形成的鎢塞相連；形成橫向電極對后，沉積設定厚度的相變材料，利用電子束曝光及反應離子刻蝕形成相變材料納米線與前述形成的電極對相連構成基本的存儲單元；制備頂層電極。本發(fā)明專利結合了縱向結構單元的高密度以及橫向結構單元的低功耗，有利于提高相變存儲器的整體性能。
文檔編號H01L45/00GK101436570SQ20081020444
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權日2008年12月11日
發(fā)明者波 劉, 呂士龍, 宋志棠, 封松林 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所