專利名稱：一種平面相變存儲器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種平面相變存儲器的制備方法。本發(fā)明提 出了一種采用側(cè)墻工藝、濕法腐蝕方法和化學機械拋光(CMP)制備平面相變存儲器的方 法。該方法盡量避免使用電子束曝光的成本高、周期長的不足，制備方法簡單，可控性好，在 突破光刻分辨率限制及提高平面相變存儲器的制備效率等方面具有很大的優(yōu)越性。
背景技術(shù)：
存儲器自問世以來，在半導體產(chǎn)業(yè)中占著越來越重要的地位。全球的半導體市場 中，存儲器占有80 %的份額。而且隨著信息化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和需求，存儲器的發(fā)展也在發(fā) 生著日新月異的變化。存儲器按其存儲特性可以分為揮發(fā)型(斷電后數(shù)據(jù)會丟失，如DRAM 和SRAM)和非揮發(fā)型(斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，如FLASH，EPR0M)兩種類型。近年來，非揮發(fā) 性存儲器(Flash為主流)，在摩爾定律的驅(qū)動下，占有了存儲器市場近20%的份額。非揮 發(fā)存儲器已經(jīng)與人們的生活和工作息息相關(guān)，手機、數(shù)碼相機、移動存儲設(shè)備等等，都已成 為人們的必須品。但是在這樣大的需求下，F(xiàn)lash存儲器受到摩爾定律的限制，已經(jīng)很難再 有以前勢不可擋的發(fā)展的趨勢。因此，新一代的非揮發(fā)存儲器呼之欲出。相變存儲器(PRAM或者0UM)是由S. R. Ovshinsky在1968年基于硫系化合物薄膜 相變時具有明顯的電阻差異而具有存儲效應(yīng)提出來的。它具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、 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(yōu)點，被國際半導體工業(yè)協(xié)會 認為是最有可能取代目前的Flash存儲器，而成為未來存儲器的主流產(chǎn)品和最先成為商用 產(chǎn)品的器件。相變存儲器自誕生以來已經(jīng)有很多人對它進行了研究，例如Ovonyx、Intel, IBM、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi等，通過改變相變材料和器件結(jié)構(gòu)等已經(jīng)使其 具備了良好的性能。但是，隨著半導體行業(yè)的高速發(fā)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具有競爭力，必須實現(xiàn)更高密度的存儲。 因此，制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課題。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 是它們或者周期太長或者成本過于高昂。為了實現(xiàn)在光刻分辨率的條件下制備納米尺寸的 存儲器、提高器件制備效率、降低器件成本，我們提出本發(fā)明構(gòu)思。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種平面相變存儲器的制備方法，以尋找到一種小尺 寸平面相變存儲器的制備方法，并且制備方法簡單且成本較低，能夠突破光刻分辨率限制， 并提高平面相變存儲器的制備效率。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種平面相變存儲器的制備方法，包括步驟1 在襯底上依次生長一層電熱絕緣材料層和基底材料層；步驟2 用光刻和干法刻蝕的方法去除基底材料層的四邊，形成圖形作為制備相 變材料側(cè)墻的基底；3
步驟3 在該電熱絕緣材料層的上面和基底材料層的表面及側(cè)面淀積相變材料 層；步驟4:采用干法回刻，去除基底材料層上表面的和電熱絕緣材料層表面的相變 材料層，在基底材料層的側(cè)面將形成高和寬均為納米尺寸的相變材料側(cè)墻；步驟5 用濕法腐蝕的方法去除剩余的基底材料層，只保留納米尺寸的相變材料 側(cè)墻；步驟6 采用光刻或電子束光刻+薄膜淀積+剝離工藝在該相變材料側(cè)墻的一條 邊上搭上一條制作電極的金屬層；步驟7 再用薄膜淀積工藝制備一層絕緣材料層，將相變材料側(cè)墻和金屬包裹在 其中；步驟8 再用化學機械拋光的方法拋光表面直至磨到將相變材料側(cè)墻頂部的金 屬割斷，形成中間夾有相變材料側(cè)墻的nano-gap電極；步驟9 最后淀積一層絕緣材料，再在nano-gap電極兩邊的金屬上開孔并引出電 極即可形成平面相變存儲器。其中所述電熱絕緣材料層是氮化硅或Si02。其中所述基底材料層是SiO2、氮化硅或多晶硅。其中所述相變材料層是Ge#b2Te5、Sb2Te3> Ge1Sb2Te4, Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素 的任意相變材料中的一種。其中所述金屬層是鎢、鎳或氮化鈦。其中所述絕緣材料層和絕緣材料是氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮 化物、硫化物中的至少兩種構(gòu)成的混合物中的任一種。其中所述淀積絕緣材料的方法是是濺射法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學氣 相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光輔助淀積法和熱氧化方法中的一種。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的這種平面相變存儲器的制備的方法，采用薄膜工藝、光刻剝離工藝、 光刻干法刻蝕工藝、濕法刻蝕工藝、化學機械拋光(CMP)工藝和側(cè)墻工藝制備了平面相變 存儲器。這種平面相變存儲器的制備方法的特點在于結(jié)構(gòu)簡單，制備方便，器件尺寸小，盡 量避免了使用電子束曝光(EBL)，聚焦離子束曝光(FIB)等技術(shù)，大大降低了成本，集成度 大幅度的提高，同時突破光刻分辨率限制及提高了平面相變存儲器的制備效率等。
為進一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其 中圖1是本發(fā)明提供的平面相變存儲器的制備方法的流程圖；圖2-圖9是平面相變存儲器的制備方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1至圖9所示，本發(fā)明一種平面相變存儲器的制備方法，包括如下步 驟步驟1 在襯底101上生長一層抗腐蝕的電熱絕緣材料層102和基底材料層103 ；所述的電熱絕緣材料102，可以是氧化物、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(gòu)成的混合物中的任一種；所述在襯底上生長一層電熱絕緣材料102，可以 是采用濺射法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學氣相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光 輔助淀積法和熱氧化方法中的一種實現(xiàn)的；所述電熱絕緣材料102，對于步驟5中濕法去除 基底材料層103時使用的腐蝕液具有抗腐蝕性；其中所述的基底材料層103，可以是氧化 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(gòu)成的混合物中的任一 種；所述淀積一層基底材料層103，可以是采用濺射法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學 氣相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光輔助淀積法和熱氧化方法中的一種實現(xiàn)的；其中所 述基底材料層103的厚度為20-2000nm(圖2)；步驟2 用光刻和干法刻蝕的方法去除基底材料層103的四邊，形成圖形作為制備 側(cè)墻的基底(圖2)；步驟3 在該電熱絕緣材料層102的上表面和基底材料層103的表面淀積相變材 料層104 ；其中所述的相變材料層104，可以是Ge2SVTe5 JbJe^GejbJe^Gi^bJ^或者含 有硫族元素的任意相變材料中的一種；所述相變材料層104，對于步驟5中濕法去除基底材 料層103時使用的腐蝕液具有抗腐蝕性；所述淀積相變材料層104的方法，可以是采用濺射 法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學氣相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光輔助淀積法 和原子層沉積法中的一種(圖3)；步驟4 采用干法回刻，去除基底材料層103上表面的和電熱絕緣材料層102表面 的相變材料層104，在基底材料層103的側(cè)面將形成高和寬均為納米尺寸的相變材料側(cè)墻 104’ ；其中所述相變材料層104形成的側(cè)墻104’的寬度為5-200nm(圖4)；步驟5 用濕法腐蝕的方法去除剩余的基底材料層103，只保留納米尺寸的相變材 料側(cè)墻104’ ；其中的腐蝕液可以是HF酸、TMAH溶液、熱濃磷酸等中的一種(圖5)；步驟6 采用光刻或電子束光刻+薄膜淀積+剝離工藝在該相變材料側(cè)墻104’的 一條邊上搭上一條制作電極的金屬層105 ；所述的金屬層105，可以是鎢、鎳或氮化鈦中的 任一種；所述的金屬層105，可以是采用濺射法、蒸發(fā)法和化學氣相淀積法中的一種制備的 (圖 6)；步驟7 再用薄膜淀積工藝制備一層絕緣材料層106，將相變材料側(cè)墻104’和金屬 105包裹在其中；所述絕緣材料層106，可以是氧化物、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(gòu)成的混合物中的任一種；所述的淀積絕緣材料層106，可以是 采用濺射法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學氣相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光輔 助淀積法和熱氧化方法中的一種實現(xiàn)的(圖7)；步驟8 再用化學機械拋光(CMP)的方法拋光表面直至磨到將相變材料側(cè)墻頂部 的金屬106割斷，形成中間夾有相變材料側(cè)墻104的nano-gap電極105’ ；化學機械拋光 (CMP)的截止面位于側(cè)墻104的頂端和平面處的金屬105的表面之間，并且必須保證位于側(cè) 墻頂端的金屬105被割斷；其中所述的nano-gap電極105’的寬度為5-200nm(圖8)。步驟10、最后淀積一層絕緣材料107，再在nano-gap電極105，兩邊的金屬105上 開孔并引出電極108即可形成平面相變存儲器。其中所述的絕緣材料107，可以是氧化物、 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(gòu)成的混合物中的任一種； 所述淀積一層絕緣材料107，可以是采用濺射法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學氣相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光輔助淀積法和熱氧化方法中的一種實現(xiàn)的(圖9)。實施例一1、采用單晶硅片、SOI片等半導體或者絕緣材料作為襯底101 ；2、采用薄膜制備工藝，在襯底上制備200nm氮化硅作為電熱絕緣層102和450nm 多晶硅作為基底材料層103 ；3、用光刻和干法刻蝕的方法去除基底材料層103的四邊，形成圖形作為制備側(cè)墻 的基底；4、在該電熱絕緣材料層102的上面和基底材料層103的表面及側(cè)面淀積200nm厚 的Ge2Sb2I^5用來制備相變材料側(cè)墻104’ ；5、采用干法回刻，去除基底材料層103上表面的和電熱絕緣材料層102表面的相 變材料層104，將形成高450nm和寬IOOnm的Ge2Sb2Te5側(cè)墻104，；6、用恒溫TMAH溶液漂去側(cè)墻基底103，TMAH溶液的溫度恒定在70°C，只保留納米 尺寸的Ge2Sb2Tii5側(cè)墻104，；7、采用光刻或電子束光刻+薄膜淀積+剝離工藝在該側(cè)墻材料層104的一條邊上 搭上一條制作電極的鎢金屬層105，金屬厚度為IOOnm ；8、再用PECVD制備結(jié)構(gòu)為200nm厚的Si02/100nm SixNy/200nm厚的的疊層作 為絕緣材料層106，其中SixNy作為CMP工藝的截止層；9、用化學機械拋光(CMP)的方法拋光表面至SixNy截止層同時切斷相變材料側(cè)墻 104兩旁的金屬105的連接，形成寬度為IOOnm的金屬nano-gap電極105，；10、最后淀積一層500nm厚的SW2絕緣材料107，再在nano-gap電極105’兩邊的 鎢金屬105上開孔并引出電極108即可形成平面相變存儲器。實施例二與實施例一大致相同，區(qū)別在于基底材料層103為SiO2，其相應(yīng)的腐蝕液為氫氟酸。實施例三與實施例一大致相同，區(qū)別在于基底材料層103為SixNy，其相應(yīng)的腐蝕液為熱濃磷酸。實施例四與實施例一大致相同，區(qū)別在于將電熱絕緣材料層102表面上的金屬105的上表 面作為CMP工藝的截止層。實施例五與實施例二大致相同，區(qū)別在于將電熱絕緣材料層102表面上的金屬105的上表 面作為CMP工藝的截止層。實施例六與實施例三大致相同，區(qū)別在于將電熱絕緣材料層102表面上的金屬105的上表 面作為CMP工藝的截止層。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種平面相變存儲器的制備方法，包括步驟1 在襯底上依次生長一層電熱絕緣材料層和基底材料層； 步驟2 用光刻和干法刻蝕的方法去除基底材料層的四邊，形成圖形作為制備相變材 料側(cè)墻的基底；步驟3 在該電熱絕緣材料層的上面和基底材料層的表面及側(cè)面淀積相變材料層； 步驟4:采用干法回刻，去除基底材料層上表面的和電熱絕緣材料層表面的相變材料 層，在基底材料層的側(cè)面將形成高和寬均為納米尺寸的相變材料側(cè)墻；步驟5 用濕法腐蝕的方法去除剩余的基底材料層，只保留納米尺寸的相變材料側(cè)墻； 步驟6 采用光刻或電子束光刻+薄膜淀積+剝離工藝在該相變材料側(cè)墻的一條邊上 搭上一條制作電極的金屬層；步驟7 再用薄膜淀積工藝制備一層絕緣材料層，將相變材料側(cè)墻和金屬包裹在其中； 步驟8 再用化學機械拋光的方法拋光表面直至磨到將相變材料側(cè)墻頂部的金屬割 斷，形成中間夾有相變材料側(cè)墻的nano-gap電極；步驟9 最后淀積一層絕緣材料，再在nano-gap電極兩邊的金屬上開孔并引出電極即 可形成平面相變存儲器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面相變存儲器的制備方法，其中所述電熱絕緣材料層是氮 化硅或SiO2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面相變存儲器的制備方法，其中所述基底材料層是Si02、 氮化硅或多晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面相變存儲器的制備方法，其中所述相變材料層是 Ge2Sb2Te5, Sb2Te3> Ge1Sb2Te4, Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相變材料中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面相變存儲器的制備方法，其中所述金屬層是鎢、鎳或氮 化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面相變存儲器的制備方法，其中所述絕緣材料層和絕緣材 料是氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構(gòu)成的混合 物中的任一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面相變存儲器的制備方法，其中所述淀積絕緣材料的方法 是是濺射法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學氣相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光輔 助淀積法和熱氧化方法中的一種。
全文摘要
一種平面相變存儲器的制備方法，包括在襯底上依次生長一層電熱絕緣材料層和基底材料層；去除基底材料層的四邊，形成圖形作為制備相變材料側(cè)墻的基底；在該電熱絕緣材料層的上面和基底材料層的表面及側(cè)面淀積相變材料層；去除基底材料層上表面的和電熱絕緣材料層表面的相變材料層，形成高和寬均為納米尺寸的相變材料側(cè)墻；去除剩余的基底材料層，只保留納米尺寸的相變材料側(cè)墻；在該相變材料側(cè)墻的一條邊上搭上一條制作電極的金屬層；再用薄膜淀積工藝制備一層絕緣材料層；再用化學機械拋光的方法拋光表面直至磨到將相變材料側(cè)墻頂部的金屬割斷，形成中間夾有相變材料側(cè)墻的nano-gap電極；淀積一層絕緣材料，在nano-gap電極兩邊的金屬上開孔并引出電極即可形成平面相變存儲器。
文檔編號H01L45/00GK102054934SQ20101053137
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者張加勇, 楊富華, 王曉東, 王曉峰, 程凱芳, 馬慧莉 申請人:中國科學院半導體研究所