一種納米碗狀相變存儲器單元的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可應(yīng)用于新型半導(dǎo)體存儲的納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法，具體的說是一種納米碗狀相變存儲器單元的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相變隨機存儲器(phase change random access memory, PCM)是利用硫系化合物(如GeSbTe或GeTe等)的晶態(tài)與非晶態(tài)的電阻高低來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的。相變存儲器具有非易失性、循環(huán)壽命長、器件尺寸小、速度快、抗輻照、可多級存儲等優(yōu)點。
[0003]相變存儲器是由許多個相變存儲單元構(gòu)成。每個相變存儲單元包含頂電極、相變介質(zhì)、底電極等三個基本部分，目前的相變存儲單元制備是利用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)實現(xiàn)的，因此每個相變存儲單元都是由平面薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。要進一步提高存儲密度，就要降低數(shù)據(jù)存儲單元的橫向尺寸，目前，還存在一些技術(shù)問題，譬如高密度下存儲單元間的串?dāng)_效應(yīng)以及如何進一步降低器件單元的操作功耗等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述問題，旨在利用二維有序的納米膠體球陣列為模板來制備GeSbTe或GeTe等相變材料的納米碗陣列以及納米碗狀頂電極，提出一種納米碗狀相變存儲單元的制備方法，這種空心納米碗狀存儲單元，能夠減少相變材料在非晶與多晶轉(zhuǎn)變過程中熱量從電極的耗散，而且減小了相變材料與低電極之間的接觸面，提高電流密度，降低器件操作電流。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，該制備方法包括以下步驟:
①、在Si或石英襯底上生長導(dǎo)電薄膜TiN或W，形成底電極。
[0006]②、在步驟①的底電極表面利用自組裝技術(shù)制備出大面積均勻、有序排列的單層膠體球陣列。
[0007]③、利用等離子刻蝕技術(shù)對步驟②中制得的單層膠體球陣列進行刻蝕，對單層膠體球陣列上的膠體球進行尺寸控制和分離，在不改變周期和形貌的情況下得到帶有間隙的單層膠體球陣列。
[0008]④、利用傾斜磁控濺射技術(shù)，在步驟③中得到的帶有間隙的單層膠體球陣列上制備GeSbTe或GeTe相變材料的薄膜，由于帶有間隙的單層膠體球陣列上每個膠體球構(gòu)成曲面襯底的誘導(dǎo)作用，在每個膠體球上形成GeSbTe或GeTe相變材料的納米碗陣列，碗口朝下，控制GeSbTe或GeTe相變材料的濺射時間，使得納米碗側(cè)壁與底電極相接，而相鄰納米碗之間無連接。
[0009]⑤、在步驟④中制備的相變材料的納米碗陣上濺射W或TiN薄膜，形成碗狀頂電極，控制生長時間，使之不能與底電極相連接，相鄰電極之間也沒有連接。
[0010]⑥、利用選擇刻蝕技術(shù)除掉步驟⑤中帶有碗狀頂電極的納米碗下面的膠體材料，得到納米碗狀相變材料存儲單元，所述的納米碗狀相變材料存儲單元是由步驟①中制備的底電極、步驟③中制備的碗狀相變材料以及步驟④中的制備的頂電極構(gòu)成的。
[0011]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果:
1、本發(fā)明以帶有間隙的單層膠體球陣列為襯底，利用磁控濺射技術(shù)生長GeSbTe或GeTe相變材料的薄膜以及W或TiN薄膜為頂電極材料，得到納米碗狀相變材料存儲單元陣列。在此過程中薄膜生長為制備過程最后一步，無需后續(xù)刻蝕過程，可以得到邊界無損傷的相變材料及電極材料納米碗狀結(jié)構(gòu)陣列；
2、本發(fā)明制備的納米碗狀相變材料存儲單元為中空結(jié)構(gòu)，只有納米碗的邊緣與底電極相接觸，有效地減小加熱電極的接觸面積。當(dāng)施加相同大小電流時，可以提高電流密度和電極加熱效率，從而降低實現(xiàn)相變過程所需要的減小操作電流；
3、本發(fā)明制備的納米碗狀相變材料存儲單元陣列中相鄰相變納米碗彼此分離，相鄰電極之間也沒有連接，電極的電極熱量擴散范圍被大大降低，減小了能量損耗，降低操作電流。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明方法在硅襯底上制備的底電極示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明方法在底電極上制備膠體球陣列示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明方法利用刻蝕技術(shù)對膠體球陣列進行可控分離示意圖。
[0015]圖4是本發(fā)明方法在分離的膠體球陣列上制備相變材料納米碗示意圖。
[0016]圖5是本發(fā)明方法制備納米碗狀頂電極示意圖。
[0017]圖6是本發(fā)明方法去除掉膠體球后形成的納米碗狀相變存儲單元示意圖。
[0018]圖7是本發(fā)明方法制得的納米碗狀相變存儲單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]①、將Si或石英襯底放在由NH4OH (分析純)、H202 (分析純)和H2O構(gòu)成的混合溶液(體積比1:2:6)中煮沸5分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，在烘箱中干燥。在干燥后的Si或石英襯底上利用磁控濺射技術(shù)生長厚度為10納米導(dǎo)電薄膜TiN或W，形成底電極(圖1)。在美國生產(chǎn)的磁控濺射系統(tǒng)中(型號為ATC 1800-F, USA AJA)，制備TiN或W薄膜。磁控濺射系統(tǒng)中的本底氣壓為1.8X10 6 Torr,濺射氣壓為2mTorr，Ar氣作為保護氣體，濺射功率為20瓦。這時TiN的濺射速率為0.049納米/秒(W的濺射速率為0.057納米/秒)。
[0021]②、將步驟①的底電極在濃度為10%的十二烷基硫酸鈉溶液中浸泡24小時，這樣可使我們可以得到親水的底電極表面。取10毫升購自Duke公司濃度為1wt.%、尺寸為200納米的膠體球乳液，用10毫升分析純的乙醇進行稀釋。取約5微升稀釋過膠體乳液滴在浸泡過的襯底表面，乳液就會在襯底表面鋪展開來。將襯底片緩慢地浸入盛有去離子水的容器里，容器的橫截面積為19.5X19.5平方厘米，深度為10厘米。由于水表面張力作用，在水表面形成一層膠體球的單層膜。然后再向容器中滴入4微升濃度為2%的十二烷基硫酸鈉溶液。在水表面就會形成致密的膠體粒子單層膜，在室溫條件下靜置約10分鐘。利用在濃度為10%的十二烷基硫酸鈉溶液中浸泡過的帶有底電極的襯底片將膠體粒子單層膜撈起來，在空氣中自然揮發(fā)干燥后就得到了生長在底電極上的單層膠體球陣列(圖2)。
[0022]③、利用等離子體刻蝕機(型號為1020，生產(chǎn)廠家為E.A.Fisch1neInstruments Inc)對步驟②中制得的單層膠體球陣列進行刻蝕。工作氣體為80% O2和20%Ar時，對直徑為200納米的膠體粒子陣列刻蝕速率為I納米/秒，而膠體球陣列的周期和膠體球的形狀不變，從而實現(xiàn)利用等離子刻蝕技術(shù)對單層膠體球陣列上的膠體球進行尺寸控制和分離。對直徑為200納米的膠體粒子陣列刻蝕30秒，膠體球尺寸變?yōu)?70納米，膠體球之間的間隙為30納米，周期仍為200納米的帶有間隙的單層膠體球陣列(圖3)。
[0023]④、在美國生產(chǎn)的磁控濺射系統(tǒng)中(型號為ATC 1800-F，USA AJA)，在步驟③中得到的帶有間隙的單層膠體球陣列上制備GeSbTe或GeTe相變材料的薄膜。磁控濺射系統(tǒng)中的本底氣壓為1.8X10 6 Torr,濺射氣壓為2mTorr，Ar氣作為保護氣體，濺射功率為20瓦。這時GeSbTe的濺射速率為0.032納米/秒(GeTe的濺射速率為0.027納米/秒)?？刂艷eSbTe的濺射時間為400秒(或GeTe的濺射時間為500秒)，可以在帶有間隙的單層膠體球陣列上制備GeSbTe (或GeTe)相變材料的納米碗陣列，碗口朝下，使得納米碗側(cè)壁與底電極相接，而相鄰納米碗之間無連接(圖4)。
[0024]⑤、在步驟④中制備的相變材料的納米碗陣上派射W或TiN薄膜10納米,形成碗狀頂電極。頂電極與底電極不連接，相鄰電極之間也沒有連接(圖5)。
[0025]⑥、將經(jīng)歷步驟⑤后得到的納米碗狀相變材料陣列(包括頂電極、納米碗狀相變材料陣列、納米碗狀相變材料陣列下面的膠體材料、底電極以及Si或石英襯底)浸泡在分析純的四氫呋喃溶劑中。浸泡40分鐘后，可以得到納米碗狀相變材料存儲單元，所述的納米碗狀相變材料存儲單元是由步驟①中制備的底電極、步驟③中制備的碗狀相變材料以及步驟④中的制備的頂電極構(gòu)成的(圖6、7所示)。
【主權(quán)項】
1.一種納米碗狀相變存儲器單元的制備方法，其特征在于:該制備方法包括以下步驟: ①、在Si或石英襯底上生長導(dǎo)電薄膜TiN或W，形成底電極； ②、在步驟①的底電極表面利用自組裝技術(shù)制備出大面積均勻、有序排列的單層膠體球陣列； ③、利用等離子刻蝕技術(shù)對步驟②中制得的單層膠體球陣列進行刻蝕，對單層膠體球陣列上的膠體球進行尺寸控制和分離，在不改變周期和形貌的情況下得到帶有間隙的單層膠體球陣列； ④、利用傾斜磁控濺射技術(shù)，在步驟③中得到的帶有間隙的單層膠體球陣列上制備GeSbTe或GeTe相變材料的薄膜，由于帶有間隙的單層膠體球陣列上每個膠體球構(gòu)成曲面襯底的誘導(dǎo)作用，在每個膠體球上形成GeSbTe或GeTe相變材料的納米碗陣列，碗口朝下，控制GeSbTe或GeTe相變材料的濺射時間，使得納米碗側(cè)壁與底電極相接，而相鄰納米碗之間無連接； ⑤、在步驟④中制備的相變材料的納米碗陣上濺射W或TiN薄膜，形成碗狀頂電極，控制生長時間，使之不能與底電極相連接，相鄰電極之間也沒有連接； ⑥、利用選擇刻蝕技術(shù)除掉步驟⑤中帶有碗狀頂電極的納米碗下面的膠體材料，得到納米碗狀相變材料存儲單元，所述的納米碗狀相變材料存儲單元是由步驟①中制備的底電極、步驟③中制備的碗狀相變材料以及步驟④中的制備的頂電極構(gòu)成的。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可應(yīng)用于新型半導(dǎo)體存儲的納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法，具體的說是一種納米碗狀相變存儲器單元的制備方法，本發(fā)明旨在利用二維有序的納米膠體球陣列為模板來制備GeSbTe或GeTe等相變材料的納米碗陣列以及納米碗狀頂電極，提出一種納米碗狀相變存儲單元的制備方法，這種空心納米碗狀存儲單元，能夠減少相變材料在非晶與多晶轉(zhuǎn)變過程中熱量從電極的耗散，而且減小了相變材料與低電極之間的接觸面，提高電流密度，降低器件操作電流。
【IPC分類】B82Y10-00, H01L45-00
【公開號】CN104576925
【申請?zhí)枴緾N201310498066
【發(fā)明人】王雅新, 張永軍, 楊景海
【申請人】吉林師范大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月22日