CN101436570A

CN101436570A - 相变存储器的制备方法

Info

Publication number: CN101436570A
Application number: CNA2008102044460A
Authority: CN
Inventors: 宋志棠; 吕士龙; 刘波; 封松林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2009-05-20

Abstract

本发明揭示一种相变存储器的制备方法，包括如下步骤：提供一硅片，在该硅片表面沉积一介质层；在介质层上沉积底层电极层；在底层电极层上制备设定厚度的SixO作为中间绝缘层；在绝缘层上制备通孔，而后填充钨用以连通底层电极，形成钨塞；在绝缘层上沉积一层设定厚度的TiN电极层；在TiN电极层上制备设定线宽的横向电极对，同时与形成的钨塞相连；形成横向电极对后，沉积设定厚度的相变材料，利用电子束曝光及反应离子刻蚀形成相变材料纳米线与前述形成的电极对相连构成基本的存储单元；制备顶层电极。本发明专利结合了纵向结构单元的高密度以及横向结构单元的低功耗，有利于提高相变存储器的整体性能。

Description

相变存储器的制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种存储器的制备方法，尤其涉及一种相变存储器的制备方法。

背景技术

相变随机存储器(PCRAM)与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有明显的优势：其体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度快，非挥发。相变存储器不仅是非挥发性存储器，而且有可能制成多机存储，并实用于超低温和高温环境，抗辐照、抗震动，因此不仅将被广泛应用到日常的便携电子产品，而且在航空航天的领域有巨大的潜在应用。尤其，在便携式电子产品中其高速、非挥发性正好弥补了闪存(FLASH)和铁电存储器(FeRAM)的不足。Intel公司就曾预言相变存储器将取代FLASH、DRAM和静态随机存储器(SRAM)芯片将很快进入市场。国际半导体联合会在2001年的路线图中，同样把相变存储器预测为可以最先实现商业化的存储器之一。在这种情况下，研制相变随机存储单元器件就显得更加迫切，相变存储单元器件在纳米量级下，有利于可逆相变薄膜材料的快速相变，同时有利于存储器的集成度提高，低压、低功耗和高速的性能。因此相变器件结构的纳米量级制备和电学，光学性能的研究显得尤为重要。

为了在低压、低功耗下实现快速相变，提高存储速度，体现出比现存存储技术更大的优越性，对相变薄膜材料制备相变存储单元，制成二维或三维的纳米尺度，与电极构成纳米存储单元显得尤为重要。现在研究的较多的是纵向结构的单元器件，这种结构可以提高器件的密度，但是这种结构中热效率利用很低，只有不到1％的热是真正用于相变的，其余的热都扩散于底电极与介质层中，其中扩散于底电极的热量占70％左右。同时，现行制备技术的限制很难将纵向器件单元的尺寸控制为100nm以下。2005年菲利浦公司提出了一种横向结构的器件，在这种结构中发生相变的机理与纵向结构中的相变有着较大的不同，其靠相变材料自身的焦耳热效应完成多晶与非晶之间的转换，热效率比纵向结构有很大的提高，可以达到15％左右。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种相变存储器的制备方法，利用该方法制备出的相变存储器可降低热量在电极中的损失，极大的提高了热的利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种相变存储器的制备方法，包括如下步骤：

A、提供一硅片，在该硅片表面沉积一介质层；

B、在所述介质层上沉积底层电极层；

C、在所述底层电极层上制备设定厚度的SixO作为中间绝缘层；

D、在所述绝缘层上制备通孔，而后填充钨用以连通底层电极，形成钨塞；

E、在绝缘层上沉积一层设定厚度的TiN电极层；

F、在所述TiN电极层上制备设定线宽的横向电极对，同时与所述形成的钨塞相连；

G、形成横向电极对后，沉积设定厚度的相变材料，利用电子束曝光及反应离子刻蚀形成相变材料纳米线与前述形成的电极对相连构成基本的存储单元；

H、沉积设定厚度的SixO层作为顶层绝缘层，使用紫外光刻以及反应离子刻蚀开孔填充钨，最后引出上层电极。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤A还包括清洗硅片的步骤A1：将硅片放入第一清洗液中煮沸1-10分钟，冷却，用去离子水冲洗0.5-5分钟，然后氮气吹干；所述第一清洗液为氨水、双氧水、去离子水；氨水、双氧水、去离子水的比例为1：2：5。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤A还包括清洗硅片的步骤A2：将硅片放入第二清洗液中煮沸1-10分钟，冷却，用去离子水冲洗0.5-5分钟，然后氮气吹干；所述第二清洗液包括盐酸、双氧水、去离子水；盐酸、双氧水、去离子水的比例为1：2：5。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤A还包括去除表面水分的步骤A3：将硅片于100℃-200℃的烘箱中烘烤10分钟-60分钟去除表面的水分。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤A中，在硅片表面利用化学气相沉积的方法制备一层SixN介质层，其厚度为300nm～500nm；所述步骤B中，所述介质层沉积的底层电极层自底向上依次为100nm-200nm的A1层、80nm-120nm的Ti层、30nm-80nm的TiN层；所述步骤C中，中间绝缘层SixO的厚度为150nm-250nm；所述步骤E中，横向TiN电极层的厚度为40nm-80nm；步骤F中，所述相变材料的厚度为80nm-120nm；步骤G中，所述顶层绝缘层的厚度为150nm-250nm；步骤H中，所述上层电极的厚度为150nm-250nm，其材料为A1。

进一步地，所述介质层沉积的底层电极层自底向上依次为150nm的A1层、100nm的Ti层、50nm的TiN层；所述中间绝缘层SixO的厚度为100nm；所述横向TiN电极层的厚度为60nm；所述相变材料的厚度为100nm；所述顶层绝缘层的厚度为200nm；所述上层电极的厚度为100nm。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤D中，将横向电极与底层电极通过钨塞连通，钨塞的制备利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法，在制备钨塞的同时将下次对准套刻用的标记制作完成；钨塞的直径大小控制为240nm-280nm，钨塞的填充方式为磁控溅射法。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤F制备TiN横向电极时，需与上次制备完成的钨塞对准，确保形成的横向电极与钨塞相连；在转移横向电极的图形应用形成的对准标记完成与钨塞的对准曝光，以保证设计图形结构的连续性。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤G制备相变材料纳米线结构时应用电子束曝光结合反应离子刻蚀的方法；执行电子束曝光时，首先利用前述形成的套刻标记进行对准，而后调整扫描电子显微镜的状态，使其达到最佳的图形分辨率，最后进行曝光；图形转移使用反应离子刻蚀完成。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤H中，在制备与顶层电极相连的钨塞时，首先利用剥离的方法在横向电极对的一侧电极上沉积150nm-250nm厚的钨，此电极与顶层电极相连，然后沉积与所述钨相应厚度的SixO，利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法去除钨塞上的SixO。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤H中，利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法引出顶层电极；首先利用磁控溅射法沉积250nm-350nm厚的铝电极材料，之后利用紫外光刻形成顶层电极图形，最后反应离子刻蚀转移图形，形成完整的器件结构。

本发明的有益效果在于：本发明的制备方法适应了信息技术不断发展的要求，制备出高密度、低功耗的相变存储器。本发明结合了纵向结构的高密度与横向结构的低功耗，提出了一种新型的器件结构，其相变材料部分完全被介质层所包裹。同时将相变材料与电极接触的面积减小到50nm以下，降低了热量在电极中的损失，极大的提高了热的利用率。同时，本发明专利结合了纵向结构单元的高密度以及横向结构单元的低功耗，有利于提高相变存储器的整体性能。

附图说明

图1为步骤2后相变存储器的结构示意图。

图2为步骤3后相变存储器的结构示意图。

图3A、图3B为步骤4后相变存储器的结构示意图。

图4A、图4B为步骤5后相变存储器的结构示意图。

图5A、图5B为步骤6后相变存储器的结构示意图。

图6为步骤7后相变存储器的结构示意图。

图7为步骤8后相变存储器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本发明揭示了一种相变存储器的制备方法，包括如下步骤：

【步骤1】提供一硅片，并清洗该硅片。

将硅片放入第一清洗液中煮沸1-10分钟(本实施例为5分钟)，冷却，用去离子水冲洗0.5-5分钟(本实施例为3分钟)，然后氮气吹干；所述第一清洗液为氨水、双氧水、去离子水；氨水、双氧水、去离子水的比例为1：2：5。通过本过程可以去除硅表面的油污和大颗粒。

将硅片放入第二清洗液中煮沸1-10分钟(本实施例为约5分钟)，冷却，用去离子水冲洗0.5-5分钟(本实施例为约3分钟)，然后氮气吹干；所述第二清洗液包括盐酸、双氧水、去离子水；盐酸、双氧水、去离子水的比例为1：2：5。通过本过程可以去除硅片表面的金属离子。

将硅片于100℃-200℃的烘箱中烘烤10分钟-60分钟(本实施例为约30分钟)去除表面的水分。通过本过程可以去除表面的水分。

【步骤2】制备底层介质层。

请参阅图1，图1揭示了制备底层介质层后相变存储器的结构示意图。利用化学气相沉积的方法在前述处理干净的硅片上沉积一层厚度为300～500nm的SixN(如图1所示)。

【步骤3】制备底层电极。

请参阅图2，图2揭示了制备底层电极后相变存储器的结构示意图。利用磁控溅射的方法在所述介质层上形成底层电极Al/Ti/TiN，底层电极自底向上依次为A1层、Ti层、TiN层；本实施例中，其相应的厚度控制为150nm/100nm/50nm(如图2所示)。

【步骤4】制备中间绝缘层及连通底层电极的钨塞。

请参阅图3，图3揭示了制备中间绝缘层及连通底层电极的钨塞后相变存储器的结构示意图。在所述底层电极层上制备设定厚度的SixO作为中间绝缘层，中间绝缘层SixO的厚度控制为200nm左右。钨塞的制备利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法，在制备钨塞的同时将下次对准套刻用的标记制作完成；钨塞的直径大小控制为260nm左右，钨塞的填充方式为磁控溅射法(如图3所示)。

【步骤5】制备横向电极对。

请参阅图4，图4揭示了制备横向电极后相变存储器的结构示意图。首先利用磁控溅射的方法沉积约60nm的TiN，而后利用电子束曝光结合反应离子刻蚀形成横向电极结构。在所述TiN电极层上制备设定线宽的横向电极对，同时使其与所述步骤4中形成的钨塞相连(如图4所示)。

此外，制备TiN横向电极时，需与上次制备完成的钨塞对准，确保形成的横向电极与钨塞相连；在转移横向电极的图形应用形成的对准标记完成与钨塞的对准曝光，以保证设计图形结构的连续性。

【步骤6】制备相变纳米线。

请参阅图5，图5揭示了制备相变纳米线的钨塞后相变存储器的结构示意图。利用磁控溅射的方法沉积一层厚度约60nm的相变材料，之后执行电子束曝光形成需要转移的图形结构，利用反应离子刻蚀转移图形结构，从而形成相变材料纳米线与步骤5形成的电极对相连构成基本的存储单元(如图5所示)。

【步骤7】制备连通顶层电极的钨塞。

请参阅图6，图6揭示了制备连通顶层电极的钨塞后相变存储器的结构示意图。利用剥离的方法在横向电极对的一侧电极上(此电极与顶层电极相连)沉积约200nm厚的钨，然后沉积约200nm厚的SixO，利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法去除钨塞上的SixO(如图6所示)。

制备相变材料纳米线结构时应用电子束曝光结合反应离子刻蚀的方法；执行电子束曝光时，首先利用前述形成的套刻标记进行对准，而后调整扫描电子显微镜的状态，使其达到最佳的图形分辨率，最后进行曝光；图形转移使用反应离子刻蚀完成。

【步骤8】制备顶层电极。

请参阅图7，图7揭示了制备顶层电极后相变存储器的结构示意图。利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法引出顶层电极。首先利用磁控溅射法沉积约300nm厚的铝电极材料，之后利用紫外光刻形成顶层电极图形，最后反应离子刻蚀转移图形，形成完整的器件结构(如图7所示)。

本发明的制备方法适应了信息技术不断发展的要求，制备出高密度、低功耗的相变存储器。本发明结合了纵向结构的高密度与横向结构的低功耗，提出了一种新型的器件结构，其相变材料部分完全被介质层所包裹。同时将相变材料与电极接触的面积减小到50nm以下，降低了热量在电极中的损失，极大的提高了热的利用率。同时，本发明专利结合了纵向结构单元的高密度以及横向结构单元的低功耗，有利于提高相变存储器的整体性能。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

如，步骤A中，SixN介质层的厚度可以为300nm～500nm之间的任意厚度；步骤B中，底层电极层中A1层、Ti层、TiN层的厚度可以分别为100nm-200nm、80nm-120nm、30nm-80nm；步骤C中，中间绝缘层SixO的厚度可以为150nm-250nm之间；步骤E中，横向TiN电极层的厚度可为40nm-80nm之间；步骤F中，相变材料的厚度可为80nm-120nm之间；步骤G中，顶层绝缘层的厚度可为150nm-250nm之间；步骤H中，上层电极的厚度为可为150nm-250nm之间，其材料还可以为除Al之外的其他材料。

Claims

1、一种相变存储器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、提供一硅片，在该硅片表面沉积一介质层；

B、在所述介质层上沉积底层电极层；

E、在绝缘层上沉积一层设定厚度的TiN电极层；

2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A还包括清洗硅片的步骤A1：将硅片放入第一清洗液中煮沸1-10分钟，冷却，用去离子水冲洗0.5-5分钟，然后氮气吹干；

所述第一清洗液为氨水、双氧水、去离子水；氨水、双氧水、去离子水的比例为1：2：5。

3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A还包括清洗硅片的步骤A2：将硅片放入第二清洗液中煮沸1-10分钟，冷却，用去离子水冲洗0.5-5分钟，然后氮气吹干；

所述第二清洗液包括盐酸、双氧水、去离子水；盐酸、双氧水、去离子水的比例为1：2：5。

4、根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A还包括去除表面水分的步骤A3：将硅片于100℃-200℃的烘箱中烘烤10分钟-60分钟去除表面的水分。

5、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，在硅片表面利用化学气相沉积的方法制备一层SixN介质层，其厚度为300nm～500nm；所述步骤B中，所述介质层沉积的底层电极层自底向上依次为100nm-200nm的Al层、80nm-120nm的Ti层、30nm-80nm的TiN层；所述步骤C中，中间绝缘层Si_xO的厚度为150nm-250nm；所述步骤E中，横向TiN电极层的厚度为40nm-80nm；步骤F中，所述相变材料的厚度为80nm-120nm；步骤G中，所述顶层绝缘层的厚度为150nm-250nm；步骤H中，所述上层电极的厚度为150nm-250nm，其材料为Al。

6、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述介质层沉积的底层电极层自底向上依次为150nm的Al层、100nm的Ti层、50nm的TiN层；所述中间绝缘层Si_xO的厚度为100nm；所述横向TiN电极层的厚度为60nm；所述相变材料的厚度为100nm；所述顶层绝缘层的厚度为200nm；所述上层电极的厚度为100nm。

7、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D中，将横向电极与底层电极通过钨塞连通，钨塞的制备利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法，在制备钨塞的同时将下次对准套刻用的标记制作完成；钨塞的直径大小控制为240nm-280nm，钨塞的填充方式为磁控溅射法。

8、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤F制备TiN横向电极时，需与上次制备完成的钨塞对准，确保形成的横向电极与钨塞相连；在转移横向电极的图形应用形成的对准标记完成与钨塞的对准曝光，以保证设计图形结构的连续性。

9、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤G制备相变材料纳米线结构时应用电子束曝光结合反应离子刻蚀的方法；执行电子束曝光时，首先利用前述形成的套刻标记进行对准，而后调整扫描电子显微镜的状态，使其达到最佳的图形分辨率，最后进行曝光；图形转移使用反应离子刻蚀完成。

10、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤H中，在制备与顶层电极相连的钨塞时，首先利用剥离的方法在横向电极对的一侧电极上沉积150nm-250nm厚的钨，此电极与顶层电极相连，然后沉积与所述钨相应厚度的Si_xO，利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法去除钨塞上的Si_xO。

11、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤H中，利用紫外光刻结合反应离子刻蚀的方法引出顶层电极；首先利用磁控溅射法沉积250nm-350nm厚的铝电极材料，之后利用紫外光刻形成顶层电极图形，最后反应离子刻蚀转移图形，形成完整的器件结构。