CN101488555A - 一种低功耗相变存储器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用FIB沉积纳米锥形底电极从而制备硫系化合物存储单元器件的方法，其包括以下步骤：首先，在(100)取向的硅片上面，应用化学气相沉积的方法制备一层SixN介质层；然后使用磁控溅射的方法沉积Al/Ti/TiN作为底层电极材料；于底层电极材料上利用离子束法沉积氧化硅作为介质层；利用电子束曝光结合反应离子刻蚀的方法制备若干氧化硅孔；于氧化硅孔内利用聚焦离子束***制备所需要的锥形底电极；利用光刻剥离的方法于底电极上沉积相变材料层；之后利用聚焦离子束引出上层测试电极；最后离子束沉积法溅射氧化硅作为绝热保护层。本发明有助于制备新型的低功耗相变存储器，为研究20nm以下尺寸相变存储器的性能提供有效的方法，促进相变存储器的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种含新电极结构的相变存储器的制备方法，属于微电子领域。
背景技术
硫系化合物随机存储器是基于S.R.Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的硫系化合物薄膜可以应用于相变存储介质的构想基础上发展而来的。2001年intel公司首次报道4MB的C-RAM，2006年底Samsung公司已经报道了512MB C-RAM。目前主流的非挥发性存储器主要是闪存。但是按照摩尔定律，现有的存储单元设计在45nm制程以下时，很难继续保持其非易失性的特性。相变存储器由于在写入新数据时无须进行擦去原数据的处理，其数据写入速度可达到传统闪存的几十至几百倍，而功耗却不到闪存的一半，尺寸也比闪存小很多；并且相变存储器的耐用性极佳，使用寿命远长于传统闪存。基于这些因素，业界普遍认为在45nm以下，相变存储器将会代替flash成为主流的非挥发性存储器。目前国际上有Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Infineon、Elpida、Philips和IBM等公司在开展相变存储器的研究，其方向向着高速、高密度、低功耗的方面发展。他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，其中器件的功耗降低是非常关键和重要的，因为相变存储器器件单元的相变过程最终要靠金属互补氧化物半导体管的驱动来实现，为了实现与高密度存储芯片中的CMOS管功率相匹配，必需降低器件的功耗。降低器件功耗的方法有：减小电极与相变材料的接触面积；提高相变材料的电阻；在电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层等等。减小电极与相变材料的接触面积可以有效的降低相变材料的体积，从而降低功耗，这正是本发明的出发点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种低功耗相变存储器的制备方法，减小电极与相变材料的接触面积可以有效的降低相变材料的体积，从而降低功耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种低功耗相变存储器的制备方法，该方法主要包括以下步骤：
1)在硅片衬底上制备一层SixN介质层；
2)在SixN介质层上制备底层电极材料层；
3)在底层电极材料层上制备氧化硅介质层；
4)在氧化硅介质层上制备氧化硅孔；
5)在氧化硅孔内利用聚焦离子束沉积金属制备锥形底电极；
6)在锥形底电极上沉积相变材料层；
7)在相变材料层上引出上层测试电极。
作为本发明的优选方案之一，步骤5)中在氧化硅孔内利用聚焦离子束沉积金属制备锥形底电极，该金属包括铂、钨、钛、金、氮化钛、钨钛中的一种或几种。
作为本发明的优选方案之一，所述SixN介质层，其厚度为300～500nm。
作为本发明的优选方案之一，所述底层电极材料层是用磁控溅射的方法形成的底层电极Al/Ti/TiN，其相应的厚度为150nm/100nm/50nm。
作为本发明的优选方案之一，所述氧化硅孔的制备利用电子束曝光结合反应离子刻蚀完成，氧化硅孔的直径为40～60nm，孔的深度大于氧化硅介质层的厚度。。
作为本发明的优选方案之一，所述锥形底电极底部直径为40～60nm，锥形底电极高度高于氧化硅孔的高度。
作为本发明的优选方案之一，所述相变材料的沉积利用磁控溅射结合剥离完成，即磁控溅射沉积相变材料后采用丙酮浸泡将光刻胶及其上面沉积的相变材料去除。
作为本发明的优选方案之一，所述上层测试电极利用聚焦离子束沉积铂引出，引出电极的线宽控制为100nm以下，电极厚度为80nm。
作为本发明的优选方案之一，该方法进一步包括在上层测试电极上利用离子束沉积法沉积氧化硅制备顶层绝热保护层，氧化硅的厚度为200nm。
作为本发明的优选方案之一，在制备SixN介质层之前先清洗硅片，具体步骤如下：采用氨水：双氧水：去离子水混合比例为1：2：5配置第一溶液，将硅片放入第一溶液中清洗；采用盐酸：双氧水：去离子水混合比例为1：2：5配置第二溶液，将硅片放入第二溶液中清洗；最后将硅片于烘箱中烘烤去除表面的水分。
本发明利用聚焦离子束***沉积铂电极，电极形状为锥形，底部尺寸较大为40～60nm(直径)，与相变材料接触的电极顶部尺寸很小，为20nm以下，此种电极结构的优点主要是，首先可以将电极与相变材料接触的面积充分减小到20nm以下；其次电极底部的尺寸相对较大与底层电极材料的接触面积较大可以确保器件操作中底部各电极层材料间不会脱裂；第三，由于电极为锥形，沉积相变材料时有相对较大的接触面积(与垂直电极相比较)，从而使得相变材料的生长更容易进行。
附图说明
图1是本发明中在硅片衬底上制备一层SixN介质层的示意图；
图2是本发明中在SixN介质层上制备底层电极材料层的示意图；
图3是本发明中在底层电极材料层上制备氧化硅介质层的示意图；
图4是本发明中在氧化硅介质层上制备氧化硅孔的示意图；
图5是本发明中置备标记图形层的示意图；
图6是本发明中在氧化硅孔内利用聚焦离子束沉积铂制备锥形底电极的示意图；
图7是本发明中在底电极上沉积相变材料层的示意图；
图8是本发明中在相变材料层上引出上层测试电极的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤：
硅片衬底清洗。清洗硅片：第一溶液：氨水：双氧水：去离子水＝1：2：5，将硅片放入第一溶液中煮沸5分钟，冷却，去离子水冲洗3分钟，然后氮气吹干。主要作用是去除硅表面的油污和大颗粒。第二溶液：盐酸：双氧水：去离子水＝1：2：5，将硅片放入第二溶液中清洗，方法同第一溶液中清洗，主要作用是去除硅片表面的金属离子，最后将硅片于120℃的烘箱中烘烤30min去除表面的水分。
如图1所示，SixN介质层的制备。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2所示，底层电极材料层的制备。利用磁控溅射的方法形成底层电极Al/Ti/TiN，其相应的厚度控制为150nm/100nm/50nm。
如图3所示，底层电极材料层上氧化硅介质层的制备。利用离子束沉积法制备氧化硅介质层，氧化硅的厚度控制为100nm。
如图4所示，氧化硅介质层上氧化硅孔的制备。旋涂电子束正性抗蚀剂，抗蚀剂厚度控制为150nm，执行电子束光刻形成50nm的光刻胶孔，利用反应离子刻蚀转移图形于氧化硅层，氧化硅孔的深度决定于氧化硅层的厚度，为保证孔内氧化硅完全去除需要刻蚀的氧化硅厚度最少为100～120nm，实际操作时可以适当的过刻，确保孔内的氧化硅完全去除。
如图5所示，标记图形层的制备。利用聚焦离子束沉积铂制备标记图形层。标记图形的形状为十字线以及与之相连的四个方形组成；十字线的线宽为200nm，长度为2μm；方形尺寸为长度为1μm的正方形；标记层厚度为200nm。
如图6所示，锥形底电极的制备。利用聚焦离子束沉积铂电极。电极底部直径控制为60nm以下，最好是50nm，顶部尺寸控制为20nm以下，电极高度至少为100nm。
如图7所示，相变材料层的制备。利用磁控溅射结合剥离的方法沉积相变材料。旋涂正性双层电子束抗蚀剂，厚度控制为300nm，仔细精确的执行对准程序，而后电子光刻形成相变材料的沉积区域，区域尺寸为2×2μm；磁控溅射沉积厚度为100nm的相变材料，丙酮浸泡12小时剥离光刻胶及其上面沉积的相变材料。
如图8所示，上层测试电极的引出。上层测试电极的沉积利用聚焦离子束沉积铂材料完成。电极的线宽控制为100nm以下，电极材料的厚度为100nm。
制备顶层绝热保护层，顶层沉积氧化硅作为顶层绝热保护层，采用离子束沉积法完成。氧化硅的厚度控制为200nm。
本文中利用聚焦离子束***沉积铂电极，电极形状为锥形，底部尺寸较大为40～60nm(直径)，与相变材料接触的电极顶部尺寸很小，为20nm以下，此种电极结构的优点主要是，首先可以将电极与相变材料接触的面积充分减小到20nm以下；其次电极底部的尺寸相对较大与底层电极材料的接触面积较大可以确保器件操作中底部各电极层材料间不会脱裂；第三，由于电极为锥形，沉积相变材料时有相对较大的接触面积(与垂直电极相比较)，从而使得相变材料的生长更容易进行。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (10)
1.一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：
1)在硅片衬底上制备一层SixN介质层；
2)在SixN介质层上制备底层电极材料层；
3)在底层电极材料层上制备氧化硅介质层；
4)在氧化硅介质层上制备氧化硅孔；
5)在氧化硅孔内利用聚焦离子束沉积金属制备锥形底电极；
6)在锥形底电极上沉积相变材料层；
7)在相变材料层上引出上层测试电极。
2.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：步骤5)中在氧化硅孔内利用聚焦离子束沉积金属制备锥形底电极，该金属包括铂、钨、钛、金、氮化钛、钨钛中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的SixN介质层，其厚度为300～500nm。
4.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：所述底层电极材料层是用磁控溅射的方法形成的底层电极Al/Ti/TiN，其相应的厚度为150nm/100nm/50nm。
5.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：所述氧化硅孔的制备利用电子束曝光结合反应离子刻蚀完成，氧化硅孔的直径为40～60nm，孔的深度大于氧化硅介质层的厚度。
6.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：所述锥形底电极底部直径为40～60nm，锥形底电极高度高于氧化硅孔的高度。
7.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：所述相变材料的沉积利用磁控溅射结合剥离完成，即磁控溅射沉积相变材料后采用丙酮浸泡将光刻胶及其上面沉积的相变材料去除。
8.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：所述上层测试电极利用聚焦离子束沉积铂引出，引出电极的线宽控制为100nm以下，电极厚度为80nm。
9.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：该方法进一步包括在上层测试电极上利用离子束沉积法沉积氧化硅制备顶层绝热保护层，氧化硅的厚度为200nm。
10.如权利要求1所述的一种低功耗相变存储器的制备方法，其特征在于：在制备SixN介质层之前先清洗硅片，具体步骤如下：采用氨水：双氧水：去离子水混合比例为1：2：5配置第一溶液，将硅片放入第一溶液中清洗；采用盐酸：双氧水：去离子水混合比例为1：2：5配置第二溶液，将硅片放入第二溶液中清洗；最后将硅片于烘箱中烘烤去除表面的水分。
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