CN101794862A - 垂直相变存储器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种垂直相变存储器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上生长第一金属层作为底部电极；步骤2：在第一金属层上淀积第一绝缘材料层；步骤3：采用微纳加工技术将该第一绝缘材料层制作成纳米尺寸的绝缘柱体；步骤4：在第一金属层上和绝缘柱体的表面淀积第二金属层作为加热电极；步骤5：在第二金属层上淀积第二绝缘材料层；步骤6：用化学机械抛光的方法抛光表面，同时切断绝缘柱体顶部的第二金属层的连接，形成环形的加热电极；步骤7：最后淀积相变材料和顶部电极，引出电极即可形成垂直相变存储器。

Description

垂直相变存储器的制备方法
技术领域
本发明涉及微电子领域，特别涉及一种垂直相变存储器的制备方法。本发明提出了一种采用化学机械抛光(CMP)制备出具有环形加热电子的垂直相变存储器的方法。该方法具有可重复性好，能大规模生产，与CMOS工艺相兼容等优点，尤其在减小加热电极与相变材料的接触面积，提高加热效率方面具有很大的优越性。
背景技术
相变存储器是由奥弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)在1968年提出的基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据。后来，人们将这一学说称为奥弗辛斯基电子效应。相变存储器是基于奥弗辛斯基效应的元件，因此被命名为奥弗辛斯基电效应统一存储器(OUM)。从理论上来说，OUM的优点在于产品体积较小、成本低、可直接写入(即在写入资料时不需要将原有资料抹除)和制造简单，只需在现有的CMOS工艺上增加2-4次掩膜工序就能制造出来。
相变存储器的一个重要课题就是减小RESET电流，其中最重要的手段就是减小加热电极(heater)与相变材料的接触面积以提高加热效率。然而随着加热电极的直径小到几十纳米以下时，加热效率反而下降，RESET电流也不降反升。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种垂直相变存储器的制备方法，以寻找到一种垂直相变存储器的制备方法，并且具有可重复性好，能大规模生产，与CMOS工艺相兼容等优点，尤其在减小加热电极与相变材料的接触面积，提高加热效率方面具有很大的优越性。
为达到上述目的，本发明提供一种垂直相变存储器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上生长第一金属层作为底部电极；
步骤2：在第一金属层上淀积第一绝缘材料层；
步骤3：采用微纳加工技术将该第一绝缘材料层制作成纳米尺寸的绝缘柱体；
步骤4：在第一金属层上和绝缘柱体的表面淀积第二金属层作为加热电极；
步骤5：在第二金属层上淀积第二绝缘材料层；
步骤6：用化学机械抛光的方法抛光表面，同时切断绝缘柱体顶部的第二金属层的连接，形成环形的加热电极；
步骤7：最后淀积相变材料和顶部电极，引出电极即可形成垂直相变存储器。
其中步骤1中所述衬底是表面长有绝缘材料的半导体材料衬底或绝缘材料衬底。
其中所述半导体材料衬底是硅片或SOI片，所述绝缘材料衬底是SiO2或玻璃。
其中所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层是氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
其中所述淀积第一绝缘材料层的方法是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法或热氧化方法中的一种。
其中所述第一金属层是铝、钨、氮化钛、镍、铜、银、金或铂中的一种。
其中所述第二金属层是钨、镍或氮化钛中的一种。
其中步骤6中所述的化学机械抛光的抛光截止面是位于绝缘柱体的顶部和平面处的第二金属层的表面之间，并且不能使平面处的第二金属层露出。
其中步骤3中所述的绝缘柱体的直径为10纳米-1000纳米.
其中步骤4中所述的第二金属层的厚度为3纳米-100纳米。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种垂直相变存储器的制备的方法，采用薄膜工艺、光刻剥离工艺、光刻干法刻蚀工艺、金属侧墙工艺和化学机械抛光(CMP)工艺制备了垂直相变存储器。这种垂直相变存储器的制备方法的特点在于：具有可重复性好，能大规模生产，与CMOS工艺相兼容，尤其在减小加热电极与相变材料的接触面积，提高加热效率方面具有很大的优越性。
附图说明
为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明提供的垂直相变存储器的制备方法的流程图；
图2-图6是制备垂直相变存储器的结构示意图，其中图2(a)-图6(a)是剖面图，图2(b)-图6(b)是图2(a)-图6(a)的俯视图。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示，本发明一种垂直相变存储器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底101上生长第一层金属102作为底部电极；所述衬底101是表面长有绝缘材料的半导体材料衬底或绝缘材料衬底，所述半导体材料衬底101是硅片或SOI片，所述绝缘材料衬底是SiO2或玻璃；所述金属层102可以是铝、钨、氮化钛、镍、铜、银、金或铂中的一种(图2)；
步骤2：在第一金属层102上再淀积第一绝缘材料层；所述第一绝缘材料层是氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。所述淀积第一绝缘材料层的方法可以是溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法或热氧化方法中的一种(图2)；
步骤3：采用微纳加工技术将该第一绝缘材料层制作成纳米尺寸的绝缘柱体103；所述的柱体103的直径为10纳米-1000纳米(图2)；
步骤4：在第一金属层102上和绝缘柱体103的表面再淀积第二金属层104作为加热电极；所述第二金属层104可以是钨、镍或氮化钛中的一种，所述的第二金属层104的厚度为3纳米-100纳米；所述的第二金属层104在绝缘柱体103的侧壁上的覆盖应保持均匀连续(图3)；
步骤5：在第二金属层104上淀积第二绝缘材料层105；所述第二绝缘材料层105是氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种或者多种材料的叠层；所述淀积第二绝缘材料层的方法可以是是溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法或热氧化方法中的一种(图4)；
步骤6：采用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面同时切断绝缘柱体103顶部的第二金属层104的连接，形成环形的加热电极；所述的化学机械抛光(CMP)的抛光截止面应当位于绝缘柱体103的顶部和平面处的第二金属层104的表面之间，并且不能使平面处的第二金属层104露出(图5)；
步骤7：最后淀积相变材料106’和顶部电极106，引出电极即可形成垂直相变存储器；所述的相变材料106’是采用溅射法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法中的一种制备的，相变层材料106’采用Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相变材料中的一种；所述的顶部电极106可以是铝、钨、氮化钛、镍、铜、银、金或铂中的一种(图6)；
实施例一
请参阅图1-图6所示：
1、采用表面长有绝缘材料层的单晶硅片、SOI片等半导体或者绝缘材料作为衬底101；
2、采用薄膜制备工艺，在衬底101上制备100nm金属钨(第一金属层102)作为底部电极；
3、再淀积300nm的SiO2层(第一绝缘材料层)，并用微纳加工技术将该SiO2层制作成纳米尺寸的绝缘柱体103；
4、再淀积50nm金属钨(第二金属层104)作为加热电极；
5、淀积100nm SiO2/50nm SiN/200nm SiO2的叠层作为绝缘材料层105，其中SiN作为CMP的截止层；
6、用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面至平面处的SiN表面，同时切断绝缘柱体103顶部的第二金属层104的连接，形成环形的钨加热电极；
7、最后淀积相变材料106’(GST)和顶部电极钨(顶部电极106)，引出电极即可形成垂直相变存储器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直相变存储器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上生长第一金属层作为底部电极；
步骤2：在第一金属层上淀积第一绝缘材料层；
步骤3：采用微纳加工技术将该第一绝缘材料层制作成纳米尺寸的绝缘柱体；
步骤4：在第一金属层上和绝缘柱体的表面淀积第二金属层作为加热电极；
步骤5：在第二金属层上淀积第二绝缘材料层；
步骤6：用化学机械抛光的方法抛光表面，同时切断绝缘柱体顶部的第二金属层的连接，形成环形的加热电极；
步骤7：最后淀积相变材料和顶部电极，引出电极即可形成垂直相变存储器。
2.根据权利要求1所述的垂直相变存储器的制备方法，其中步骤1中所述衬底是表面长有绝缘材料的半导体材料衬底或绝缘材料衬底。
3.根据权利要求2所述的垂直相变存储器的制备方法，其中所述半导体材料衬底是硅片或SOI片，所述绝缘材料衬底是SiO2或玻璃。
4.根据权利要求1所述的垂直相变存储器的制备方法，其中所述第一绝缘材料层和第二绝缘材料层是氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种。
5.根据权利要求4所述的垂直相变存储器的制备方法，其中所述淀积第一绝缘材料层的方法是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法或热氧化方法中的一种。
6.根据权利要求1所述的垂直相变存储器的制备方法，其中所述第一金属层是铝、钨、氮化钛、镍、铜、银、金或铂中的一种。
7.根据权利要求1所述的垂直相变存储器的制备方法，其中所述第二金属层是钨、镍或氮化钛中的一种。
8.根据权利要求1所述的垂直相变存储器的制备方法，其中步骤6中所述的化学机械抛光的抛光截止面是位于绝缘柱体的顶部和平面处的第二金属层的表面之间，并且不能使平面处的第二金属层露出。
9.根据权利要求1所述的垂直相变存储器的制备方法，其中步骤3中所述的绝缘柱体的直径为10纳米-1000纳米。
10.根据权利要求1所述的垂直相变存储器的制备方法，其中步骤4中所述的第二金属层的厚度为3纳米-100纳米。
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