CN102593357A - 一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，结合FIB设备特有的纳米加工性能以及半导体公司规模化加工能力的快速表征材料纳米存储性能，本发明将有助于快速表征材料于50nm以下时的信息存储性能，同时可以加快材料的开发速度。本发明制备的相变存储器上可形成横向电极结构，在该横向电极结构的基础之上，根据需要利用聚焦离子束***可以对横向电极结构进行二次加工，最终可得到更小的电极结构，对材料纳米尺度存储性能的研究提供了更大的便利。

Description

一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制备领域，特别是涉及一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法。

背景技术

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。

相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。

存储器的研究一直朝着高速、高密度、低功耗的方向发展。目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，研究热点主要围绕器件工艺以及新材料的开发而展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件的操作电流，即降低功耗；器件结构设计和存储机理研究等；高密度器件阵列的制造工艺研究，包括如何实现器件单元的纳米尺度化问题、高密度器件芯片的工艺问题、器件单元的失效问题等。对于材料的开发方面，包括开发新型的二元以及三元成份的新材料，以及对于现有材料的改性研究等。

在传统的半导体工艺中，高密度单元器件的制备依赖于光刻技术，光刻的极限指标决定了器件单元的最小尺寸；由于光刻中邻近效应的影响对于极小尺寸器件的制备工艺上受到的限制较多。因而，如何制备出具有纳米存储性能的相变存储器已经成为该领域从业者竞相挑战的课题，特别是，在提高相变存储器在50nm以下存储材料的信息存储性能方面仍面临着诸多困难。在现有技术中，研究相变存储器常用的结构为三明治式的夹层结构，该结构为垂直结构，工艺复杂，工序时间较长；另外，底电极结构一旦固定则不可进行再加工，也就是说工序完成后底电极尺寸是固定的。这些缺点使得该结构不利于进行材料尺寸效应的研究。

因而，如何提供一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，以将制备的相变存储器用于快速验证相变材料性能，进而对材料纳米尺度存储性能的研究提供便利，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种相变存储器的制备方法，以助于快速表征材料于50nm以下时的信息存储性能，同时可以加快材料的开发速度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，所述相变存储器的制备方法至少包括以下步骤：

1)提供一硅片衬底，并将所述硅片衬底做清洗处理；

2)利用热氧化工艺在所述硅片衬底表面制备一层厚度为500～800nm的介质为SiO₂的绝缘层；

3)利用光刻及刻蚀工艺于所述绝缘层上形成深度为150～200nm的电极结构图形及标记图形；

4)利用磁控溅射工艺与所述电极结构图形上制备一层厚度为200～250nm的钨电极层；

5)利用化学机械抛光工艺将所述钨电极层进行抛光以制备出顺应电极结构图形的由8×8个独立电极以及4个公共电极组成的横向电极阵列，将各该独立电极的线宽控制为150～300nm，将相邻的两个独立电极的间距控制为小于150nm；

6)于所述硅片衬底上横向电极阵列之外的区域制备多个材料厚度为200nm的对准标记；

7)利用磁控溅射工艺并依据所述对准标记执行对准程序，在相对应的两个独立电极之间的预接合处沉积厚度为100nm的相变材料；

8)利用超高真空电子束蒸发以及光刻剥离工艺在所述硅片衬底上制备绝热保护层。

在本发明相变存储器的制备方法的步骤1)中，将所述硅片衬底做清洗处理的过程包括以下步骤：

1-1)提供一硅片衬底，将所述硅片衬底置于由氨水、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干；

1-2)将所述硅片衬底置于由盐酸、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干；

1-3)将所述硅片衬底置于120℃的烘箱内烘烤30min去除表面水分。

在本发明相变存储器的制备方法的步骤3)中，制备的电极结构图形包括独立电极图形以及公共电极图形。

在本发明相变存储器的制备方法的步骤6)中，制备的对准标记的材质为钨。具体的，所述对准标记为十字图形或由十字线以及与十字线相连的四个方形组成的图形。在一实施方式中，所述十字图形的尺寸为20×20μm。在另一实施方式中，所述十字线尺寸为0.2×2μm，方形尺寸为1×1μm。

在本发明相变存储器的制备方法的步骤7)中，沉积相变材料的过程包括以下步骤：

7-1)于所述硅片衬底上旋涂双层厚度为200～300nm的电子束抗蚀剂；

7-2)依据所述对准标记执行对准程序，利用电子束曝光工艺在相对应的两个独立电极之间的预接合处形成相变材料的沉积区域；

7-3)利用磁控溅射工艺在所述沉积区域沉积厚度为100nm的相变材料；

7-4)利用丙酮浸泡12小时将电子束抗蚀剂及其上面沉积的相变材料去除。

在本发明相变存储器的制备方法的步骤8)中，制备绝热保护层的过程包括以下步骤：

8-1)于所述硅片衬底上旋涂双层厚度为300～400nm的电子束抗蚀剂；

8-2)依据所述对准标记执行对准程序，利用电子束曝光工艺在相变材料的沉积区域形成绝热保护层沉积区；

8-3)利用磁控溅射工艺在所述绝热保护层沉积区沉积厚度为200nm的SiO₂材料；

8-4)利用丙酮浸泡12小时将电子束抗蚀剂及其上面沉积的SiO₂材料去除。

如上所述，本发明相变存储器的制备方法，结合FIB设备特有的纳米加工性能以及半导体公司规模化加工能力的快速表征材料纳米存储性能的一种方法。本发明将有助于快速表征材料于50nm以下时的信息存储性能，同时可以加快材料的开发速度。本发明制备的相变存储器上可形成横向电极结构。在该横向电极结构的基础之上，根据需要利用聚焦离子束***可以对横向电极结构进行二次加工，最终可得到更小的电极结构，对材料纳米尺度存储性能的研究提供了更大的便利，因而，本发明为相变存储器的制备以及相变材料的快速开发提供了一种新的方法，有利于进一步促进相变存储器的发展。

附图说明

图1显示为本发明制备方法的步骤2)中制备绝缘层的示意图。

图2a显示为本发明制备方法的步骤3)中制备的电极结构图形平面示意图。

图2d显示为图2a中C-C线处的剖视图。

图2c显示为图2a中A1处放大示意图。

图2d显示为图2c中A2处放大示意图。

图3显示为本发明制备方法中步骤4)中制备钨电极层的示意图。

图4a显示为本发明制备方法的步骤5)中制备的钨电极平面示意图。

图4b显示为图4a中D-D线处的剖视图。

图4c显示为图4a中B1处放大示意图。

图4d显示为图4c中B2处放大示意图。

图5显示为本发明制备方法中步骤7)中沉积相变材料的示意图。

图6显示为本发明制备方法中步骤8)中制备绝热保护层的示意图。

元件标号说明

11         硅片衬底

12         绝缘层

13         电极结构图形

131        独立电极图形

132        公共电极图形

133        标记图形

14         钨电极层

141        独立电极

142        公共电极

15         对准标记

16         相变材料

17         绝热保护层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，所述相变存储器的制备方法至少包括以下步骤：

首先进行步骤1)，提供一硅片衬底，并将所述硅片衬底做清洗处理，以便在后续的步骤中制备出高纯度的绝缘层，在本实施例中，将所述硅片衬底做清洗处理的过程包括以下步骤：

步骤1-1)，提供一硅片衬底，将所述硅片衬底置于由氨水、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干，去除所述硅片衬底表面的油污和大颗粒。

步骤1-2)，将所述硅片衬底置于由盐酸、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干，去除所述硅片衬底表面的金属离子。

步骤1-3)，将所述硅片衬底置于120℃的烘箱内烘烤30min，以便再次去除表面水分。

然后进行步骤2)，请参阅图1，如图所示，利用热氧化工艺在所述硅片衬底11表面制备一层厚度为500～800nm的介质为SiO₂的绝缘层12。在本实施例中，制备的介质为SiO₂的绝缘层12的厚度例如为800nm。

接着进行步骤3)，请参阅图2a至图2d，其中，图2a显示为本发明制备方法的步骤3)中制备的电极结构图形平面示意图；图2d显示为图2a中C-C线处的剖视图；图2c显示为图2a中A1处放大示意图；图2d显示为图2c中A2处放大示意图。如图所示，利用光刻及刻蚀工艺于所述绝缘层12上形成深度为150～200nm的电极结构图形13及标记图形133，制备的电极结构图形13包括独立电极图形131以及公共电极图形132。其中，独立电极图形131为由8×8个凹槽组成的整体呈十字型的横向电极图形阵列，其中，各该凹槽均由用于后续步骤中制备电极线的线状沟槽连接，且该些线状的沟槽汇总于图2a中的A处，更具体的分布结构请参阅图2c及图2d，所述公共电极图形132为均匀分布于所述十字型的横向电极图形阵列的周边的4个公共电极图形块。

在本实施例中，所述独立电极图形131、公共电极图形132及标记图形133的深度均为200nm。其中，如图2d所示，独立电极图形131包括131a及131b；所述标记图形133为十字图形(如图2c中所示的十字图形)，所述十字图形的尺寸为20×20μm。在另一实施方式中，所述标记图形亦可为由十字线以及与十字线相连的四个方形组成的图形(未予以呈现图示)，其中，所述十字线尺寸为0.2×2μm，方形尺寸为1×1μm。

接着进行步骤4)，请参阅图3，显示为本发明制备方法中步骤4)中制备钨电极层14的示意图，如图所示，利用磁控溅射工艺与所述电极结构图形上制备一层厚度为200～250nm的钨电极层14，在本实施例中，所述材料为钨的电极层的制备是利用磁控溅射的方法完成，钨电极层14的厚度控制为250nm，保证将绝缘层12上的电极结构图形13完全填满，使得后续的抛光工艺顺利进行。

再接着执行步骤5)，请参阅图4a至图4d，其中，图4a显示为本发明制备方法的步骤5)中制备的钨电极平面示意图；图4b显示为图4a中D-D线处的剖视图；图4c显示为图4a中B1处放大示意图；图4d显示为图4c中B2处放大示意图。如图所示，显示为本发明制备方法中步骤5)中将钨电极层抛光的示意图，如图所示，利用化学机械抛光工艺将所述钨电极层14进行抛光以制备出顺应电极结构图形的由8×8个独立电极141以及4个公共电极142组成的横向电极阵列，将各该独立电极141的电极线的线宽控制为150～300nm，将相邻的两个独立电极141的间距控制为小于150nm，

然后接着执行步骤6)，如图4c所示，于所述硅片衬底上横向电极阵列之外的区域制备多个材料厚度为200nm的对准标记15；在本实施例中，制备的对准标记15的材质为钨，将所述对准标记15的材质选为和钨电极层14的材质相同，以便于简化工艺流程。

在本实施例中，所述对准标记为十字图形(如图4c中所示的十字图形)，所述对准标记15的尺寸为20×20μm。在另一实施方式中，所述对准标记亦可为由十字线以及与十字线相连的四个方形组成的图形(未予以呈现图示)，其中，所述十字线尺寸为0.2×2μm，方形尺寸为1×1μm。

然后执行步骤7)，请参阅图5，显示为本发明制备方法中步骤7)中沉积相变材料的示意图，如图所示，利用磁控溅射工艺并依据所述对准标记15执行对准程序，在相对应的两个独立电极141a及141b之间的预接合处沉积厚度为100nm的相变材料16，在本实施例中，沉积相变材料16的过程包括以下步骤：

步骤7-1)，于所述硅片衬底上旋涂双层厚度为200～300nm的电子束抗蚀剂(Electron beamresist)，具体地，所述电子束抗蚀剂亦称光刻胶(未图示)。

步骤7-2)，依据所述对准标记执行对准程序，利用电子束曝光工艺在相对应的两个独立电极之间的预接合处形成相变材料的沉积区域。

步骤7-3)，利用磁控溅射工艺在所述沉积区域沉积厚度为100nm的相变材料。

步骤7-4)，利用丙酮浸泡12小时将电子束抗蚀剂(光刻胶)及其上面沉积的相变材料去除。

最后执行步骤8)，请参阅图6，显示为本发明制备方法中步骤8)中制备绝热保护层的示意图，如图所示，利用超高真空电子束蒸发以及光刻剥离工艺在所述硅片衬底上制备绝热保护层17。在本实施例中，制备绝热保护层17的过程包括以下步骤：

8-1)于所述硅片衬底上旋涂双层厚度为300～400nm的电子束抗蚀剂。

8-2)依据所述对准标记执行对准程序，利用电子束曝光工艺在相变材料的沉积区域形成绝热保护层沉积区。

8-3)利用磁控溅射工艺在所述绝热保护层沉积区沉积厚度为200nm的SiO₂材料。

8-4)利用丙酮浸泡12小时将电子束抗蚀剂及其上面沉积的SiO₂材料去除。

综上所述，本发明相变存储器的制备方法，结合FIB设备特有的纳米加工性能以及半导体公司规模化加工能力的快速表征材料纳米存储性能的一种方法。本发明将有助于快速表征材料于50nm以下时的信息存储性能，同时可以加快材料的开发速度。本发明制备的相变存储器上可形成横向电极结构。在该横向电极结构的基础之上，根据需要利用聚焦离子束***可以对横向电极结构进行二次加工，最终可得到更小的电极结构，对材料纳米尺度存储性能的研究提供了更大的便利，因而，本发明为相变存储器的制备以及相变材料的快速开发提供了一种新的方法，有利于进一步促进相变存储器的发展。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于，所述相变存储器的制备方法至少包括以下步骤：

1)提供一硅片衬底，并将所述硅片衬底做清洗处理；

2)利用热氧化工艺在所述硅片衬底表面制备一层厚度为500～800nm的介质为SiO₂的绝缘层；

3)利用光刻及刻蚀工艺于所述绝缘层上形成深度为150～200nm的电极结构图形及标记图形；

4)利用磁控溅射工艺与所述电极结构图形上制备一层厚度为200～250nm的钨电极层；

5)利用化学机械抛光工艺将所述钨电极层进行抛光以制备出顺应电极结构图形的由8×8个独立电极以及4个公共电极组成的横向电极阵列，将各该独立电极的线宽控制为150～300nm，将相邻的两个独立电极的间距控制为小于150nm；

6)于所述硅片衬底上横向电极阵列之外的区域制备多个材料厚度为200nm的对准标记；

7)利用磁控溅射工艺并依据所述对准标记执行对准程序，在相对应的两个独立电极之间的预接合处沉积厚度为100nm的相变材料；

8)利用超高真空电子束蒸发以及光刻剥离工艺在所述硅片衬底上制备绝热保护层。

2.根据权利要求1所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中将所述硅片衬底做清洗处理的过程包括以下步骤：

1-1)提供一硅片衬底，将所述硅片衬底置于由氨水、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干；1-2)将所述硅片衬底置于由盐酸、双氧水、去离子水按照体积比为1∶2∶5配比混合溶液中煮沸5min，经冷却后用去离子水冲洗3min，之后用氮气吹干；

1-3)将所述硅片衬底置于120℃的烘箱内烘烤30min去除表面水分。

3.根据权利要求1所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中制备的电极结构图形包括独立电极图形以及公共电极图形。

4.根据权利要求1所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤6)中制备的对准标记的材质为钨。

5.根据权利要求4所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述对准标记为十字图形或由十字线以及与十字线相连的四个方形组成的图形。

6.根据权利要求5所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述十字图形的尺寸为20×20μm。

7.根据权利要求5所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述十字线尺寸为0.2×2μm，方形尺寸为1×1μm。

8.根据权利要求1所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中沉积相变材料的过程包括以下步骤：

7-1)于所述硅片衬底上旋涂双层厚度为200～300nm的电子束抗蚀剂；

7-2)依据所述对准标记执行对准程序，利用电子束曝光工艺在相对应的两个独立电极之间的预接合处形成相变材料的沉积区域；

7-3)利用磁控溅射工艺在所述沉积区域沉积厚度为100nm的相变材料；

7-4)利用丙酮浸泡12小时将电子束抗蚀剂及其上面沉积的相变材料去除。

9.根据权利要求1所述的具有纳米存储性能的相变存储器的制备方法，其特征在于：所述步骤8)中制备绝热保护层的过程包括以下步骤：

8-1)于所述硅片衬底上旋涂双层厚度为300～400nm的电子束抗蚀剂；

8-2)依据所述对准标记执行对准程序，利用电子束曝光工艺在相变材料的沉积区域形成绝热保护层沉积区；

8-3)利用磁控溅射工艺在所述绝热保护层沉积区沉积厚度为200nm的SiO₂材料；

8-4)利用丙酮浸泡12小时将电子束抗蚀剂及其上面沉积的SiO₂材料去除。

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