CN105489755A - 垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，一方面，采用无掩模相变材料填充、退火并湿法腐蚀形成局域化相变材料的方法，不仅降低了填孔工艺中的深宽比，提高了薄膜的填充质量，而且该相变材料填充工艺为自对准工艺，工艺实施难度低；另一方面，该结构的锥形电极能够把两个电极间的电场在锥尖端附近强化，相当于减小了接触电极的尺寸，减小了有效相变体积，降低了功耗。此外，由于可用的相变材料储备充分，该结构还具有较好的疲劳特性，提高了器件的工作可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及微纳技术领域，特别涉及一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法。
背景技术
高新技术产业和基础服务设施的加速发展对于快速计算和高效存储的要求越来越高，而CPU处理能力的提升对存储芯片的速度和功耗的依赖性越来越显著，因此如何发展高效存储成为未来急需突破的关键技术之一。相变存储器PCM(phasechangerandomaccessmemory)以硫系化合物为存储介质，依靠电流的热效应控制相变材料在晶态(低阻)和非晶态(高阻)之间转化实现信息的写入与擦除，依靠探测存储区域电阻的变化实现信息的读出。PCM具有非挥发性，与目前大多数的存储器相比，具有器件尺寸小、功耗低、读取速度快、抗辐照、能实现多级存储以及与现有的CMOS工艺兼容等诸多优点。具有类似器件结构，基于金属氧化物的电阻存储器RRAM由于其结构简单、成分精确可控、与逻辑工艺兼容等优点，被认为最有可能取代目前的SRAM、DRAM、FLASH等主流产品而成为未来主流存储的半导体存储器之一。
目前，PCM相变存储器面临的最主要问题是操作电流过大，对驱动电路的要求较高，限制了存储功耗的降低、存储速度的提升和存储密度的提高。PCM的量产结构降低有效相变体积的方法中一类是是制备更小尺寸的纳米插塞电极；另一类方法是制备相变材料限制性结构，通过减小可供于相变的体积减小有效相变体积。这两类方法都要受限于复杂的PVD、CVD填孔工艺和CMP表面平坦化工艺。本发明提出的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，一方面，采用无掩模相变材料填充、退火并湿法腐蚀形成局域化相变材料的方法，降低了填孔工艺中的深宽比，提高了薄膜的填充质量，且制备工艺为自对准工艺，降低了工艺实施难度；另一方面，该结构的锥形电极能够把两个电极间的电场在锥尖端附近强化，相当于减小了接触电极的尺寸，减小了有效相变体积，降低了功耗。此外，由于可用的相变材料储备充分，该结构还具有较好的疲劳特性，提高了器件的工作可靠性。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法。本发明对于快速实现小单元功耗、大器件工作可靠性、与现有的CMOS工艺兼容，具有非常好的产业化应用前景。
本发明公开了一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法。该方法的具体步骤包括：
步骤1：在衬底101上淀积第一电热绝缘材料层102A，然后用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法在第一电热绝缘材料层102A上制备底部电极层103，并淀积第二电热绝缘材料层102B钝化表面，并用“光刻-剥离”的方法制备辅助电极层104；
步骤2：在第二电热绝缘材料层102B和辅助电极层104的上表面，旋涂并光刻出光刻胶掩模100，并通过该掩模干法刻蚀出深度到达底部电极层103上表面的通孔，并淀积一层锥形电极层105；
步骤3：去除光刻胶掩模100，剥离形成锥尖不高于辅助电极层104上表面的锥形电极105A；
步骤4：在辅助电极层104及锥形电极105A的上方，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备一层相变材料层106；
步骤5：退火并用碱性溶液腐蚀相变材料层106，形成仅位于通孔内的局域化相变材料层106A；
步骤6：在第二电热绝缘材料层102B、辅助电极层104及局域化相变材料层106A的上方，通过“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备顶部电极层107，并用淀积第三电热绝缘材料层102C钝化表面；
步骤7：在第三电热绝缘材料层102C上表面，采用“光刻-刻蚀-薄膜淀积-剥离”的方法制备接触深度到达底部电极层103和顶部电极层107上表面的第一测试电极108A和第二测试电极108B，完成器件制备。
填孔工艺的实施质量很大程度上相关于孔的深宽比，本发明涉及的制备方法相变材料的填孔无需借助于光刻掩模，降低了要填孔的深宽比，一方面，采用无掩模相变材料填充，退火并湿法腐蚀形成局域化相变材料的方法，降低了填孔工艺中的深宽比，提高了薄膜的填充质量，且制备工艺为自对准工艺，降低了工艺实施难度；另一方面，该结构的锥形电极能够把两个电极间的电场在锥尖端附近强化，相当于减小了接触电极的尺寸，减小了有效相变体积，降低了功耗。此外，由于可用的相变材料储备充分，该结构还具有较好的疲劳特性，提高了器件的工作可靠性。
解决了以往研发此类垂直结构由CMP技术的研发瓶颈所导致的研发周期长、难度大、成本高、适用性差的缺点，并在制备精度、制备效率、经济性以及与现有的CMOS工艺兼容性等方面具有很大的优越性。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是本发明提供的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法的流程图；
图2-8是垂直结构全限制相变存储器的自对准制备工艺流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，一方面，采用无掩模相变材料填充、退火并湿法腐蚀形成局域化相变材料的方法，不仅降低了填孔工艺中的深宽比，提高了薄膜的填充质量，而且该相变材料填充工艺为自对准工艺，工艺实施难度低；另一方面，该结构的锥形电极能够把两个电极间的电场在锥尖端附近强化，相当于减小了接触电极的尺寸，减小了有效相变体积，降低了功耗。此外，由于可用的相变材料储备充分，该结构还具有较好的疲劳特性，提高了器件的工作可靠性。
图1示出了本发明提出的一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法流程图。图2-8给出了本发明提出的一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备工艺流程图。本发明提供一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，该方法包括：
步骤1：在衬底101上淀积第一电热绝缘材料层102A，然后用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法在第一电热绝缘材料层102A上制备底部电极层103，并淀积第二电热绝缘材料层102B钝化底部电极层103，并用“光刻-剥离”的方法制备辅助电极层104；
其中，所述衬底101的材料可以为硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅、砷化镓或玻璃；作用在于提供器件制备所必须的平坦化支撑。
其中，第一电热绝缘层102A的设计目的在于提供器件的电热绝缘环境，其特征厚度不超过300纳米。第二电热绝缘材料层102B的设计目的在于形成孔内的锥形电极，并实现孔内限制型的相变材料。第二电热绝缘材料层102B的设计厚度直接决定了可淀积相变材料的设计厚度，其设计厚度为50到300纳米；
其中，底部电极层103的设计作用在于对局域化的相变材料内施加电脉冲诱导相变，其设置厚度介于20到200纳米；辅助电极层104的设计作用提供相变材料湿法腐蚀的诱导层，实验发现处于晶态的在导电衬底和绝缘类衬底上相变材料在碱性溶液中湿法腐蚀速率差异超过一个数量级。磁控溅射后的相变材料处于非晶态，不溶于碱性溶液，经过200-500℃的退火，可以将相变材料设置到晶态。因此，通过对圆孔上方淀积一个薄层的金属层，用作相变材料腐蚀过程中的导电类衬底，提高相变材料在碱性溶液中的腐蚀速率，其设计厚度小于20纳米；
步骤2：在第二电热绝缘材料层102B和辅助电极层104的上表面，旋涂并光刻出光刻胶掩模100，并通过该掩模干法刻蚀出深度到达底部电极层103上表面的通孔，并淀积一层锥形电极层105；
其中，光刻胶掩模100的设计作用在于提供圆孔的刻蚀掩模，另一方面增加薄膜填充的深宽比，目的在于促使孔上方的薄膜并口，在孔内形成锥形。光刻胶掩模100的设计厚度200～500纳米。光刻胶掩模100的材料是SU-8光刻胶、ZEP光刻胶、HSQ光刻胶、PMMA光刻胶、AZ系列光刻胶；通过旋涂法、光学光刻、激光直写、电子束曝光、离子束直写中的任意一种或几种方法的组合制备；
步骤3：去除光刻胶掩模100，剥离形成锥尖不高于辅助电极层104上表面的锥形电极105A；
其中，锥尖的顶部尺度和相变材料的淀积厚度决定了有效相变体积的大小。锥尖的顶部不高于辅助电极层104的设计，目的在于后期将相变材料填充在圆孔内，提高相变材料的加热效率；
步骤4：在辅助电极层104及锥形电极105A的上方，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备一层相变材料层106；
其中，相变材料层106是GeSbTe系列合金，是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备；
步骤5：退火并用碱性溶液腐蚀相变材料层106，形成仅位于通孔内的局域化相变材料层106A；
其中，退火方式可以选用真空、氮气、氩气氛围下，快速退火，温度限定在200-500℃；相变材料的初始淀积状态为非晶态，相变材料的第一相变温度通常介于150℃左右，采用200-500℃的退火处理，可以将相变材料设置到晶态；
步骤6：在第二电热绝缘材料层102B、辅助电极层104及局域化相变材料层106A的上方，通过“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备顶部电极层107，并用淀积第三电热绝缘材料层102C钝化顶部电极层107；
步骤7：在第三电热绝缘材料层102C上表面，采用“光刻-刻蚀-薄膜淀积-剥离”的方法制备接触深度到达底部电极层103和顶部电极层107上表面的第一测试电极108A和第二测试电极108B，完成器件制备。
其中，所述第一、第二、第三、第四和第五电热隔离材料层102A、102B和102C的材料可以为氮氧化合物、氮化物或氧化物，或以上其中几种的组合，作用在于提供器件工作的电热绝缘环境，可以相同也可以不相同。由于其功能相同，编号中仅从最后一位的字母顺序加以区分。其中，为了更好地实现电热绝缘特性，第一电热绝缘材料层102A优选地选用LPCVD方法生长的氮化硅或者热氧化方法生长的氧化硅。同时考虑到薄膜淀积工艺的温度兼容性，按照电机薄膜的顺序(第二102B和第三102C)，排在后面的薄膜的淀积温度不高于前序的薄膜的淀积温度；所述第一、二和三电热绝缘材料层102A、102B和102C，通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法或热氧化法或金属有机物热分解法中的一种或者几种的组合进行制备。
其中，底部电极层103、辅助电极层104、锥形电极层105、锥形电极105A、顶部电极107、第一测试电极108A和第二测试电极108B的材料是钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜、铂金属单质、及其氧化物中的一种或几种的组合，可以通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、原子层沉积法、金属有机物热分解法中的一种或者几种制备。
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，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)
1.一种垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，该方法包括：
步骤1：在衬底(101)上淀积第一电热绝缘材料层(102A)，然后用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法在第一电热绝缘材料层(102A)上制备底部电极层(103)，并淀积第二电热绝缘材料层(102B)钝化底部电极层(103)，并用“光刻-剥离”的方法制备辅助电极层(104)；
步骤2：在第二电热绝缘材料层(102B)和辅助电极层(104)的上表面，旋涂并光刻出光刻胶掩模(100)，并通过该掩模(100)干法刻蚀出深度到达底部电极层(103)上表面的通孔，并淀积一层锥形电极层(105)；
步骤3：去除光刻胶掩模(100)，剥离形成锥尖不高于辅助电极层(104)上表面的锥形电极(105A)；
步骤4：在辅助电极层(104)及锥形电极(105A)的上方，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备一层相变材料层(106)；
步骤5：退火并用碱性溶液腐蚀相变材料层(106)，形成仅位于通孔内的局域化相变材料层(106A)；
步骤6：在第二电热绝缘材料层(102B)、辅助电极层(104)及局域化相变材料层(106A)的上方，通过“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备顶部电极层(107)，并用淀积第三电热绝缘材料层102C钝化顶部电极层(107)；
步骤7：在第三电热绝缘材料层(102C)上表面，采用“光刻-刻蚀-薄膜淀积-剥离”的方法制备接触深度到达底部电极层(103)和顶部电极层(107)上表面的第一测试电极(108A)和第二测试电极(108B)，完成器件制备。
2.根据权利要求1所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中光刻胶掩模层(100)的材料是SU-8光刻胶、ZEP光刻胶、PMMA光刻胶、AZ6130光刻胶或S9912光刻胶。
3.根据权利要求2所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中光刻胶掩模层(100)是通过光学光刻、激光直写、电子束曝光和离子束直写中的任意一种或几种方法的组合制备。
4.根据权利要求1所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中衬底(101)的材料为硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅或玻璃。
5.根据权利要求1所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中第一、第二和第三电热隔离材料层(102A)、(102B)和(102C)的材料是氮氧化合物、氮化物或氧化物中的任意一种或几种的组合。
6.根据权利要求5所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中第一、第二和第三电热隔离材料层(102A)、(102B)和(102C)是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。
7.根据权利要求1所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中底部电极层(103)、辅助电极层(104)、锥形电极层(105)、锥形电极(105A)、顶部电极层(107)、第一测试电极(108A)和第二测试电极(108B)的材料是钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜或铂金属单质及其氧化物中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求1-7任一所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中底部电极层(103)、辅助电极层(104)、锥形电极层(105)、锥形电极(105A)、顶部电极层(107)、第一测试电极(108A)和第二测试电极(108B)是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、原子层沉积法、金属有机物热分解法中的一种或者几种制备。
9.根据权利要求1所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中相变材料层(106)和局域化相变材料层(106A)的材料是GeSbTe系列合金。
10.根据权利要求9所述的垂直结构全限制相变存储器的自对准制备方法，其中相变材料层(106)和局域化相变材料层(106A)是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种或者几种制备。
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