CN112002802A - 一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法。选用预加工的填充有钨塞的氧化硅衬底，根据氧化硅与钨塞刻蚀的速率差异，采用聚焦离子束刻蚀的方法得到具有更小的纳米尺寸的钨塞小电极钨塞。采用物理气相沉积方法在钨塞上层依次沉积相变材料和电极材料层，利用聚焦离子束***在W塞正上方沉积更小尺寸钨硬掩膜，采用反应离子刻蚀方法刻蚀硬掩模周围的的相变材料和电极材料层，再沉积介质层包覆整个器件单元，沉积电极材料最终形成极小体积的相变存储器件。本发明在微纳尺度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和相应的极小尺寸的相变存储器件，可用于构建高密度、低功耗新型相变存储器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件加工领域，涉及一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法。
背景技术
相变存储器(Phase Change Random Access Memory,PCRAM)因其非易失性、循环寿命高、微缩性好、与现有的标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)工艺完美兼容等特点，是下一代非易失性存储器最有竞争力的候选者之一，在存储技术领域受到广泛的关注。自从1968年S.R.Ovshinsky首次提出具有可逆相变特性的硫系化合物合金以来，相关公司和研究机构就已开展对相变存储技术的研究，但受限于早期集成电路技术和半导体加工工艺，相变存储技术发展较缓慢。随着半导体加工工艺的日渐成熟，尺寸节点也从几百纳米突破到几十纳米，传统的存储器件在实现集成化、小型化的实践中面临着尺寸微缩下物理机制失效的严峻挑战，而相变存储材料具有很好的可微缩性，因此基于相变存储材料开发出具有纳米量级存储器件，达到4F2存储单元尺寸具有重要的应用价值和意义。我们从垂直结构的PCRAM出发，从两方面来实现具有纳米量级的相变存储器件。A.Pirovano等人证明在垂直结构的PCRAM中，操作电流随着接触面积的减小而降低，实现了相变存储器件更低功耗的特性。首先，采用聚焦离子束(Focus Ion Beam,FIB)技术利用电磁透镜将聚焦离子束经过偏转和聚焦，形成尺寸极小的锥形离子束轰击到材料表面，实现剥离、切割、沉积、注入和改性等目的，随着纳米尺度制造业的迅猛发展，聚焦离子束的纳米加工能力使其成为纳米制造业的核心，配合扫描电镜等高倍数电子显微镜实时监控，成为纳米量级分析和制造的主要方法，我们将已预加工的填充有钨塞的氧化硅衬底在FIB中进行刻蚀，根据金属钨与氧化硅的刻蚀速率的不同，在钨塞顶端刻蚀出一个纳米量级的小尺寸尖端，减小加热电极的尺寸，缩小了相变材料与电极的接触面积。其次，随着集成电路对高集成密度、小特征尺寸的需求，刻蚀技术是解决特征尺寸的核心技术之一，我们采用干法刻蚀中的反应离子刻蚀(Reactive Ion Etch,RIE)技术,充分发挥其各项异性、高选择比、均一性等优点，刻蚀W塞周围多余的相变存储材料层，形成极小尺寸的相变存储器件，有望实现4F2存储单元尺寸，实现高密度集成、降低操作电流、提高耐久性。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米量级的钨塞小电极相变存储器件制备方法，通过先进的聚焦离子束的微区加工能力和反应离子刻蚀技术各项异性、高选择比等优点，在微纳尺度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和相应的极小尺寸的相变存储器件，可用于构建高密度、低功耗新型相变存储器件。
实现本发明目的的具体技术方案：
一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选用预加工的填充有钨塞的氧化硅衬底，根据氧化硅与钨塞刻蚀的速率差异，刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅，由于金属钨较氧化硅的刻蚀速率慢，在钨塞顶端刻蚀出一个上小下大的圆台形尖端，形成纳米尺寸的钨塞小电极1；
步骤2：沉积SiOx绝缘层2填充所述钨塞小电极1周围被刻蚀的区域至高出所述钨塞小电极1；
步骤3：抛光钨塞小电极1周围区域，去除钨塞小电极周围多余的SiOx绝缘层2得到平整的表面，使得钨塞小电极1顶端与SiOx绝缘层2表面平齐；
步骤4：在所述钨塞小电极1上方依次沉积相变材料3和电极层4；
步骤5：在所述的钨塞小电极1正上方沉积钨柱硬掩膜5；
步骤6：刻蚀钨柱硬掩膜5周围多余的相变材料3和TiNx电极材料4露出SiOx绝缘层2，形成纳米尺寸的相变存储器件；
步骤7：沉积一圆台形的SiOx包覆层6，完全包覆所述相变存储器件；
步骤8：刻蚀掉钨柱硬掩模5表面的SiOx包覆层6，直至刚好露出钨柱硬掩膜5，形成清洁的表面；
步骤9：在所述钨柱硬掩模5周围分别依次沉积TiNx顶部电极7和钨顶部电极8，将SiOx包覆层6、SiOx绝缘层2全部包覆在内。
所述的制备方法，所述步骤1中，采用聚焦离子束刻蚀的方法刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅，钨塞直径为100-200纳米。
所述的制备方法，所述步骤1中，圆台形尖端的顶部直径小于50纳米，大于钨柱硬掩模5的直径。
所述的制备方法，所述步骤2中，采用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式沉积SiOx绝缘层2。
所述的制备方法，所述步骤2中，SiOx绝缘层2的厚度为100-300纳米。
所述的制备方法，所述步骤3中，采用化学机械抛光技术抛光钨塞小电极1周围区域。
所述的制备方法，所述步骤4中，采用物理气相沉积的方法在所述钨塞小电极1上方依次沉积厚度为5-100纳米的Ge2Sb2Te5相变材料3和厚度为5-200纳米的TiN电极层4。
所述的制备方法，所述步骤5中，采用聚焦离子束沉积技术，在所述的钨塞小电极1正上方沉积厚度为10-100纳米、直径为5-100纳米的钨柱硬掩膜5。
所述的制备方法，所述步骤6中，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀钨柱硬掩膜5周围多余的相变材料3和TiNx电极材料4露出SiOx绝缘层2。
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤7中，采用聚焦离子束沉积技术，沉积一层高度为10-300纳米的圆台形的SiOx包覆层6。
所述的制备方法，所述步骤8中，采用聚焦离子束刻蚀技术，刻蚀掉钨柱硬掩模5表面的SiOx包覆层6。
所述的制备方法，所述步骤9中，采用电子束蒸发的工艺，在所述钨柱硬掩模5周围分别依次沉积厚度为20纳米的TiNx顶部电极7和厚度为30纳米的钨顶部电极8，将SiOx包覆层6、SiOx绝缘层2全部包覆在内。
所述的制备方法，所述步骤4中，所述相变材料3为Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、GeTe、Sb2Te中的一种或至少两种混合或叠加，厚度5-100纳米。
所述的制备方法，所述步骤4中，所述电极层4的材料为TiNx、Al、W、Pt、中的一种，厚度为5-200纳米。
本发明得到的有益效果是：采用先进的聚焦离子束的微区加工能力和反应离子刻蚀技术各项异性、高选择比等优点，在微纳尺度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和相应的纳米尺寸的相变存储器件，可用于构建高密度、低功耗新型相变存储器件。
附图说明
图1为本发明填充有直径为180纳米的钨塞的氧化硅衬底；
图2-图10分别为步骤1-9对应的示意图；
1---钨塞小电极
2---SiOx绝缘层
3---Ge2Sb2Te5相变材料
4---TiNx电极层
5---钨柱硬掩模
6---SiOx包覆层
7---TiNx顶部电极
8---钨顶部电极
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参阅图1-图10，本发明提出一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选用预加工的填充有直径为180纳米的钨塞的氧化硅衬底(图1中黑色区域为钨塞)，采用聚焦离子束刻蚀的方法，刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅，由于金属钨较氧化硅的刻蚀速率慢，在钨塞顶端刻蚀出一个顶部直径小于50纳米(例如本实施例为35纳米，略大于钨柱硬掩膜5的直径)的上小下大的圆台形尖端，形成纳米尺寸的钨塞小电极1(图2)；
步骤2：如图3所示，采用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式，沉积厚度为200纳米的SiOx绝缘层2填充所述钨塞小电极1周围被刻蚀的区域至高出所述钨塞小电极1；
步骤3：如图4所示，采用化学机械抛光技术抛光钨塞小电极1周围区域，去除钨塞小电极周围多余的SiOx绝缘层2得到平整的表面，使得钨塞小电极1顶端与SiOx绝缘层2表面平齐。
步骤4：如图5所示，采用物理气相沉积的方法在所述钨塞小电极1上方依次沉积厚度为40纳米的Ge2Sb2Te5相变材料3和厚度为15纳米的TiN电极层4；
步骤5：如图6所示，采用聚焦离子束沉积技术，在所述的钨塞小电极1正上方沉积厚度为40纳米、直径为30纳米的钨柱硬掩膜5；
步骤6：如图7所示，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀钨柱硬掩膜5周围多余的相变材料3和TiNx电极材料4露出SiOx绝缘层2，形成纳米尺寸的相变存储器件；
步骤7：如图8所示，采用聚焦离子束沉积技术，沉积一层高度为120纳米的圆台形的SiOx包覆层6，完全包覆所述相变存储器件；
步骤8：如图9所示，采用聚焦离子束刻蚀技术，刻蚀掉钨柱硬掩模5表面的SiOx包覆层6，直至刚好露出钨柱硬掩膜5，形成清洁的表面；
步骤9：如图10所示，采用电子束蒸发的工艺，在所述钨柱硬掩模5周围分别依次沉积厚度为20纳米的TiNx顶部电极7和厚度为30纳米的钨顶部电极8，将SiOx包覆层6、SiOx绝缘层2全部包覆在内；
综上所述，本实施例中提出了一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法。采用先进的聚焦离子束的微区加工能力和反应离子刻蚀技术各项异性、高选择比等优点，在微纳尺度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和相应的纳米尺寸的相变存储器件，可用于构建高密度、低功耗新型相变存储器件。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选用预加工的填充有钨塞的氧化硅衬底，根据氧化硅与钨塞刻蚀的速率差异，刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅，在钨塞顶端刻蚀出一个上小下大的圆台形尖端，形成纳米尺寸的钨塞小电极(1)；
步骤2：沉积SiOx绝缘层(2)填充所述钨塞小电极(1)周围被刻蚀的区域至高出所述钨塞小电极(1)；
步骤3：抛光钨塞小电极(1)周围区域，去除钨塞小电极周围多余的SiOx绝缘层(2)得到平整的表面，使得钨塞小电极1顶端与SiOx绝缘层(2)表面平齐；
步骤4：在所述钨塞小电极(1)上方依次沉积相变材料(3)和电极层(4)；
步骤5：在所述的钨塞小电极(1)正上方沉积钨柱硬掩膜(5)；
步骤6：刻蚀钨柱硬掩膜(5)周围多余的相变材料(3)和TiNx电极材料(4)露出SiOx绝缘层(2)，形成纳米尺寸的相变存储器件；
步骤7：沉积一圆台形的SiOx包覆层(6)，完全包覆所述相变存储器件；
步骤8：刻蚀掉钨柱硬掩模(5)表面的SiOx包覆层(6)，直至刚好露出钨柱硬掩膜(5)，形成清洁的表面；
步骤9：在所述钨柱硬掩模(5)周围分别依次沉积TiNx顶部电极(7)和钨顶部电极(8)，将SiOx包覆层(6)、SiOx绝缘层(2)全部包覆在内。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，采用聚焦离子束刻蚀的方法刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅，钨塞直径为100-200纳米。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，圆台形尖端的顶部直径小于50纳米，大于钨柱硬掩模(5)的直径。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式沉积SiOx绝缘层(2)。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，SiOx绝缘层(2)的厚度为100-300纳米。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，采用化学机械抛光技术抛光钨塞小电极(1)周围区域。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，采用物理气相沉积的方法在所述钨塞小电极(1)上方依次沉积厚度为5-100纳米的Ge2Sb2Te5相变材料(3)和厚度为5-200纳米的TiN电极层(4)。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，采用聚焦离子束沉积技术，在所述的钨塞小电极(1)正上方沉积厚度为10-100纳米、直径为5-100纳米的钨柱硬掩膜(5)。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，采用反应离子刻蚀技术，刻蚀钨柱硬掩膜(5)周围多余的相变材料(3)和TiNx电极材料(4)露出SiOx绝缘层(2)。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤7中，采用聚焦离子束沉积技术，沉积一层高度为10-300纳米的圆台形的SiOx包覆层(6)。
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