CN1556550A - 相变存储器单元器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变存储器单元器件的制备方法，属于微电子技术领域。其特征在于，首先在衬底材料上沉积底电极材料，再沉积电介质材料，然后通过机械方法，用三棱锥，圆锥等多种形状和钻石，金刚石等不同材料的压头在薄膜上打出小孔，使小孔穿透电介质层，尖头部和底电极材料接触。接着，沉积薄薄一层相变材料，表面抛光。接着使用剥离技术，即涂上光刻胶，曝光显影使小孔露出来，然后沉积上电极材料，去胶制成。优点在于相变材料和底电极接触面很小，可达几百纳米，所以很小的电流就可以产生很大的热量，使相变材料在很短时间内就可发生相变。用本发明制备的器件具有较小的功耗，很短的响应时间，对于器件的性能有很大的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变存储器单元器件的制备方法，属于微电子技术领域。
背景技术
80多年前，人们第一次发现了硫属化合物相变而导致的电导率的变化。20世纪50年代，硫属化合物合金晶态和非晶态的半导体性质被广泛研究。到了20世纪60年代初，有报道说出现了新的可逆相变材料和可编程光电器件，这些器件目的是用于电脑中的不易失性存储器。这些报道刺激了相关应用领域的广泛研究，激光诱发硫属化合物合金导致相变的可写光盘存储器进入商业生产。
现在，随机存储器中，动态随机存储器(DRAM)，静态随机存储器(SRAM)，闪存(Flash)占据主导地位。但是随着半导体技术的发展，DRAM越来越满足不了发展的要求。目前，科学家正在寻找替代用品。主要候选有：磁性存储器(MRAM)，铁电存储器(FeRAM)，相变存储器(PRAM)等。而相比与其他存储器，PRAM有一下一些优点：数据不易失性，超高集成度，低电压低功耗，转换速率高，非损伤性读取，抗辐照，高达1012可擦写次数等。
而近年来，随着可读写光盘广泛应用，对硫属化合物合金的了解加深；对器件性能细节的了解进一步加深；光刻技术进一步发展，光刻尺寸也大大缩小。这一系列的发展使得采用相变半导体存储器件制备实用高性能存储元件成为可能。因此，有理由相信，未来几年到十几年，具有可以取代Flash、DRAM和SRAM的能力的PRAM芯片将进入市场。
然而，目前相变存储器的尺寸还处在几十个微米以上范围，而其优越性只有在尺寸达到纳米级才能最大限度的体现。纳电子器件的制备主要受要工艺上的限制，如曝光技术，刻蚀技术等。对于曝光技术解决方法主要有电子束曝光(EB)，聚焦离子束曝光(FIB)，spacer技术等((1)J.Kedzierski，P.Xuan，E.Anderson，J.Bokor，T.-J.King，and C.Hu，Complementary silicdesource/drain thin-body MOSFET’s for the 20nm gate length regime，in IEDMTech.Dig.，2000.pp.57-60.(2)Yang-Kyu Choi，Tsu-Jae King，Member，IEEE，and Chenming Hu，Fellow，IEEE，IEEE Transactions On Electron Devices，Vol.49 No.3，436.)。问题在于工艺复杂，成本昂贵。是否可以用方便而简洁的方法制备出纳米级的接触面，从而提高器件的响应速度，减小功耗。这是人们所追求的目标。
发明内容
本发明提供了一种制备相变存储器单元器件的方法。其具体制备过程是：
(1)在清洗后衬底材料上沉积底电极薄膜(BE)，厚度在100nm-300nm。接着沉积电介质材料(ILD)，厚度为200-300nm。其作用是作为电介质材料阻挡热传导，从而减小各个器件之间的影响，提高其工作性能。衬底材料可以为Si、SiO2中的一种。
(2)通过机械方法，在电介质材料上打出很小的孔，孔深略大于电介质层厚度，使孔穿透电介质和底电极材料接触。打孔所用的压头呈三棱锥或圆锥形，它是由钻石或金刚石材料制成。压头表面积小于1um2。
(3)主要用磁控溅射沉积多元的相变材料。其厚度在20nm-50nm，然后将表面抛光，相变材料和底电极接触面很小，可达几百纳米。
(4)最后用剥离(liftoff)技术，即涂胶，曝光，显影，使小孔暴露出来。
然后沉积上电极材料，厚度在300nm-400nm。去胶，就可得到了简单的单元器件。
所述的电介质材料主要为Si3N4或SiO2；
所述的涂胶为一般市售的光刻胶，如1818，6809等。
所述的底电极材料可以为W，Li，Pt等中的一种或两种，总厚度在100nm-300nm之间。可增加底电极和衬底材料间的确和黏附力，可在衬底和底电极间以加一阻挡层，阻挡层厚度为10-50nm，材质为TiN。
本发明的关键之处就在于用机械打孔的方法得到小孔。因为从器件性能方面来考虑，必须使电极和相变材料接触面小，这样可以大大的减小功耗，提高响应速度。但是受到目前半导体工艺条件的限制，很难达到几十个纳米的要求。而刻蚀的方法虽然也可以实现，但是刻蚀的终点很难控制。本发明中用机械打孔，只要知道电介质层的厚度，以及压头的形状，就可以得到不同尺寸的小孔了。由于相变材料和底电极接触面很小，可达几百纳米，所以很小的电流就可以产生很大的热量，使相变材料在很短时间内就可以发生相变。所以，用本发明提供的方法制备的器件具有较小的功耗，很短的响应时间，对于器件的性能有很大的提高。对于激光打孔，虽然可以得到小尺寸，但是形状为圆柱形，沉积相变材料，上电极时会有一定的问题。如形成空洞、接触不到等。从而造成对器件的损伤。
附图说明
图1为单元相变存储器的具体制备工艺示意图
(a)向衬底材料上依次沉积底电极材料和电介质材料
(b)通过机械方法在电介质材料上打孔
(c)沉积相变材料，表面抛光
(d)涂胶，曝光，显影
(e)沉积上电极材料
(a)去胶，剥离，得到器件
图中：1-基片衬底 2-底电极 3-电介质4-相变材料 5-光刻胶 6-上电极
具体实施方式
实施例1
本发明提供的单元相变存储器的制备方法，结合附图1其具体工艺过程为：
(1)选择p型(100)的硅片，先用丙酮超声清洗5分钟，以除去粘附在硅片上的油污，之后用去离子水冲洗。将硅片浸没在H2O∶H2O2∶NH4·OH＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分钟，冷却后用去离子水冲洗；再在将硅片浸没在H2O∶H2O2∶HCl＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分钟，自然冷却后用去离子水冲洗。最后用4％的HF对硅片进行脱水处理。
(2)沉积阻挡层，底电极以及电介质层的制备。在清洗好的硅片上用磁控溅射法先后制备出TiN，W薄膜和SiO2层，厚度分别为：20nm，250nm和200nm；磁控溅射本底真空10-7Torr以下，溅射真空为0.18Pa，溅射功率300W，衬底温度为70℃。在这里用TiN作为阻挡层，可增加黏附力，提高器件性能。(图1(a))
(3)机械打孔。用钻石压头在SiO2层上打孔，深度250nm。要确保孔尖和W层接触。(图1(b))
(4)磁控溅射沉积厚度为50nm的硫系化合物材料，只需薄薄一层，厚度50nm。(图1(c))，其沉积工艺参数同上述步骤(2)；使硫系化合物与底电极W的接触面达500纳米。
(5)涂胶，通过曝光显影等步骤，露出小孔，然后在用磁控溅射沉积上电极W(图1(d)、(e)、(f))，其工艺与步骤(2)相同，最后去胶剥离，引线，就可得到单元器件。
实施例2
选用SiO2衬底，底电极为W和Pt，总厚度250nm，电介质材料为Si3N4，厚度为300nm；用金刚石压头在Si3N4上打孔，孔深度320nm，使孔尖与底电极接触。其余条件同实施例1。
Claims (9)
1.一种相变存储器单元器件的制备方法，包括衬底材料的清洗，其特征在于：
(1)在清洗后的衬底上依次沉积底电极材料和电介质材料；
(2)然后通过机械压头在电介质层打孔，孔的深度大于电介质层深度，使孔尖和底电极接触；
(3)最后沉积多元相变材料，表面抛光后通过剥离技术使小孔暴露出来，再沉积上电极。
2.按权利要求1所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于所述的底电极材料为W、Li或pt中一种或两种；所述的电介质材料为Si3N4或SiO2；衬底材料为Si或SiO2。
3.按权利要求1或2所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于所述的底电极厚度在100-300nm，沉积的电介质材料厚度为200-300nm。
4.按权利要求1所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于打孔所用的压头呈三棱锥或圆锥；它是由钻石或金刚石材料制成，压头表面积小于1um2。
5.按权利要求1所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于多元相变材料的沉积是用磁控溅射方法，厚度在20-50nm；相变材料与底电极接触面为几百纳米。
6.按权利要求1所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于剥离技术后沉积上电极厚度300-400nm。
7.按权利要求1所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于在清洗后的衬底上沉积底电极或电介质材料是用磁控溅射方法。
8.按权利要求5或7所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于磁控溅射本底真空10-7Torr以下，溅射真空为0.18Pa，衬底温度为70℃。
9.按权利要求1所述的相变存储器单元器件的制备方法，其特征在于衬底材料的清洗是先用丙酮超声清洗5分钟，以除去粘附在硅片上的油污，之后用去离子水冲洗；再将硅片浸没在H2O∶H2O2∶NH4·OH＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分钟，冷却后用去离子水冲洗；最后再在将硅片浸没在H2O∶H2O2∶HCl＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分钟，自然冷却后用去离子水冲洗；用4％的HF对硅片进行脱水处理。
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