CN102005535B

CN102005535B - 平面相变存储器的制备方法

Info

Publication number: CN102005535B
Application number: CN2010102835572A
Authority: CN
Inventors: 张加勇; 王晓峰; 马慧莉; 程凯芳; 王晓东; 杨富华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: CN102005535A

Abstract

一种平面相变存储器的制备方法，包括：在衬底上依次生长一层电热绝缘材料层，相变材料层和基底材料层；去除基底材料层的四边，形成基底；在相变材料层的上面和基底材料层的表面及侧面淀积侧墙材料层；去除基底材料层上表面的和相变材料层表面的侧墙材料层，在基底材料层的侧面将形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙；去除基底材料层，只保留纳米尺寸的侧墙；去掉除了侧墙底部以外的所有相变材料，从而形成由侧墙和相变材料层构成的叠层侧墙；在该侧墙的一条边上搭上一条制作电极的金属层；去除侧墙以及侧墙表面上的金属层，从而形成中间夹有相变材料层的nano-gap电极；最后淀积一层绝缘材料，再在nano-gap电极两边的金属层上开孔并引出电极，完成平面相变存储器的制作。

Description

平面相变存储器的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳技术领域，特别涉及一种平面相变存储器的制备方法。本发明提出了一种采用侧墙工艺、湿法腐蚀方法制备平面相变存储器的方法。该方法尽量避免使用电子束曝光的成本高、周期长的不足，制备方法简单，可控性好，在突破光刻分辨率限制及提高平面相变存储器的制备效率等方面具有很大的优越性。

背景技术

存储器自问世以来，在半导体产业中占着越来越重要的地位。全球的半导体市场中，存储器占有80％的份额。而且随着信息化产业的不断发展和需求，存储器的发展也在发生着日新月异的变化。存储器按其存储特性可以分为挥发型(断电后数据会丢失，如DRAM和SRAM)和非挥发型(断电后数据不会丢失，如FLASH，EPROM)两种类型。近年来，非挥发性存储器(Flash为主流)，在摩尔定律的驱动下，占有了存储器市场近20％的份额。非挥发存储器已经与人们的生活和工作息息相关，手机、数码相机、移动存储设备等等，都已成为人们的必需品。但是在这样大的需求下，Flash存储器受到摩尔定律的限制，已经很难再有以前势不可挡的发展的趋势。因此，新一代的非挥发存储器呼之欲出。

相变存储器(PRAM或者OUM)是由S.R.Ovshinsky在1968年基于硫系化合物薄膜相变时具有明显的电阻差异而具有存储效应提出来的。它具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、功耗低、成本低、可多级存储、抗强震动和抗辐照等优点，被国际半导体工业协会认为是最有可能取代目前的Flash存储器，而成为未来存储器的主流产品和最先成为商用产品的器件。相变存储器自诞生以来已经有很多人对它进行了研究，例如Ovonyx、Intel、IBM、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi等，通过改变相变材料和器件结构等已经使其具备了良好的性能。但是，随着半导体行业的高速发展，存储器的集成密度随着摩尔定律提高。要想使相变存储器能够在今天的存储器市场上具有竞争力，必须实现更高密度的存储。因此，制备小尺寸的尤其是纳米尺度的相变存储器，成为当前研究的重要课题。

目前，获得小尺寸的方法，主要有电子束曝光(EBL)、聚焦离子束曝光(FIB)等，但是它们或者周期太长或者成本过于高昂。为了实现在光刻分辨率的条件下制备纳米尺寸的存储器、提高器件制备效率、降低器件成本，我们提出本发明构思。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种平面相变存储器的制备方法，以寻找到一种小尺寸平面相变存储器的制备方法，并且制备方法简单且成本较低，能够突破光刻分辨率限制，并提高平面相变存储器的制备效率。

为达到上述目的，本发明提供一种平面相变存储器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次生长一层电热绝缘材料层，相变材料层和基底材料层；

步骤2：用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；

步骤3：在该相变材料层的上面和基底材料层的表面及侧面淀积侧墙材料层；

步骤4：采用干法回刻，去除基底材料层上表面的和相变材料层表面的侧墙材料层，在基底材料层的侧面将形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙；

步骤5：用湿法腐蚀的方法去除基底材料层，只保留纳米尺寸的侧墙；

步骤6：采用干法刻蚀的方法去掉除了侧墙底部以外的所有相变材料，从而形成由侧墙和相变材料层构成的叠层侧墙；

步骤7：采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该侧墙的一条边上搭上一条制作电极的金属层；

步骤8、再用湿法腐蚀的方法去除侧墙以及侧墙表面上的金属层，从而形成中间夹有相变材料层的nano-gap电极；

步骤9、最后淀积一层绝缘材料，再在nano-gap电极两边的金属层上开孔并引出电极，完成平面相变存储器的制作。

其中所述电热绝缘材料层是氮化硅或SiO₂。

其中所述相变材料层是Ge₂Sb₂Te₅、Sb₂Te₃、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₄Te₇或者含有硫族元素的任意相变材料中的一种。

其中所述基底材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅。

其中所述侧墙材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅。

其中所述金属层是钨、镍或氮化钛。

其中所述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；

其中所述淀积绝缘材料的方法是溅射法、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。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种平面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、湿法刻蚀工艺和侧墙工艺制备了平面相变存储器。这种平面相变存储器的制备方法的特点在于：结构简单，制备方便，器件尺寸小，尽量避免了使用电子束曝光(EBL)，聚焦离子束曝光(FIB)等技术，大大降低了成本，集成度大幅度的提高，同时突破光刻分辨率限制及提高了平面相变存储器的制备效率等。

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是本发明提供的平面相变存储器的制备方法的流程图；

图2-图9是平面相变存储器的制备方法的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图10所示，本发明一种平面相变存储器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底101上依次生长一层电热绝缘材料层102，相变材料层103和基底材料层104；所述的电热绝缘材料102，可以是氧化物、氮化物、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；所述在衬底上生长一层电热绝缘材料102，可以是采用溅射法、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、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的；所述电热绝缘材料102，对于步骤5中湿法去除基底材料层103时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述电热绝缘材料102，对于步骤8中湿法去除侧墙105’时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述的相变材料层103，可以是Ge₂Sb₂Te₅、Sb₂Te₃、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₄Te₇或者含有硫族元素的任意相变材料中的一种；所述相变材料层103，对于步骤5中湿法去除基底材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述相变材料层103，对于步骤8中湿法去除侧墙105’时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述的基底材料层104，可以是氧化物、氮化物、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；所述淀积一层基底材料层104，可以是采用溅射法、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、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的；所述相变材料层103的厚度为20-200nm；所述基底材料层104的厚度为20-2000nm(图2)；

步骤2：用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层104的四边，形成图形作为制备侧墙的基底(图2)；

步骤3：在该相变材料层103的上面和基底材料层104的表面淀积侧墙材料层105；其中所述的侧墙材料层105，可以是氧化物、氮化物、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；所述淀积一层侧墙材料层105，可以是采用溅射法、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、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的；所述的侧墙材料层105，对于步骤5中去除基底材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性(图3)；

步骤4：采用干法回刻，去除基底材料层104上表面的和相变材料层103表面的侧墙材料层105，将形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙105’；其中所述侧墙材料层105形成的侧墙105’的宽度为5-200nm(图4)；

步骤5：用湿法腐蚀的方法去除基底材料层104，只保留纳米尺寸的侧墙105’；其中的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸等中的一种(图5)；

步骤6：采用干法刻蚀的方法去掉除了侧墙105’底部以外的所有相变材料103，从而形成由侧墙105’和相变材料层103构成的叠层侧墙(图6)；

步骤7：再用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在侧墙105’上搭上一条制作电极的金属层106；所述的金属层106，可以是钨、镍或氮化钛中的任一种；所述的金属层106，可以是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备的；所述的金属层106，对于步骤8中湿法去除侧墙105’时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述的金属层106的厚度为10-200nm(图7)；

步骤8：再用湿法腐蚀的方法去除侧墙105’以及侧墙105’表面上的金属106，从而形成中间夹有相变材料层103的nano-gap电极106’；其中的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸等中的一种(图8)；

步骤9：最后淀积一层绝缘材料107，再在nano-gap电极106’两边的金属层106上开孔并引出电极108即可形成平面相变存储器。其中所述的绝缘材料107，可以是氧化物、氮化物、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；所述淀积一层绝缘材料107，可以是采用溅射法、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、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的(图9)。

实施例一

1、采用单晶硅片、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，在衬底上制备200nm氮化硅作为电热绝缘层102，100nm Ge₂Sb₂Te₅作为相变材料层103和450nm多晶硅作为基底材料层104；

3、用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层104的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；

4、在该电热绝缘材料层102的上面和相变材料层103的表面及侧面淀积200nm SiO₂作为侧墙材料层105；

5、采用干法回刻，去除基底材料层104上表面的和相变材料层103表面的侧墙材料层105，将形成高450nm和宽100nm的SiO₂侧墙105’；

6、用恒温TMAH溶液漂去侧墙基底104，TMAH溶液的温度恒定在70℃，只保留纳米尺寸的SiO₂侧墙105’；

7、采用干法刻蚀的方法去掉除了侧墙105’底部以外的所有相变材料103，从而形成由侧墙105’和相变材料层103构成的叠层侧墙；

8、采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该侧墙105’的一条边上搭上一条制作电极的钨金属层106，金属厚度为100nm；

9、用氢氟酸溶液腐蚀SiO₂侧墙105’，并去除侧墙105’表面的金属106，形成宽度为100nm且中间夹有100nm厚的相变材料层103的nano-gap电极106’；

10、最后淀积一层500nm的SiO₂ 108，再在nano-gap电极106’两边的金属钨上开孔并引出电极109即可形成平面相变存储器。

实施例二

与实施例一大致相同，区别在于：基底材料层104为SiO₂，其相应的腐蚀液为氢氟酸；侧墙材料层105为Si_xN_y，其相应的腐蚀液为热的浓磷酸。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种平面相变存储器的制备方法，包括如下步骤：

步骤6：采用干法刻蚀的方法去掉除了侧墙底部以外的所有相变材料层，从而形成由侧墙和相变材料层构成的叠层侧墙；

步骤7：采用光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该侧墙的一条边上搭上一条制作电极的金属层；

2.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述电热绝缘材料层是氮化硅或SiO₂。

3.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述相变材料层是Ge₂Sb₂Te₅、Sb₂Te₃、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₄Te₇或者含有硫族元素的其他任意相变材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述基底材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅。

5.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述侧墙材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅。

6.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述金属层是钨或镍。

7.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述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。

8.根据权利要求1所述的平面相变存储器的制备方法，其中所述淀积绝缘材料的方法是溅射法、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。