專利名稱：用于ars系統的器件隔離工藝流程的制作方法
技術領域：
本技術領域涉及原子分辨存儲(ARS)系統，具體說，涉及用于ARS系統的器件隔離工藝流程。
ARS系統一般包括三個粘接的硅(Si)晶片，即尖頂晶片，也叫發射晶片，轉子晶片，也叫動子晶片，和定子晶片。這些晶片采用本領域盡知的晶片粘接技術粘接在一起。
圖1說明現有技術的ARS系統，其中，所有的二極管共享一個公共電極。尖頂晶片110包括多個場發射極尖頂114。可以用作存儲介質以存儲數據位的相變層123沉積在襯底轉子晶片(120)上，也被稱為動子晶片上。襯底轉子晶片120是高摻雜硅襯底，它可以是n型襯底或p型襯底。將罩層160涂覆在相變層123上以保護相變層123和避免受熱時材料蒸發。罩層160也改變了相變層123的表面狀態。電子束聚焦電極113使得被聚焦的電子束116局部改變局部介質薄膜的相。如圖1所示，轉子晶片120可沿x和y的方向運動，使得可以向存儲介質中寫入以及從存儲介質中讀出數據位。
ARS存儲介質使用p-n結二極管，即，用于讀出數據位的器件埋入頂部有源硅層。在現有技術的ARS系統里，二極管享有公共電極(未示出)，這可能增大器件間的串音，導致較高的電噪音。
在器件隔離工藝流程的實施方案中，通過將氧離子注入晶片襯底上的頂部有源硅層的下方以及和加熱氧生成氧化物來形成絕緣層。
在另一個器件隔離工藝流程的實施方案中，絕緣層是利用反摻雜質來在轉子晶片襯底上外延生長硅，以及加熱反摻雜質而形成的。
器件隔離工藝流程把器件隔離插入ARS系統的工藝流程中，所以二極管可以彼此電氣絕緣，以改善信噪比。另外，由于在沉積存儲數據位的相變層之前進行了極苛刻的處理，這樣就把相變層的處理損壞降到最小。
每一晶片-晶片的粘接要求使用超高真空(UHV)密封件262密封的高真空內腔。其有助于保持ARS芯片的內部環境。晶片-晶片的粘接還要求低電阻的電連接。例如，如圖2(a)所示，在轉子晶片220的定子側的導電極可與定子晶片230的轉子側的導電極相耦合。在轉子晶片220的介質側的導電極可與位于定子晶片230里的互補金屬氧化物半導體(CMOS)線路232相連接。位于定子晶片230中的尖頂電子線路212控制場發射極尖頂214(見圖2(b))，場發射極尖頂要求與ARS系統200里的存儲介質222相連接。存儲介質222包括介質記錄單元224(見圖2(b))將數據位存儲在ARS系統200中。
含有CMOS線路232的讀/寫(R/W)電子線路也位于導電極234(b)下邊的定子晶片230里。R/W電子線路可控制存儲介質222中數據位的讀出或寫入。
通過晶片通孔226能使R/W電信號(未示出)從定子晶片230里的CMOS線路232傳遞到轉子晶片220的介質側的導電極，以及尖頂晶片210里的尖頂電子線路212。
圖2(b)說明ARS系統200的運行。單個場發射極尖頂214產生電子束216，該電子束是從具有高電場的場發射極尖頂214的金屬里引出的。通過加熱微數據點和改變點的物理狀態和相，聚焦電子束，并用于向存儲介質中上寫入數據位。電子束216還可用于確定存儲介質222里數據位的狀態(數值)。發射極尖頂陣列218是場發射極尖頂214的陣列，其下的存儲介質222按納米精度移動。圖2(b)所示的懸置彈簧240可把轉子晶片220固定在場發射極尖頂214和定子晶片230之間，使數據位相對于場發射極尖頂214移動，因此使每一個場發射極尖頂214存取多數據位。
為了ARS系統200的運行，需要對轉子晶片220和定子晶片230進行處理，即沉積導電極，用于納米精度定位控制。ARS系統200工藝流程的實例在Lee等人的美國專利申請，名為“處理轉子晶片的介質側之后，使用硒化晶片粘接ARS動子晶片的工藝流程”和“處理轉子晶片的介質側之前，使用硒化物晶片粘接ARS動子片的工藝流程”中均有說明，它們是在同一天提交的，在這里一并列出供參考。
器件隔離工藝流程在ARS系統200的工藝流程中插入了器件隔離，以使二極管，即埋于相變層323(描述于后)里的小電子器件和頂部有源硅層330(稍后再述)和位于轉子晶片220表面的電子器件可以彼此電絕緣。其結果，信噪比得以改善。另外，由于在沉積存儲數據位的相變層之前，對相變層進行了最苛刻的處理，這樣就把對相變層處理損壞降到最小。
圖3敘述了一個帶有隔離器件的典型的ARS系統。尖頂晶片210，也叫發射極晶片，可以包括多個場發射極尖頂214。尖頂發射極214可由平板發射極替代。絕緣層350，如埋入氧化物層350(a)(稍后再述)或反摻雜半絕緣硅層350(b)(稍后再述)，可以在轉子晶片220上的頂部有源硅層330的下方形成。可以用作存儲數據位的存儲介質222的相變層323可以沉積在頂部有源硅層330的頂部。頂部有源硅層330與相變層323一道形成異質p-n結二極管370，用以在相變層323上對數據位進行電讀出或寫入。當具有不同電導類型的兩種不同材料，在這種情況下例如有源硅和相變材料，生成結并且引起電流沿著一個方向流動時，一般就形成了異質p-n結二極管370(heterojunction p-n diode)。罩層360可以覆蓋在相變層323上以保護相變層323，并防止加熱時材料蒸發。罩層360也可以改善相變層323表面的狀態。轉子晶片220可沿x和y方向移動，以向存儲介質222寫入或從存儲介質222中讀出數據位。
器件隔離工藝能使多個異質p-n結二極管370相互電絕緣，所以每個隔離的二極管370與每個場發射極尖頂214耦合。通過沿x和y方向移動二極管370，可以將多個數據位寫在單個隔離的二極管370上，因此減少了不同二極管370之間的相互串音的機會。隨著電信號干擾的減少，大大地改善ARS系統200的信噪比。信噪比指的是對應于所讀數據位的信號。
圖4(a)-4(f)說明了ARS系統200典型的器件隔離工藝流程。圖4(a)說明了在轉子晶片220上頂部有源硅層330(a)下方進行氧離子注入。氧注入之后，通過熱處理可以形成隔離氧化層350(a)。氧化層350(a)可以使頂部有源硅層330(a)和轉子晶片220電絕緣，所以可防止二者之間的電子流動。
參見圖4(b)，通過熱蒸發沉積相變材料的薄膜可以形成相變層323(a)。該相變材料是可以進行從非晶轉變成結晶材料。非晶材料的原子晶格一般已經為無序并且不具備長程有序。另一方面，結晶材料具有長程有序原子晶格的周期性排列，如果結晶材料是離子注入的，即往結晶材料中注入帶有能量的離子，注入的離子會破壞結晶材料的晶格結構，所以，結晶材料可能失去長程有序而成為非晶材料。相變層323(a)可以用帶有晶體本底的非晶體點的形式紀錄數據位。保護罩層360可以任意地覆蓋在相變層323(a)上，以保護相變層表面，并在加熱時防止材料蒸發。
參見圖4(c)，掩模層410，例如SiO2層或光學抗蝕劑材料(PR)層，可以被沉積在相變層323(a)上。掩模層410可以用例如光刻法形成圖形，而且可以蝕刻掩模層410的預定部分。
參見圖4(d)，與掩模層410清除部分相對應的相變層323(a)的曝露部分可以用干法或濕法工藝蝕刻。干法蝕刻是定向的、和各向異性的蝕刻，例如用等離子體，即排出的氣體和電子及中性原子的混合體完成。因此，干法蝕刻可以被廣泛用于轉移精細圖形。濕法蝕刻用濕的化學試劑，如酸和堿來進行，所以定向性不好。濕法蝕刻的輪廓是各向同性的，所以濕法蝕刻不適合于轉移亞微米級的精細圖形。
圖4(e)示出了下一個步驟，蝕刻頂部有源硅層330(a)直到絕緣氧化層350(a)為止。由于干法蝕刻較好的圖形轉移能力，干法蝕刻技術一般用于限定頂部有源硅層330(a)。因此，異質p-n結二極管370，即埋入頂部有源硅層330(a)和相變層323(a)中的器件，彼此成為電絕緣，以增加ARS系統200的信噪比。
參見圖4(f)，掩模層410可以被去除。為了達到保護的目的，可以將保護罩層360可選地涂覆在相變層323(a)上。
圖5(a)-5(c)示出了ARS系統200器件隔離工藝流程的另一個實施方案。取代穿過高摻雜的硅襯底的轉子晶片220的氧離子注入，為了形成電氣絕緣層，注入離子可以是反摻雜質，以形成半絕緣硅層350(b)。
首先，用外延工藝在硅襯底上生長結晶硅。在結晶硅生長的過程中，通過添加摻雜材料可以控制硅的類型，即n型或p型。在轉子晶片220與頂部有源硅層330(b)之間，可以伴隨反摻雜外延硅層形成半絕緣硅層350(b)。形成反p-n結二極管的這種工藝被稱為“結隔離”。
因為外延硅可以在例如600-650℃，生成速度為0.5μm/分鐘條件下生長，外延生長步驟的熱堆積對定子晶片230中的熱敏CMOS電路來說不是致命的。此外，可以對轉子晶片220單獨優化頂部有源硅層330(b)的摻雜濃度以獲得最佳器件性能。
參見圖5(a)，p型摻雜硅可以外延生長在反摻雜的，即n型，硅轉子晶片220襯底上。用熱處理激活p型硅摻雜質可以形成p型半絕緣硅層350(b)。作為替代，可以在p型硅轉子晶片220襯底上外延生長n型半絕緣硅層。
其次，如圖5(b)所示，在p型摻雜質的頂部可以外延生長n型摻雜硅。用熱處理激活的n型硅摻雜質可以形成n型頂部有源硅層330(b)。作為替代，為了形成p型頂部有源硅層，在n型硅摻雜質上生長p型摻雜硅。
參見圖5(c)，通過在n型頂部有源硅層330(b)上沉積相變材料可以形成p型相變層323(b)。作為替代，可以在p型頂部有源硅層上形成n型相變層。可選地，將保護罩層360沉積在相變層323(b)之上。
與圖4(c)-4(f)相類似(圖5未示出)，掩模層410，如硬掩模SiO2層或軟掩模光學抗蝕劑材料(PR)層，可以沉積在相變層323(b)之上。掩模層410可以用例如光刻法形成圖形，掩模層410的預定部分可以被蝕刻。然后，與掩模層410的清除部分相對應的相變層323(b)的曝露部分可以用干法或濕法工藝蝕刻。
其次，可以將頂部有源硅層330(b)蝕刻直到半絕緣硅層350(b)為止。因此，異質p-n結二極管370，即埋入頂部有源硅層330(b)和相變層323(b)中的器件彼此成為電絕緣，以提高ARS系統200的信噪比。最后，可以清除掩模層410，保護罩層360可以可選地涂覆在相變層323(b)和頂部有源硅層330(b)之上，起到保護作用。
圖6是示出ARS系統100的器件隔離工藝流程的流程圖。步驟610涉及在轉子晶片襯底220上的有源硅層330之下進行氧離子注入或反摻雜質注入，然后，進行熱處理以形成絕緣層350(步驟612)。隨后，通過在頂部有源硅層330上沉積相變材料，可以形成相變層323(步驟614)。可選地，可以將保護罩層360涂覆在相變層323之上，起保護作用。
下一步，掩模層410，例如硬掩模SiO2層或軟掩模光學抗蝕劑材料(PR)層，可以被沉積在相變層323之上(步驟616)。掩模層410(步驟618)通過光刻法形成圖形并且掩模層410的預定部分可以被蝕刻(步驟620)。然后，與掩模層410蝕刻部分相對應的相變層323的暴露部分可以用干法或濕法工藝蝕刻(步驟626)。在步驟624中，頂部有源硅層330可以被蝕刻直到絕緣層350為止，最后，可以清除掩模層410(步驟626)，并且可選地將保護罩層360沉積在相變層323之上，起保護作用(步驟628)。
已用示例性的實施方案描述了器件隔離工藝流程，本領域的技術人員將會意識到按照這些教導，進行許多改進應是十分顯而易見的，因此，本申請旨在涵蓋它的任何變型。
權利要求
1.一種用于原子分辨存儲(ARS)系統(200)的器件隔離的方法，該方法包括在晶片襯底(220)和頂部有源硅(Si)層(330)之間形成(610，612)絕緣層(330)；在頂部有源硅層(330)上部形成(614)相變層(323)；在相變層(323)上沉積(616)掩模層(410)，其中該掩模層(410)被形成圖形并且被有選擇地蝕刻；以及將掩模層(410)用作掩模蝕刻(624)頂部有源硅層(330)直到絕緣層(350)為止，由此，埋入頂部有源硅層(350)的器件(370)成為彼此電隔離。
2.權利要求1的方法，該方法還包括在相變層(323)上沉積保護(614)罩層。
3.權利要求1的方法，該方法還包括清除(626)掩模層(410)。
4.權利要求1的方法，其中形成絕緣層的步驟包括在晶片襯底(220)上的頂部有源硅層(330)下方進行氧離子注入(610)；和加熱氧以形成氧化物(612)。
5.權利要求1的方法，其中形成絕緣層的步驟包括在晶片襯底上用反摻雜質外延生長(610)硅；和加熱反摻雜質(612)。
6.權利要求1的方法，其中沉積步驟包括用光刻法對掩模層(410)形成圖形(618)。
全文摘要
一種用于原子分辨存儲(ARS)系統(200)的器件隔離工藝流程,該工藝流程在ARS系統(200)的工藝流程中插入器件隔離,使得二極管(370)彼此電絕緣,以改善信噪比。另外,由于在沉積存儲數據位的相變層之前對其進行了最苛刻的處理,所以將存儲數據位的相變層(323)的處理損傷降到最小。
文檔編號B82B3/00GK1387088SQ0212030
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月21日 優先權日2001年5月21日
發明者H·李, C·-C·楊, P·哈特維爾 申請人:惠普公司