專利名稱：一種高速低功耗相變存儲器的制備方法
技術領域：
本發明屬于微電子學中的微電子工藝技術領域，具體涉及到制作相變存儲器使用的刻蝕工藝。
背景技術：
相變隨機存儲器是一種非易失存儲設備，通過電流作用產生的熱效應使相變材料在多晶態和非晶態之間發生可逆轉變，利用多晶態(低阻)和非晶態(高阻)電阻高低的不同來記錄數值“0”和“1”。相變隨機存儲器不僅具有非易失性、速度快、可靠性高、功耗低、 壽命長、與CMOS工藝兼容等優點適合廣泛應用于日常電子產品中，而且抗輻射，抗振動，可實現多值存儲，可在超低溫和高溫等特殊環境下工作等特點，在航天和航空領域也有巨大的潛在應用價值。國際半導體工業協會認為相變存儲器最有可能取代閃存和動態隨機存儲器等目前的主流存儲器產品而成為未來的存儲器主流產品。在這種情況下，相變存儲器的相關技術研究和產業化有著重大意義。目前，影響相變存儲器產業化進程的主要問題是其功耗過大和制備工藝方法。為減小操作電流即降低功耗，研究人員從相變存儲器的材料、器件結構等方面做了許多工作， 但這些都需要合適的工藝制備方法實現并能應用于大規模生產。現今常用的相變存儲器制備工藝為剝離工藝，其步驟是光刻形成所需圖形，然后在光刻膠上沉積薄膜材料，再用丙酮等光刻膠溶解液將光刻膠溶解，并帶走光刻膠上附著的薄膜，從而形成所需圖形的薄膜。其操作簡單且對設備要求不高，但該方法不能得到很好的薄膜側壁形貌并且沒有很好的一致性和重復性，若應用于大規模生產中則不能得到較好的產品的成品率和重復性。相對于剝離工藝，濕法刻蝕工藝過程是光刻形成圖形，使用光刻膠或其他材料作為掩膜進行保護，選擇合適的酸堿溶液對待刻蝕薄膜進行刻蝕，最后去除掩膜材料。該方法相對于剝離工藝，對于薄膜的側壁有更好的可控性，但是酸堿溶液對薄膜材料的腐蝕各向同性，無法制備出接近垂直側壁的小尺寸相變單元，滿足不了高集成度和減小相變單元尺寸以降低操作電流的要求。同時待刻蝕薄膜材料在酸堿溶液中所處溶液深度和周圍溶液的流速等因素不同，也導致該方法沒有很好的一致性，不適合應用于大規模生產。因此，目前迫切需要一種具有高一致性，高可控性，并且可制備小尺寸相變存儲器單元的工藝方法，加快相變存儲器產業化進程。
發明內容
本發明的目的是提供一種高速低功耗的相變存儲器的制備方法，該方法能對作為相變材料的超晶格材料進行刻蝕，有很好的各向異性、較快的刻蝕速率、高可控性、很好的一致性的特點。本發明提供的相變存儲器的制備方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(a)清洗襯底；(b)依次沉積金屬薄膜和絕緣層薄膜；(C)沉積超晶格薄膜，作為相變材料；(d)在超晶格薄膜上涂光刻膠、烘烤、曝光、顯影形成光刻膠圖形作為刻蝕掩膜；(e)用電感耦合等離子干法刻蝕超晶格薄膜材料；(f)去除光刻膠掩膜；(g)依次沉積絕緣層薄膜和金屬薄膜。上述技術方案可以采用下述一種或多種方式進行改進(1)工藝步驟(C)中的超晶格薄膜材料為由GeTe和Sb2I^3交替生長而成的多層相變材料GeTe/Sb2Te3，每周期薄膜材料厚度分別為1 30nm/l 30nm，總周期數為2 2000 ； (2)工藝步驟(e)的電感耦合等離子干法刻蝕中，鹵素氣體流量與惰性氣體流量比為1 1 1 20，射頻功率為50 200瓦，電感耦合等離子功率為300 800瓦，腔體氣壓為5 15毫托；在刻蝕過程中也可以通入給樣品冷卻用的氦氣，其氣壓為3 10托，刻蝕時間為5 60秒。本工藝充分利用電感耦合等離子干法刻蝕對超晶格相變材料刻蝕的一致性和各向異性等特點，制備相變存儲器單元結構。測試結果表明該工藝制備的相變存儲器具有可逆的相變功能，并且具有工作速度快、操作電流低等特點，可以運用于相變存儲器的大規模生產中。具體而言，本發明具有以下技術特點(1)超晶格相變薄膜材料具有擦寫速度快、熱導率低等特點，有利于提高相變存儲器工作速度和減小操作電流降低功耗。(2)在襯底上制備了金屬薄膜和絕緣層薄膜之后，在其上沉積超晶格相變材料，利用光刻在超晶格相變材料上形成掩膜圖形，在刻蝕過程中為超晶格相變材料提供保護。(3)用電感耦合等離子刻蝕設備對超晶格相變材料進行干法刻蝕，最后用光刻膠溶解溶液等將作為刻蝕掩膜的光刻膠溶解去除，即形成各向異性、高一致性的超晶格相變材料薄膜。干法刻蝕完成后，可根據器件結構的不同，沉積絕緣層薄膜和金屬薄膜等。總之，本發明對于多種器件結構和多種相變材料均適用，并能運用到大規模生產中，可以使相變存儲器在器件結構和材料的選擇上有更大的靈活性，并為其產業化提供可能。
圖1是本發明提供的刻蝕工藝流程圖。圖2是在襯底上沉積金屬薄膜和絕緣層薄膜。圖3是沉積超晶格薄膜材料。圖4是光刻形成圖形。圖5是電感耦合等離子干法刻蝕超晶格薄膜材料。圖6是去除光刻膠。圖7是沉積絕緣層薄膜和金屬薄膜。圖8是刻蝕后的超晶格薄膜金相顯微鏡結果。圖9是刻蝕后的超晶格薄膜的原子力顯微鏡結果。圖10是單元器件的I-V曲線。圖中1.襯底，2.金屬薄膜Pt或Au或TiW或Ag或Cu或Al或TiN，3.絕緣層薄膜 SiO2或Si3N4，4.超晶格相變材料，5.光刻膠，6.絕緣層薄膜SiO2或Si3N4，7.金屬薄膜Pt 或Au或TiW或Ag或Cu或Al或TiN。
具體實施例方式
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本發明提供的電感耦合等離子干法刻蝕超晶格相變材料的工藝流程如圖1所示。 下面通過借助實施例更加詳細地說明本發明，但以下實施例僅是說明性的，本發明的保護范圍并不受這些實施例的限制。實例1 本實例的相變存儲器的結構為“T”型結構、邊接觸結構、對稱結構或非對稱結構。(1)清洗襯底將氧化硅襯底在丙酮中超聲3分鐘，分別在無水乙醇和去離子水中清洗干凈，用氮氣槍將襯底吹干，放在103攝氏度的熱板上烘烤以去除襯底上的水分。(2)沉積金屬薄膜和絕緣層薄膜在干凈的襯底表面涂上光刻膠，在97攝氏度的熱板上烘烤3分鐘，選擇光刻掩膜板上需要的圖形，曝光30秒，再在112攝氏度的熱板上烘烤110秒，泛曝光30秒，在顯影液中浸泡20秒，即形成所需的光刻膠圖形。再利用磁控濺射沉積150nm厚的TiW薄膜，將樣品浸泡在丙酮中超聲3分鐘剝離掉光刻膠及其上面的薄膜，即形成所需圖形的金屬薄膜， 再用無水乙醇和去離子水清洗樣品。在樣品上涂上光刻膠，在97攝氏度的熱板上烘烤3分鐘，選擇光刻掩膜板上需要的圖形，曝光30秒，再在112攝氏度的熱板上烘烤110秒，泛曝光30秒，在顯影液中浸泡20秒，即形成所需的光刻膠圖形。再利用磁控濺射沉積150nm厚的SiO2薄膜作為絕緣層薄膜，將樣品浸泡在丙酮中超聲3分鐘剝離掉光刻膠及其上面的薄膜，即形成所需圖形的絕緣層薄膜，再用無水乙醇和去離子水清洗樣品(圖2)。(3)沉積超晶格相變薄膜材料利用磁控濺射沉積由GeTe和Sb2I^3交替生長而成的多層相變材料GeTe/SMTd， 每周期薄膜材料厚度分別為2nm/lnm，總周期數為50，總厚度為150nm(圖3)。(4)光刻形成刻蝕掩膜在樣品上涂上光刻膠，在97攝氏度的熱板上烘烤3分鐘，選擇光刻掩膜板上需要的圖形，曝光5分鐘，在顯影液中浸泡3分鐘，即形成所需要圖形的光刻膠作為干法刻蝕的掩膜(圖4)。(5)電感耦合等離子干法刻蝕超晶格薄膜將樣品放入電感耦合等離子刻蝕設備的腔體，在Cl2流量為 IOsccm(standard-state cubic centimeter per minute), Ar 流量為 40sccm,身寸步頁功率為 80瓦，電感耦合等離子功率為500瓦，腔體氣壓為10毫托。為了防止高溫給光刻膠帶來的碳化，在刻蝕過程中可以給樣品通入冷卻用的He 氣，其氣壓為8托，刻蝕時間為30秒。步驟(5)的示意圖如圖5所示。(6)去除光刻膠掩膜將刻蝕后的樣品浸入丙酮中，超聲3分鐘，待光刻膠完全溶解后，將樣品依次在無水乙醇和去離子水中清洗(圖6)。(7)形成絕緣層和上電極在樣品表面涂上光刻膠，在97攝氏度的熱板上烘烤3分鐘，選擇光刻掩膜板上需要的圖形，曝光30秒，再在112攝氏度的熱板上烘烤110秒，泛曝光30秒，在顯影液中浸泡 20秒，即形成所需的光刻膠圖形。再利用磁控濺射沉積150nm厚的SW2薄膜作為絕緣層薄膜，將樣品浸泡在丙酮中超聲3分鐘剝離掉光刻膠及其上面的薄膜，即形成所需圖形的絕緣層薄膜，再用無水乙醇和去離子水清洗樣品。在樣品上涂上光刻膠，在97攝氏度的熱板上烘烤3分鐘，選擇光刻掩膜板上需要的圖形，曝光30秒，再在112攝氏度的熱板上烘烤 110秒，泛曝光30秒，在顯影液中浸泡20秒，即形成所需的光刻膠圖形。再利用磁控濺射沉積150nm厚的TiW薄膜，將樣品浸泡在丙酮中超聲3分鐘剝離掉光刻膠及其上面的薄膜，即形成所需圖形的金屬薄膜，再用無水乙醇和去離子水清洗樣品(圖7)。實施實例中的樣品具有很好的一致性(圖8)，刻蝕的相變層具有平整的形貌和陡直的側壁(圖9)，有利于器件未來應用于高集成度的產業化生產中。用數字源Keithley 4200，脈沖發生器測試實施實例中的樣品，該樣品能在多晶態和非晶態之間發生可逆相變， 操作電流僅為5微安，最短寫操作時間僅為500皮秒(圖10)。測試結果表明，利用電感耦合等離子干法刻蝕方法制備的以由GeTe和Sb2I^3交替生長而成的多層相變材料GeTe/Sl32Te3，每周期薄膜材料厚度分別為2nm/lnm，總周期數為 50，總厚度為150nm的超晶格薄膜為相變材料的相變存儲器具有可逆相變的功能，并且最快的擦操作速度達到500皮秒，操作電流僅為5微安。從金相顯微鏡結果可觀察到其具有很好的一致性。從原子力顯微鏡結果可觀察到其刻蝕形貌具有陡峭的側壁。從而提高相變存儲器的工作速度、降低其功耗，為今后的產業化提供可行性。實例2 5
權利要求
1.一種相變存儲器的制備方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(a)清洗襯底；(b)依次沉積金屬薄膜和絕緣層薄膜；(c)沉積超晶格薄膜，作為相變材料；(d)在超晶格薄膜上涂光刻膠、烘烤、曝光、顯影形成光刻膠圖形作為刻蝕掩膜；(e)用電感耦合等離子干法刻蝕超晶格薄膜材料；(f)去除光刻膠掩膜；(g)依次沉積絕緣層薄膜和金屬薄膜。
2.根據權利要求1所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于工藝步驟(c)中的超晶格薄膜材料為由GeTe和Sb2I^3交替生長而成的多層相變材料GeTe/Sb2Te3，每周期薄膜材料中GeI1e的厚度為1 30nm，每周期薄膜材料中Sb2I^3的厚度為1 30nm，重復2 2000 個周期。
3.根據權利要求1所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于，工藝步驟(e)的電感耦合等離子干法刻蝕中，刻蝕所使用的氣體為鹵族元素氣體與惰性氣體的混 合氣體，二者的流量比為1 :1 1 :20，射頻功率為50 200瓦，電感耦合等離子功率為300 800瓦，腔體氣壓為5 15毫托。
4.根據權利要求1所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于，步驟(b)、(g)中的金屬薄膜為30nm 200nm的Pt或Au或TiW或Ag或Cu或Al或TiN，絕緣層薄膜為30nm 200nm 的 SiO2 或 Si3N4。
5.根據權利要求1所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于工藝步驟(d)的光刻過程中，烘烤時間為1 10分鐘，曝光時間為1 8分鐘，顯影時間為1 5分鐘。
6.根據權利要求1所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于工藝步驟(f)中去除光刻膠是在丙酮中浸泡1 2小時，再超聲5 10分鐘。
7.根據權利要求3所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于，鹵族元素氣體為Cl2、 HBr或BCl3，惰性氣體為Ar。
8.根據權利要求3所述的相變存儲器的制備方法，其特征在于，在刻蝕過程中，通入冷卻用的氦氣，氣壓為3 10托，刻蝕時間為5 60秒。
全文摘要
本發明公開了一種高速低功耗相變存儲器的制備方法，該方法采用具有相變速度快和熱導率低的超晶格薄膜材料作為相變材料，利用電感耦合等離子干法刻蝕該材料，形成形貌優良、側壁陡直、一致性好的相變存儲器單元。步驟為①清洗襯底；②依次沉積金屬薄膜和絕緣層薄膜；③沉積超晶格薄膜相變材料；④涂膠、光刻形成光刻膠作為刻蝕掩膜；⑤用電感耦合等離子刻蝕設備刻蝕超晶格薄膜材料；⑥去除光刻膠掩膜；⑦依次沉積絕緣層薄膜和金屬薄膜。本工藝充分利用電感耦合等離子干法刻蝕對超晶格相變薄膜材料刻蝕的各向異性、一致性等特點，使制備的相變存儲器具有高速低功耗的性能，并能很好地應用到高密度集成和大規模產業化生產中。
文檔編號H01L45/00GK102447061SQ201110410678
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者周文利, 繆向水, 陳瑩 申請人:華中科技大學