專利名稱：一種具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件制備領域，特別是涉及一種具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法。
背景技術：
相變存儲器技術是基于Ovshinsky在20世紀60年代末70年代初提出的相變薄膜可以應用于相變存儲介質的構想建立起來的，是一種價格便宜、性能穩定的存儲器件。相變存儲器可以做在硅晶片襯底上，其關鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材料等。相變存儲器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態與多晶態之間發生可逆相變，通過分辨非晶態時的高阻與多晶態時的低阻， 可以實現信息的寫入、擦除和讀出操作。相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強震動和抗輻射等優點，被國際半導體工業協會認為最有可能取代目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產品和最先成為商用產品的器件。存儲器的研究一直朝著高速、高密度、低功耗的方向發展。目前世界上從事相變存儲器研發工作的機構大多數是半導體行業的大公司，研究熱點主要圍繞器件工藝以及新材料的開發而展開器件的物理機制研究，包括如何減小器件的操作電流，即降低功耗；器件結構設計和存儲機理研究等；高密度器件陣列的制造工藝研究，包括如何實現器件單元的納米尺度化問題、高密度器件芯片的工藝問題、器件單元的失效問題等。對于材料的開發方面，包括開發新型的二元以及三元成份的新材料，以及對于現有材料的改性研究等。在傳統的半導體工藝中，高密度單元器件的制備依賴于光刻技術，光刻的極限指標決定了器件單元的最小尺寸；由于光刻中鄰近效應的影響對于極小尺寸器件的制備工藝上受到的限制較多。因而，如何制備出具有納米存儲性能的相變存儲器已經成為該領域從業者競相挑戰的課題，特別是，在提高相變存儲器在50nm以下存儲材料的信息存儲性能方面仍面臨著諸多困難。在現有技術中，研究相變存儲器常用的結構為三明治式的夾層結構， 該結構為垂直結構，工藝復雜，工序時間較長；另外，底電極結構一旦固定則不可進行再加工，也就是說工序完成后底電極尺寸是固定的。這些缺點使得該結構不利于進行材料尺寸效應的研究。因而，如何提供一種具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，以將制備的相變存儲器用于快速驗證相變材料性能，進而對材料納米尺度存儲性能的研究提供便利，實已成為本領域從業者亟待解決的技術問題。
發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種相變存儲器的制備方法，以助于快速表征材料于50nm以下時的信息存儲性能，同時可以加快材料的開發速度。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，所述相變存儲器的制備方法至少包括以下步驟I)提供一硅片襯底，并將所述硅片襯底做清洗處理；2)利用熱氧化工藝在所述娃片襯底表面制備一層厚度為500 800nm的介質為 SiO2的絕緣層；3)利用光刻及刻蝕工藝于所述絕緣層上形成深度為150 200nm的電極結構圖形及標記圖形；4)利用磁控派射工藝與所述電極結構圖形上制備一層厚度為200 250nm的鶴電極層；5)利用化學機械拋光工藝將所述鎢電極層進行拋光以制備出順應電極結構圖形的由8 X 8個獨立電極以及4個公共電極組成的橫向電極陣列，將各該獨立電極的線寬控制為150 300nm，將相鄰的兩個獨立電極的間距控制為小于150nm ；6)于所述娃片襯底上橫向電極陣列之外的區域制備多個材料厚度為200nm的對準標記；7)利用磁控濺射工藝并依據所述對準標記執行對準程序，在相對應的兩個獨立電極之間的預接合處沉積厚度為IOOnm的相變材料；8)利用超高真空電子束蒸發以及光刻剝離工藝在所述硅片襯底上制備絕熱保護層。在本發明相變存儲器的制備方法的步驟I)中，將所述硅片襯底做清洗處理的過程包括以下步驟1-1)提供一硅片襯底，將所述硅片襯底置于由氨水、雙氧水、去離子水按照體積比為I : 2 : 5配比混合溶液中煮沸5min，經冷卻后用去離子水沖洗3min，之后用氮氣吹干；1-2)將所述硅片襯底置于由鹽酸、雙氧水、去離子水按照體積比為I : 2 5配比混合溶液中煮沸5min，經冷卻后用去離子水沖洗3min，之后用氮氣吹干；1-3)將所述硅片襯底置于120°C的烘箱內烘烤30min去除表面水分。在本發明相變存儲器的制備方法的步驟3)中，制備的電極結構圖形包括獨立電極圖形以及公共電極圖形。在本發明相變存儲器的制備方法的步驟6)中，制備的對準標記的材質為鎢。具體的，所述對準標記為十字圖形或由十字線以及與十字線相連的四個方形組成的圖形。在一實施方式中，所述十字圖形的尺寸為20 X 20 μ m。在另一實施方式中，所述十字線尺寸為 O. 2Χ2μ ，方形尺寸為 ΙΧΙμ 。在本發明相變存儲器的制備方法的步驟7)中，沉積相變材料的過程包括以下步驟7-1)于所述硅片襯底上旋涂雙層厚度為200 300nm的電子束抗蝕劑；7-2)依據所述對準標記執行對準程序，利用電子束曝光工藝在相對應的兩個獨立電極之間的預接合處形成相變材料的沉積區域；7-3)利用磁控濺射工藝在所述沉積區域沉積厚度為IOOnm的相變材料；7-4)利用丙酮浸泡12小時將電子束抗蝕劑及其上面沉積的相變材料去除。在本發明相變存儲器的制備方法的步驟8)中，制備絕熱保護層的過程包括以下步驟
8-1)于所述硅片襯底上旋涂雙層厚度為300 400nm的電子束抗蝕劑；8-2)依據所述對準標記執行對準程序，利用電子束曝光工藝在相變材料的沉積區域形成絕熱保護層沉積區； 8-3)利用磁控濺射工藝在所述絕熱保護層沉積區沉積厚度為200nm的SiO2材料；8-4)利用丙酮浸泡12小時將電子束抗蝕劑及其上面沉積的SiO2材料去除。如上所述，本發明相變存儲器的制備方法，結合FIB設備特有的納米加工性能以及半導體公司規模化加工能力的快速表征材料納米存儲性能的一種方法。本發明將有助于快速表征材料于50nm以下時的信息存儲性能，同時可以加快材料的開發速度。本發明制備的相變存儲器上可形成橫向電極結構。在該橫向電極結構的基礎之上，根據需要利用聚焦離子束系統可以對橫向電極結構進行二次加工，最終可得到更小的電極結構，對材料納米尺度存儲性能的研究提供了更大的便利，因而，本發明為相變存儲器的制備以及相變材料的快速開發提供了一種新的方法，有利于進一步促進相變存儲器的發展。
圖I顯示為本發明制備方法的步驟2)中制備絕緣層的示意圖。圖2a顯示為本發明制備方法的步驟3)中制備的電極結構圖形平面示意圖。圖2d顯示為圖2a中C-C線處的剖視圖。圖2c顯示為圖2a中Al處放大示意圖。圖2d顯示為圖2c中A2處放大示意圖。圖3顯示為本發明制備方法中步驟4)中制備鎢電極層的示意圖。圖4a顯示為本發明制備方法的步驟5)中制備的鎢電極平面示意圖。圖4b顯示為圖4a中D-D線處的剖視圖。圖4c顯示為圖4a中BI處放大示意圖。圖4d顯示為圖4c中B2處放大示意圖。圖5顯示為本發明制備方法中步驟7)中沉積相變材料的示意圖。圖6顯示為本發明制備方法中步驟8)中制備絕熱保護層的示意圖。元件標號說明11硅片襯底12絕緣層13電極結構圖形131獨立電極圖形132公共電極圖形133標記圖形14鎢電極層141獨立電極142公共電極15對準標記16相變材料17絕熱保護層
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖I至圖6。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。本發明提供一種具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，所述相變存儲器的制備方法至少包括以下步驟首先進行步驟I)，提供一硅片襯底，并將所述硅片襯底做清洗處理，以便在后續的步驟中制備出高純度的絕緣層，在本實施例中，將所述硅片襯底做清洗處理的過程包括以下步驟步驟1-1)，提供一硅片襯底，將所述硅片襯底置于由氨水、雙氧水、去離子水按照體積比為I : 2 5配比混合溶液中煮沸5min，經冷卻后用去離子水沖洗3min，之后用氮氣吹干，去除所述硅片襯底表面的油污和大顆粒。步驟1-2)，將所述硅片襯底置于由鹽酸、雙氧水、去離子水按照體積比為 1:2: 5配比混合溶液中煮沸5min，經冷卻后用去離子水沖洗3min，之后用氮氣吹干，去除所述硅片襯底表面的金屬離子。步驟1-3)，將所述硅片襯底置于120°C的烘箱內烘烤30min，以便再次去除表面水分。然后進行步驟2)，請參閱圖1，如圖所示，利用熱氧化工藝在所述硅片襯底11表面制備一層厚度為500 800nm的介質為SiO2的絕緣層12。在本實施例中，制備的介質為 SiO2的絕緣層12的厚度例如為800nm。接著進行步驟3)，請參閱圖2a至圖2d，其中，圖2a顯示為本發明制備方法的步驟
3)中制備的電極結構圖形平面示意圖；圖2d顯示為圖2a中C-C線處的剖視圖；圖2(顯示為圖2a中Al處放大示意圖；圖2d顯示為圖2c中A2處放大示意圖。如圖所示,利用光刻及刻蝕工藝于所述絕緣層12上形成深度為150 200nm的電極結構圖形13及標記圖形 133，制備的電極結構圖形13包括獨立電極圖形131以及公共電極圖形132。其中，獨立電極圖形131為由8X8個凹槽組成的整體呈十字型的橫向電極圖形陣列，其中，各該凹槽均由用于后續步驟中制備電極線的線狀溝槽連接，且該些線狀的溝槽匯總于圖2a中的A處， 更具體的分布結構請參閱圖2c及圖2d，所述公共電極圖形132為均勻分布于所述十字型的橫向電極圖形陣列的周邊的4個公共電極圖形塊。在本實施例中，所述獨立電極圖形131、公共電極圖形132及標記圖形133的深度均為200nm。其中，如圖2d所示，獨立電極圖形131包括131a及131b ;所述標記圖形133 為十字圖形(如圖2c中所示的十字圖形)，所述十字圖形的尺寸為20X20 μ m。在另一實施方式中，所述標記圖形亦可為由十字線以及與十字線相連的四個方形組成的圖形(未予以呈現圖示)，其中，所述十字線尺寸為O. 2 X 2 μ m，方形尺寸為I X I μ m。接著進行步驟4)，請參閱圖3，顯示為本發明制備方法中步驟4)中制備鎢電極層 14的示意圖，如圖所示，利用磁控濺射工藝與所述電極結構圖形上制備一層厚度為200 250nm的鎢電極層14，在本實施例中，所述材料為鎢的電極層的制備是利用磁控濺射的方法完成，鎢電極層14的厚度控制為250nm，保證將絕緣層12上的電極結構圖形13完全填滿，使得后續的拋光工藝順利進行。再接著執行步驟5)，請參閱圖4a至圖4d，其中，圖4a顯示為本發明制備方法的步驟5)中制備的鶴電極平面示意圖；圖4b顯示為圖4a中D-D線處的剖視圖；圖4c顯示為圖 4a中BI處放大示意圖；圖4d顯示為圖4c中B2處放大示意圖。如圖所示，顯示為本發明制備方法中步驟5)中將鎢電極層拋光的示意圖，如圖所示，利用化學機械拋光工藝將所述鎢電極層14進行拋光以制備出順應電極結構圖形的由8X8個獨立電極141以及4個公共電極142組成的橫向電極陣列，將各該獨立電極141的電極線的線寬控制為150 300nm， 將相鄰的兩個獨立電極141的間距控制為小于150nm，然后接著執行步驟6)，如圖4c所示，于所述硅片襯底上橫向電極陣列之外的區域制備多個材料厚度為200nm的對準標記15 ;在本實施例中，制備的對準標記15的材質為鎢，將所述對準標記15的材質選為和鎢電極層14的材質相同，以便于簡化工藝流程。在本實施例中，所述對準標記為十字圖形(如圖4c中所示的十字圖形)，所述對準標記15的尺寸為20 X 20 μ m。在另一實施方式中，所述對準標記亦可為由十字線以及與十字線相連的四個方形組成的圖形(未予以呈現圖示)，其中，所述十字線尺寸為O. 2X2 μ m， 方形尺寸為IX I μ m。然后執行步驟7)，請參閱圖5，顯示為本發明制備方法中步驟7)中沉積相變材料的示意圖，如圖所示，利用磁控濺射工藝并依據所述對準標記15執行對準程序，在相對應的兩個獨立電極141a及141b之間的預接合處沉積厚度為IOOnm的相變材料16，在本實施例中，沉積相變材料16的過程包括以下步驟步驟7-1)，于所述硅片襯底上旋涂雙層厚度為200 300nm的電子束抗蝕劑 (Electron beam resist),具體地,所述電子束抗蝕劑亦稱光刻膠(未圖示)。步驟7-2)，依據所述對準標記執行對準程序，利用電子束曝光工藝在相對應的兩個獨立電極之間的預接合處形成相變材料的沉積區域。步驟7-3)，利用磁控濺射工藝在所述沉積區域沉積厚度為IOOnm的相變材料。步驟7-4)，利用丙酮浸泡12小時將電子束抗蝕劑(光刻膠)及其上面沉積的相變材料去除。最后執行步驟8)，請參閱圖6，顯示為本發明制備方法中步驟8)中制備絕熱保護層的示意圖，如圖所示，利用超高真空電子束蒸發以及光刻剝離工藝在所述硅片襯底上制備絕熱保護層17。在本實施例中，制備絕熱保護層17的過程包括以下步驟8-1)于所述硅片襯底上旋涂雙層厚度為300 400nm的電子束抗蝕劑。8-2)依據所述對準標記執行對準程序，利用電子束曝光工藝在相變材料的沉積區域形成絕熱保護層沉積區。 8-3)利用磁控濺射工藝在所述絕熱保護層沉積區沉積厚度為200nm的SiO2材料。8-4)利用丙酮浸泡12小時將電子束抗蝕劑及其上面沉積的SiO2材料去除。
綜上所述，本發明相變存儲器的制備方法，結合FIB設備特有的納米加工性能以及半導體公司規模化加工能力的快速表征材料納米存儲性能的一種方法。本發明將有助于快速表征材料于50nm以下時的信息存儲性能，同時可以加快材料的開發速度。本發明制備的相變存儲器上可形成橫向電極結構。在該橫向電極結構的基礎之上，根據需要利用聚焦離子束系統可以對橫向電極結構進行二次加工，最終可得到更小的電極結構，對材料納米尺度存儲性能的研究提供了更大的便利，因而，本發明為相變存儲器的制備以及相變材料的快速開發提供了一種新的方法，有利于進一步促進相變存儲器的發展。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于，所述相變存儲器的制備方法至少包括以下步驟1)提供一硅片襯底，并將所述硅片襯底做清洗處理；2)利用熱氧化工藝在所述硅片襯底表面制備一層厚度為500 800nm的介質為SiO2 的絕緣層；3)利用光刻及刻蝕工藝于所述絕緣層上形成深度為150 200nm的電極結構圖形及標記圖形；4)利用磁控濺射工藝與所述電極結構圖形上制備一層厚度為200 250nm的鎢電極層；5)利用化學機械拋光工藝將所述鎢電極層進行拋光以制備出順應電極結構圖形的由 8X8個獨立電極以及4個公共電極組成的橫向電極陣列，將各該獨立電極的線寬控制為 150 300nm，將相鄰的兩個獨立電極的間距控制為小于150nm ；6)于所述硅片襯底上橫向電極陣列之外的區域制備多個材料厚度為200nm的對準標記；7)利用磁控濺射工藝并依據所述對準標記執行對準程序，在相對應的兩個獨立電極之間的預接合處沉積厚度為IOOnm的相變材料；8)利用超高真空電子束蒸發以及光刻剝離工藝在所述硅片襯底上制備絕熱保護層。
2.根據權利要求I所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述步驟I)中將所述硅片襯底做清洗處理的過程包括以下步驟1-1)提供一硅片襯底，將所述硅片襯底置于由氨水、雙氧水、去離子水按照體積比為 1:2: 5配比混合溶液中煮沸5min，經冷卻后用去離子水沖洗3min，之后用氮氣吹干； 1-2)將所述硅片襯底置于由鹽酸、雙氧水、去離子水按照體積比為I : 2 5配比混合溶液中煮沸5min，經冷卻后用去離子水沖洗3min，之后用氮氣吹干；1-3)將所述硅片襯底置于120°C的烘箱內烘烤30min去除表面水分。
3.根據權利要求I所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述步驟3)中制備的電極結構圖形包括獨立電極圖形以及公共電極圖形。
4.根據權利要求I所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述步驟6)中制備的對準標記的材質為鎢。
5.根據權利要求4所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述對準標記為十字圖形或由十字線以及與十字線相連的四個方形組成的圖形。
6.根據權利要求5所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述十字圖形的尺寸為20 X 20 μ m。
7.根據權利要求5所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述十字線尺寸為O. 2 X 2 μ m，方形尺寸為I X I μ m。
8.根據權利要求I所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述步驟7)中沉積相變材料的過程包括以下步驟7-1)于所述硅片襯底上旋涂雙層厚度為200 300nm的電子束抗蝕劑；7-2)依據所述對準標記執行對準程序，利用電子束曝光工藝在相對應的兩個獨立電極之間的預接合處形成相變材料的沉積區域；.7-3)利用磁控濺射工藝在所述沉積區域沉積厚度為IOOnm的相變材料；.7-4)利用丙酮浸泡12小時將電子束抗蝕劑及其上面沉積的相變材料去除。
9.根據權利要求I所述的具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，其特征在于 所述步驟8)中制備絕熱保護層的過程包括以下步驟.8-1)于所述硅片襯底上旋涂雙層厚度為300 400nm的電子束抗蝕劑；.8-2)依據所述對準標記執行對準程序，利用電子束曝光工藝在相變材料的沉積區域形成絕熱保護層沉積區；.8-3)利用磁控濺射工藝在所述絕熱保護層沉積區沉積厚度為200nm的SiO2材料；.8-4)利用丙酮浸泡12小時將電子束抗蝕劑及其上面沉積的SiO2材料去除。
全文摘要
本發明提供一種具有納米存儲性能的相變存儲器的制備方法，結合FIB設備特有的納米加工性能以及半導體公司規模化加工能力的快速表征材料納米存儲性能，本發明將有助于快速表征材料于50nm以下時的信息存儲性能，同時可以加快材料的開發速度。本發明制備的相變存儲器上可形成橫向電極結構，在該橫向電極結構的基礎之上，根據需要利用聚焦離子束系統可以對橫向電極結構進行二次加工，最終可得到更小的電極結構，對材料納米尺度存儲性能的研究提供了更大的便利。
文檔編號H01L45/00GK102593357SQ20121009392
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者呂士龍, 宋志棠 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所