一种使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法，包括步骤：S1：制备导电衬底；S2：制备绝缘层；S3：制备深孔；S4：配置反应溶液，其中混合有两种不同的电解液；S5：在深孔内从底部向上进行电化学沉积，通过调节沉积参数，在深孔内沉积出上下两层材料即选通管和相变单元；S6：制备上电极。通过微纳加工技术刻蚀出纳米级孔径的深孔之后再利用电化学沉积的方法快速有效填充深孔的工艺方法，可以从纳米孔的底部开始生长纳米相变材料，能够实现超大深宽比小孔进行多层复杂结构的硫系相变材料的填充，通过对沉积参数的调控可以实现对材料生长的精准调控，通过设计底部施加电势的电极形状实现图形化的生长，进行复杂结构多种材料的制备。

A method of phase change memory cell integration using electrochemical deposition

【技术实现步骤摘要】
一种使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法
本专利技术属于微电子器件及存储器
，具体涉及一种使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法。
技术介绍
传统的相变存储器（PCM）已经逐渐不能满足大数据时代对高容量存储的需求，无论是PCM的三维堆叠还是器件尺寸的不断缩小都是为了提高存储密度和可靠性。但是随着工艺节点的推进，不仅器件结构深宽比的不断加大使得在工艺中面临严重的深孔填充的困难，而且3DXpoints结构中选通管单元与相变材料单元的共同集成也依赖于快速有效的深孔填充工艺。虽然先进的光刻工艺能够刻出纳米孔径的图形，常用的干法刻蚀工艺如等离子体刻蚀，离子束刻蚀，反应离子刻蚀方法也可以将纳米尺度的图形转移到二氧化硅等绝热材料上，但是高深宽比的纳米孔给后续的填充工艺带来了难题，常见的孔填充工艺主要利用薄膜沉积的技术，包括化学气相沉积(CVD)，物理气相沉积(PVD)以及原子层沉积(ALD)方法，这些方法在将薄膜材料沉积到深孔中时都会面临同一个问题，即薄膜材料容易在深孔的开口处进行集中，易导致整个孔还未被填充完全时其开口被堵塞封闭，从而在孔的底部形成空隙，会导致薄膜材料与底电极接触不充分等问题，会极大地影响器件最终的性能。常规的相变存储单元的集成的方法主要使用的是磁控溅射法，其他可能涉及的方法包括ALD和CVD，其中选通管材料可能会涉及到十分复杂的制备工艺，如由吴良才等人申请的专利(公开号CN106601907A)中选通管材料需要调控四种元素的比例且需要操作复杂的离子注入技术。大规模商用过程中使用的3DXpoints结构中一个相变存储单元需要选通管单元与相变材料单元共同集成在同一个纳米级孔中，由于存储密度的需要以及成本的控制，这就需要使用同样的快速有效工艺将选通管单元和相变材料单元共同填充到纳米级小孔中，这样既提高了集成效率又减少了工艺成本。因此有必要专利技术出一种快速有效的深孔集成相变存储单元的方法来解决上述问题。
技术实现思路
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，特别是现有的填充方法存在的堵塞问题，本专利技术提供了一种通过微纳加工技术刻蚀出纳米级孔径的深孔之后再利用电化学沉积的方法快速有效填充深孔的工艺方法，可以从纳米孔的底部开始生长纳米相变材料，能够实现超大深宽比小孔进行多层复杂结构的硫系相变材料的填充。这种方法有其独特的优势：首先其生长驱动力为极间电势差，使得沉积条件稳定可控，易于实现并且沉积过程中，通过对沉积参数的调控可以实现对材料生长的精准调控，通过设计底部施加电势的电极形状实现图形化的生长，进行复杂结构多种材料的制备。不仅如此电化学沉积的实现成本低廉，制备速度快，可以在常温常压下实现，得到沉积层具有高密度，低孔隙的特点。实际上通过对溶液的选择和参数的优化可以实现在不同的沉积阶段，在小孔内沉积不同的材料，使得孔内多层膜的结构成为可能。同时控制沉积参数能够控制薄膜组分和厚度，实现对器件更精细的控制。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法，包括如下步骤：S1：制备导电衬底；S2：制备绝缘层；S3：制备深孔；S4：配置反应溶液，其中混合有两种不同的电解液；S5：在深孔内从底部向上进行电化学沉积，其中，通过调节沉积参数，在深孔内沉积出两层材料，其中下层作为相变单元，上层作为选通管；S6：制备上电极。优选地，在步骤S5中，在相变单元和选通管之间再沉积一层隔离层。优选地，步骤S4包括如下步骤：S41、将相变材料的氧化物溶于预定浓度的氢氧化钠溶液中，溶解后相变材料的金属阳离子达到预定浓度，作为电解液A；S42、将硫系元素的氧化物溶于预定浓度的硝酸溶液中，溶解后硫系元素达到预定浓度，作为电解液B；S43、将电解液A与电解液B按预定比例混合。优选地，在步骤S42中，电解液B中还添加有预定浓度的添加剂。优选地，在步骤S43之后还包括步骤：向电解液A与电解液B混合后的电解液中加入预定浓度的络合剂。优选地，根据混合后电解质pH以及沉积元素种类选择不同的络合剂。优选地，在步骤S43之后还包括步骤：向电解液A与电解液B混合后的电解液中加入pH调节剂调节电解液pH值。优选地，所述pH调节剂为酸性溶液或碱性溶液。优选地，在步骤S5中，在混合后的电解液中采用恒电流在深孔内从底部向上进行电化学沉积，电流沉积参数在0.1~10mA/cm2内进行调节；沉积结束后，取走电化学沉积的阳极电极。优选地，在步骤S5中，在混合后的电解液中采用恒电压在深孔内从底部向上进行电化学沉积，电压沉积参数在0.1~5V内进行调节；沉积结束后，取走电化学沉积的阳极电极。优选地，在步骤S5中，若沉积层高过或低于刻蚀最大孔深，则在步骤S6中，先制备上电极，再使用CMP进行表面平整。优选地，为了防止选通管材料与相变单元间的扩散，可以在选通管材料与相变单元间再沉积一层过渡金属，以保证层与层之间的隔离。上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：（1）本专利技术沉积材料生长在施加电势的衬底上，使得薄膜材料不易在深孔开口处进行集中，不会在沉积还未结束时孔就完全封闭，通过设计底部施加电势的电极形状实现图形化的生长，进行复杂结构多种材料的制备。（2）通过调节沉积参数如反应电压或电流等，以及改变沉积溶液如电解液的pH值，反应原料的含量，络合剂的种类和含量等可以实现不同材料不同厚度的精准调控沉积，包括功能层和电极隔离材料等，沉积的材料致密，成分稳定，实现层间的紧密接触，保证了良好的接触。（3）电化学法沉积材料制备工艺简单，可以在常温常压下进行，对实验条件要求不高，能耗低，易于控制，生长速度较快，生长率，精度和效率显著提高。（4）制备工艺对需要填充的小孔的形状及深宽比无严格要求，孔径可以达10nm;深度可达微米及以上，具有很大的深宽比，常规的小孔结构也可沉积。（5）本专利技术通过使用电化学沉积的方法在深孔内沉积硫系相变材料，能够显著避免常规的磁控溅射等方法在沉积过程中在深孔口沉积导致反应中断的问题。同时作为一种简单易于操作的方法，其条件易于控制，能够快速填充多种优质的相变材料，工艺简单，是一种很有潜力的工艺，可以用在三维相变存储器制备工艺中。附图说明图1是本专利技术实施例的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法的工艺流程示意图之一；图2是本专利技术实施例的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法的工艺流程示意图之二；图3是本专利技术实施例的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法的工艺流程示意图之三；图4是本专利技术实施例的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法的工艺流程示意图之四；图5是本专利技术实施例的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法的工艺流程示意图之五；图6是本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：制备导电衬底；/nS2：制备绝缘层；/nS3：制备深孔；/nS4：配置反应溶液，其中混合有两种不同的电解液；/nS5：在深孔内从底部向上进行电化学沉积，其中，通过调节沉积参数，在深孔内沉积出两层材料，其中下层作为相变单元，上层作为选通管；/nS6：制备上电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制备导电衬底；
S2：制备绝缘层；
S3：制备深孔；
S4：配置反应溶液，其中混合有两种不同的电解液；
S5：在深孔内从底部向上进行电化学沉积，其中，通过调节沉积参数，在深孔内沉积出两层材料，其中下层作为相变单元，上层作为选通管；
S6：制备上电极。


2.如权利要求1所述的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法，其特征在于：
在步骤S5中，在相变单元和选通管之间再沉积一层隔离层。


3.如权利要求1所述的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法，其特征在于：
步骤S4包括如下步骤：
S41、将相变材料的氧化物溶于预定浓度的氢氧化钠溶液中，溶解后相变材料的金属阳离子达到预定浓度，作为电解液A；
S42、将硫系元素的氧化物溶于预定浓度的硝酸溶液中，溶解后硫系元素达到预定浓度，作为电解液B；
S43、将电解液A与电解液B按预定比例混合。


4.如权利要求3所述的使用电化学沉积进行相变存储单元集成的方法，其特征在于：
在步骤S43之后还包括步骤：
向电解液A与电解液B混合后的电解液中加入预定浓度的络合剂。


5.如权利要求4所述的使用电化学沉积进...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐明，徐开朗，缪向水，童浩，万代兴，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42