制备垂直结构相变存储器的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备垂直结构相变存储器的方法，属于纳米电子和纳米光电子器件技术领域。该方法包括准备衬底、镀隔热层、镀薄膜层、铺设模板、离子刻蚀、去除模板、镀绝热层、抛光磨平、光刻腐蚀、复镀绝热层、复抛磨平、制作电极各步骤。本发明专利技术采用纳米阵列的相变材料作为存储信息的载体，通过在电极与相变材料之间导入合适的介质层，提高了相变有源区的热效率，使得存储器件的操作电流与功耗得到有效降低，并且工艺简单、成本低廉，从而为制造出适合ＰＣＲＡＭ的商用化存储器奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，是一种利用光刻和纳米球刻蚀技术相结合，制备亚30纳米级的、以石克系化合物纳 米点阵作为有源层的垂直结构相变存储器的方法，属于纳米电子和纳 米光电子器件

技术介绍
辟L系化合物锗锑碲或硅锑碲(GexSbyTez) ( SixSbyTez )相变型半 导体存储器(简称PCRAM)是一种新兴的半导体存储器，与目前已有 的多种半导体存储技术相比，具有非易失性、循环寿命长、功耗低、 可多级存储、高速读取、抗干扰等优点。然而要使得PCRAM器件与商 用化存储器相比体现出优越性和竟争性，就必须做成纳电子器件，尤 其是作为存储器最核心的相变有源区的尺寸必须达到几十纳米到几 纳米，才能使材料发生相变所需的电压和功耗大大降低，从而实现真 正意义上的纳电子器件。据申请人了解，迄今尚无适合工业化生产的 制备辟u系化合物纳米点阵垂直结构相变存储器的方法。检索发现，申请号为200510110783. X的中国专利申请公开了采 用硫系化合物纳米材料制备相变存储器器件单元的方法，所用到的相 变有源层为二维的硫系化合物薄膜，因此功耗较大。此外，申请号为 200410015743的中国专利申请公开了相变存储器单元器件的制备方 法，该方法采用机械手段，即用三棱锥、圆锥等多种形状和钻石、金 刚石等不同材料的压头在薄膜上打出小孔，使小孔穿透电介质层，尖头部和底电极材料接触的方法，继而在小孔中淀积相变材料作为有源层，显然其工艺较为复杂
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种适合工业化生产的制备垂直结构相 变存储器的方法，从而为制造出适合PCRAM的商用化存储器奠定基 础。为了达到以上目的，本专利申请人在专利号为200610085300X 中国专利公开的在常温下构筑高密度均匀分布硅纳米点、纳米线的方 法基础上，进一步深入实验研究，提出本专利技术制备垂直结构相变存储 器的方法，包括以下步骤第一步、准备村底——选用n+或p+型单面抛光的硅片作为衬底，清 洗后烘干；第二步、镀隔热层一一在衬底上蒸镀50_100纳米的隔热层(例如TiN 氮化钛或W鴒隔热层)；第三步、镀薄膜层一一在隔热层上蒸镀厚度100-150纳米的锗锑碲或 硅锑碲薄膜层；第四步、铺设模板一一在薄膜层上铺设直径为so-IOO纳米的单层聚 苯乙烯小球；第五步、离子刻蚀一一以附在薄膜层上的单层聚苯乙烯小球作为掩模 版，对硅衬底进行反应离子刻蚀，获得锗锑碲或硅锑碲纳米阵列(最 好其顶部尺寸小于30纳米、高度为100±10纳米)； 第六步、去除模板一一用有机溶剂浸泡(例如四氢呋喃浸泡5-10分 钟)，去除聚苯乙烯小球；第七步、镀绝热层一一蒸镀300-500纳米的二氧化硅或氮化硅作为锗 锑碲或珪锑碲纳米阵列相互之间的绝缘隔热层； 第八步、抛光磨平——抛光磨去表面绝缘隔热层，露出填充二氧化硅 或氮化硅的锗锑碲或硅锑碲纳米阵列端头；第九步、光刻腐蚀一一将分布有微孔(孔径最好控制在1_5微米)的 光刻模板覆盖在抛光表面，对锗锑碲或硅锑碲纳米阵列进行光刻，使衬底表面形成截面为圆形的柱状存储单元；第十步、复镀绝热层——蒸镀300-500纳米的二氧化^5圭层或氮化硅作为圓柱状存储单元之间的绝缘隔热层；第十一步、复抛磨平一一抛光磨去表面绝缘隔热层，露出填充二氧化硅或氮化硅的圆柱状存储单元端头；第十二步、制作电极一一先后在上下表面蒸镀金属电极层，并借助上述分布微孔(孔径最好1至5微米)的光刻模板对上表面的金属电极层进行光刻，得到所需图形的上电极。本专利技术的上述方法具有以下优点1 、制备出的纳米阵列垂直结构相变存储器中的纳米阵列最小线宽可达到小于30纳米；且纳米阵列被电介质(Si02)所填充、包围，单个纳米柱的截面积很小，电流垂直通过，可以产生很高的电流密度，并且由于二氧化硅的热导率相对较小，从而使得相变有源区的热效率提高，功耗减小；2 、可以方便的通过调节模板聚苯乙烯小球的尺寸和反应离子刻蚀的条件控制相变材料纳米阵列形成的周期、调节形貌、尺寸，以达到调节相变存储器的热效率和功耗的目的；3、制备纳米相变材料阵列存储器时只需用到单一的光刻模板，工艺简单，避免了采用用成本昂贵的FIB技术，与传统的半导体硅工艺-CMOS工艺相兼容，适合于存储器单元的大面积批量生产。与相变有源层为二维的硫系化合物薄膜相比，本专利技术采用了点阵结构，使得材料在三维方向上均达到了纳米尺度，从而在应用中可以极大限度地降低功耗；与机械方法在薄膜上打出小孔相比，本专利技术使用了纳米球刻蚀技术和光刻工艺，与CMOS工艺有着良好的兼容性，工艺简单、制作成本低廉，可以获得线宽更小(低于30纳米)的纳米点。总之，本专利技术采用纳米阵列的相变材料作为存储信息的载体，通过在电极与相变材料之间导入合适的介质层，提高了相变有源区的热效率，使得存储器件的操作电流与功耗得到有效降低，并且工艺简单、成本低廉，从而为制造出适合PCRAM的商用化存储器奠定了基础。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1为本专利技术一个实施例的制备工艺过程示意图，其中(1一3)为在硅衬底上蒸镀TiN和GeSbTe薄膜；(4)铺设PS小球;(5)反应离子刻蚀；(6)去除PS小球；(7)蒸镀二氧化硅；(8)抛光磨平；(9)光刻得到圓柱状存储单元；(IO)再次蒸镀绝热层二氧化硅；(ll)抛光磨平；(12)蒸镀上电极；(13)光刻上电极；(14)蒸镀下电极。具体实施方式实施例一本实施例制备亚30纳米级硫系化合物纳米点阵垂直结构相变存储器的方法如图l所示，包括以下步骤1、 准备衬底——选用n+或p+型单面抛光的硅片作为衬底，首先采用硫酸+双氧水煮沸的方法进行清洗，然后用去离子水漂洗并烘干。2、 镀隔热层一一用磁控溅射法(溅射条件压强0. 2Pa,衬底温度550 °C)蒸镀50-100纳米的TiN层作为隔热层。3、 镀薄膜层一一用磁控溅射法(条件为真空度2xl()-4Pa;溅射压强0. 15Pa )蒸镀厚度100-150纳米锗锑碲或硅锑碲薄膜材料。4、 铺设模板一一在锗锑碲或硅锑碲薄膜上铺设单层聚苯乙烯小球(直径为50至100纳米)。5、 离子刻蚀一一利用附在锗锑碲或硅锑碲薄膜的单层聚苯乙烯小球(PS)作为掩模版，采用四氟化碳(CF4)或氟利昂-12 (CF2C12)或三氟曱烷(CHF3)气体对硅衬底进行反应离子刻蚀(RIE ) 2-5分钟，获得顶部尺寸小于30纳米、高度约为100纳米的锗锑碲或硅锑碲纳米阵列。6、 去除模板——将样品放入有机溶剂中(例如四氢呋喃等)中浸泡5-10分钟即可将聚苯乙烯小球完全去除。7、 镀绝热层一一用电子束蒸发设备(条件真空度4. 5 x l(TPa;衬底温度50-60°C;电子加速电压6-8kV;蒸镀压强3. 5x10—3Pa)蒸镀300-500纳米厚度的二氧化硅(也可以是氮化硅)层作为锗锑碲或硅锑碲纳米阵列相互之间的绝缘隔热层。8、 抛光磨平一一抛光磨去表面绝缘隔热层，露出填充二氧化硅(或氮化硅)的锗锑碲或硅锑碲纳米阵列端头。9、 光刻一一利用其上分布有孔径1至5微米小孔的光刻模板覆盖抛光表面，对锗锑碲或硅锑碲纳米阵列层(纳米阵列已被电介质二氧化硅所填充)进行光刻，得到截面积为圆形的柱状存储单元。10、 复镀绝热层一一参照步骤7，用电子束蒸发设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备垂直结构相变存储器的方法，包括以下步骤：　第一步、准备衬底－－选用ｎ＋或ｐ＋型单面抛光的硅片作为衬底，清洗后烘干；　第二步、镀隔热层－－在衬底上蒸镀５０－１００纳米的隔热层；　第三步、镀薄膜层－－在隔热层上蒸镀厚度１００－１５０纳米的锗锑碲或硅锑碲薄膜层；　第四步、铺设模板－－在薄膜层上铺设直径为５０－１００纳米的单层聚苯乙烯小球；　第五步、离子刻蚀－－以附在薄膜层上的单层聚苯乙烯小球作为掩模版，对硅衬底进行反应离子刻蚀，获得锗锑碲或硅锑碲纳米阵列；　第六步、去除模板－－用有机溶剂浸泡，去除聚苯乙烯小球；　第七步、镀绝热层－－蒸镀３００－５００纳米的二氧化硅或氮化硅作为锗锑碲或硅锑碲纳米阵列相互之间的绝缘隔热层；　第八步、抛光磨平－－抛光磨去表面绝缘隔热层，露出填充二氧化硅或氮化硅的锗锑碲或硅锑碲纳米阵列端头；　第九步、光刻腐蚀－－将分布有微孔的光刻模板覆盖在抛光表面，对锗锑碲或硅锑碲纳米阵列进行光刻，使衬底表面形成截面为圆形的柱状存储单元；　第十步、复镀绝热层一－蒸镀３００－５００纳米的二氧化硅层或氮化硅作为圆柱状存储单元之间的绝缘隔热层；　第十一步、复抛磨平－－抛光磨去表面绝缘隔热层，露出填充二氧化硅或氮化硅的圆柱状存储单元端头；　第十二步、制作电极－－先后在上、下表面蒸镀金属电极层，并借助上述分布微孔的光刻模板对上表面的金属电极层进行光刻，得到所需图形的上电极。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐岭，徐骏，马忠元，刘东，廖远宝，戴明，杨菲，刘文强，吴良才，陈坤基，李伟，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]