專利名稱：一種制作納米尺寸相變存儲器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子技術領域，特別涉及一種制作納米尺寸相變存儲器的方法。本發(fā)明提出了一種采用兩步側(cè)墻工藝來制備用來填充相變材料的金屬NAN0GAP和相變材料納米條，從而制作納米尺寸相變存儲器的方法。該方法避免了使用電子束曝光的成本高、周期長的不足，在突破光刻分辨率限制及提高器件制備效率等方面具有很大的優(yōu)越性。
背景技術：
隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們對移動存儲的要求急劇增長。由于閃存(Flash)存儲技術寫入速度相對慢、工作電壓高，同時又難以實現(xiàn)納米級小尺寸以提高集成度等不利因素使其很難滿足下一代非易失性存儲器的要求。因此基于S. R. Ovshinsky在1968年提出的利用硫系化合物薄膜相變時具有明顯的電阻差異而具有存儲效應建立起來的相變隨機存儲器(PC-RAM， Phase Change-Random Access Memory)被提上日程。由于相變存儲器具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、功耗低、成本低、可多級存儲、抗強震動和抗輻照等優(yōu)點，被國際半導體工業(yè)協(xié)會認為是最有可能取代目前的閃存存儲器，而成為未來存儲器的主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。 相變存儲器自誕生以來已經(jīng)有很多人對它進行了研究，例如Ovonyx、 Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi等，通過改變相變材料和器件結(jié)構(gòu)等已經(jīng)使其具備了良好的性能。但是，隨著半導體行業(yè)的高速發(fā)展，存儲器的集成密度隨著摩爾定律提高。要想使相變存儲器能夠在今天的存儲器市場上嶄露頭角，必須減小其RESET電流使其具有很高的集成密度。因此，制備小尺寸的尤其是納米尺度的相變存儲器，成為當前研究的主要內(nèi)容。 目前，獲得小尺寸的方法，主要有電子束曝光(EBL)、聚焦離子束曝光(FIB)等，但是他們的成本過于高昂。為了突破光刻分辨率限制及提高器件制備效率，尋找簡單而低成本的制備小尺寸的納米尺寸相變存儲器的方法，我們提出本發(fā)明構(gòu)思。
發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術問題 本發(fā)明的主要目的在于提供一種制作納米尺寸相變存儲器的方法，以尋找到一種納米尺寸的相變存儲單元的制作方法，并且器件單元結(jié)構(gòu)簡單、制備方法簡單且成本低廉，能夠突破光刻分辨率限制，并提高器件制備效率。
( 二 )技術方案 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種制作納米尺寸相變存儲器的方法，該方法包括 a、在襯底上生長一層電熱絕緣材料； b、在該電熱絕緣材料上制作金屬GAP的側(cè)墻基底，然后淀積側(cè)墻材料，用干法刻蝕回刻出犧牲側(cè)墻，用濕法刻蝕去掉側(cè)墻基底，形成金屬GAP側(cè)墻；
c、采用光刻、剝離工藝在垂直于該金屬GAP側(cè)墻的一條邊上形成金屬條，再用濕 法刻蝕去掉金屬GAP側(cè)墻，同時將附著在金屬GAP側(cè)墻上的金屬剝離，形成納米尺寸的金屬
GAP ; d、在該金屬條之上制作相變材料的側(cè)墻基底，使該側(cè)墻基底的一個邊緣橫跨在該 金屬GAP上，然后淀積相變材料及其保護層，用干法刻蝕回刻出帶有保護層的相變材料的 1!^^回； e、淀積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，形成水平結(jié)構(gòu)的相變 存儲器。 上述方案中，步驟a中所述在襯底上生長一層電熱絕緣材料，是采用化學氣相淀 積或者磁控濺射淀積方法生長的。 上述方案中，步驟a中所述襯底是半導體材料襯底，或是絕緣材料襯底。所述半導 體材料襯底是硅片或SOI片，所述絕緣材料襯底是Si(^、玻璃。
上述方案中，步驟a中所述電熱絕緣材料是氮化硅。 上述方案中，步驟b中所述在該電熱絕緣材料上制作金屬GAP的側(cè)墻基底是采用 光學光刻和干法刻蝕的方法制作的。 上述方案中，步驟b中所述金屬GAP的側(cè)墻基底采用二氧化硅，所述金屬GAP的側(cè)
墻材料是多晶硅。步驟b中所述去除側(cè)墻基底采用的刻蝕液是氫氟酸，步驟c中所述去除
金屬GAP側(cè)墻形成金屬GAP采用的刻蝕液是K0H溶液、EDP、異丙醇和水的混合溶液。 上述方案中，步驟b中所述金屬GAP的側(cè)墻基底采用多晶硅，所述金屬GAP的側(cè)墻
材料是二氧化硅。步驟b中所述去除側(cè)墻基底采用的刻蝕液是KOH溶液，步驟c中所述去
除金屬GAP側(cè)墻形成金屬GAP采用的刻蝕液是氫氟酸。 上述方案中，步驟c中所述金屬條是采用光刻剝離工藝制備的。 上述方案中，步驟c中所述金屬GAP是用濕法刻蝕的方法，在刻掉側(cè)墻的同時將附
著在側(cè)墻上的金屬剝離而形成。 上述方案中，步驟d中所述相變材料的側(cè)墻基底邊緣的長度大于或等于金屬GAP 的寬度，并使該邊緣橫跨于金屬GAP之上。 上述方案中，步驟d中所述相變材料的側(cè)墻基底采用電熱絕緣材料。 上述方案中，步驟b中所述犧牲側(cè)墻厚度為50 100nm，步驟d中所述相變材料側(cè)
墻的厚度為50 lOOnm。(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 本發(fā)明提供的這種制作納米尺寸相變存儲器的方法，采用薄膜工藝、光刻剝離工 藝、濕法刻蝕工藝和兩步側(cè)墻工藝制備了納米尺寸的相變存儲器器件單元。這種器件單元 制備方法的特點在于器件結(jié)構(gòu)簡單，制備方便，器件單元尺寸小，避免了使用電子束曝光 (EBL)，聚焦離子束曝光(FIB)等技術，大大降低了成本，集成度大幅度的提高，同時突破光 刻分辨率限制及提高器件制備效率等。
圖1是本發(fā)明提供的制作納米尺寸相變存儲器的方法流程 圖2是依照本發(fā)明實施例在淀積有電熱絕緣層的襯底材料上制作金屬GAP的側(cè)墻 基底的示意圖，其中圖2(a)是剖面圖，圖2(b)是俯視圖； 圖3是依照本發(fā)明實施例淀積側(cè)墻材料的示意圖，其中圖3(a)是剖面圖，圖3 (b) 是俯視圖； 圖4是依照本發(fā)明實施例回刻形成金屬GAP的側(cè)墻的示意圖，其中圖4(a)是剖面 圖，圖4(b)是俯視圖； 圖5是依照本發(fā)明實施例刻蝕掉側(cè)墻基底的示意圖，其中圖5(a)是剖面圖，圖 5(b)是俯視圖; 圖6是依照本發(fā)明實施例淀積金屬條的示意圖，其中圖6(a)是剖面圖，圖6(b)是 俯視圖； 圖7是依照本發(fā)明實施例刻蝕掉側(cè)墻同時剝離掉附著于其上的金屬的示意圖，其 中圖7(a)是剖面圖，圖7(b)是俯視圖； 圖8是依照本發(fā)明實施例制作相變材料的側(cè)墻基底的示意圖，其中圖8(a)是剖面 圖，圖8(b)是俯視圖； 圖9是依照本發(fā)明實施例淀積相變材料和保護層后回刻形成相變材料的側(cè)墻的 示意圖，其中圖9(a)是剖面圖，圖9(b)是俯視圖； 圖IO是依照本發(fā)明實施例鈍化開孔引出電極的示意圖，其中圖10(a)是剖面圖， 圖10(b)是俯視圖； 圖ll是依照本發(fā)明實施例制作的納米尺寸相變存儲器的示意圖，其中圖ll(a)是 剖面圖，圖ll(b)是俯視圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。 本發(fā)明制作納米尺寸相變存儲器的方法，首先在硅襯底上淀積一層抗腐蝕性很強 的電熱絕緣材料，然后利用側(cè)墻工藝在該材料表面制備出一個納米尺寸的金屬GAP ;隨后 再一次利用側(cè)墻工藝制備出一條納米尺寸的相變材料，納米相變條填充在金屬GAP中；鈍 化開孔引出電極，最后制備出納米尺寸的相變存儲器件。 如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的制作納米尺寸相變存儲器的方法流程圖，該方法 包括以下步驟 步驟1 :在襯底上生長一層電熱絕緣材料； 步驟2 :在該電熱絕緣材料上制作金屬GAP的側(cè)墻基底，然后淀積側(cè)墻材料，用干
法刻蝕回刻出犧牲側(cè)墻，用濕法刻蝕去掉側(cè)墻基底，形成金屬GAP側(cè)墻； 步驟3 :采用光刻、剝離工藝在垂直于該金屬GAP側(cè)墻的一條邊上形成金屬條，再
用濕法刻蝕去掉金屬GAP側(cè)墻，同時將附著在金屬GAP側(cè)墻上的金屬剝離，形成納米尺寸的
金屬GAP ; 步驟4:在該金屬條之上制作相變材料的側(cè)墻基底，使該側(cè)墻基底的一個邊緣橫 跨在該金屬GAP上，然后淀積相變材料及其保護層，用干法刻蝕回刻出帶有保護層的相變 材料的側(cè)墻；
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步驟5 :淀積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，形成水平結(jié)構(gòu) 的相變存儲器。
上述步驟1至步驟5的詳細工藝可以進一步參考以下具體制備過程 (1)對襯底進行常規(guī)的RCA清洗。襯底為半導體材料，絕緣材料中的一種，如硅片、
玻璃、Si(^、S01片等； (2)在襯底上采用薄膜制備工藝，如濺射法、蒸發(fā)法、等離子體輔助淀積法、化學氣 相淀積法、金屬有機物熱分解法、激光輔助淀積法、熱氧化等中的一種制備電熱絕緣層，絕 緣層材料為氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構(gòu)成的混 合物中的一種； (3)在所述電熱絕緣材料上，制作金屬GAP的側(cè)墻基底，所用的方法是用光刻、干 法刻蝕工藝；基底材料可以是氧化物、多晶硅中的一種； (4)淀積側(cè)墻材料，用干法刻蝕回刻出側(cè)墻，其厚度約為50 100nm，側(cè)墻材料可 以是氧化物、多晶硅中的一種； (5)用濕法刻蝕去除側(cè)墻基底，形成金屬GAP的側(cè)墻；所用的刻蝕液可以是氫氟 酸、K0H溶液中的一種，選用刻蝕液的原則是對側(cè)墻基底的刻蝕速率要遠大于對側(cè)墻和電 熱絕緣層的速率； (6)在所述側(cè)墻上用剝離工藝淀積一層金屬條，使金屬條搭在側(cè)墻身上并與側(cè)墻
垂直，再用濕法刻蝕去除側(cè)墻，與此同時將附著在側(cè)墻上的金屬剝離，形成納米尺寸的金屬
GAP;金屬可以是鎢、鉬、金、鈦、銀等中的一種，刻蝕液可以是氫氟酸、KOH中的一種。 (7)在所述的金屬條之上制作相變材料的側(cè)墻基底，使該基底的一個邊緣橫跨于
金屬GAP上，所用的方法是光刻剝離工藝。其側(cè)墻基底的材料可以是氧化物，氮化物、硫化
物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構(gòu)成的混合物中的一種。 (8)淀積相變材料及其保護層，用干法刻蝕回刻出帶有保護層的相變材料的側(cè)墻，
其厚度約為50 100nm ;相變材料可以是Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3、 GeiSb2Te4、 Ge2Sb4Te7或者含有
硫族元素的任意相變材料中的一種；保護層可以是氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、
氮化物、硫化物中的至少兩種構(gòu)成的混合物中的一種。 (9)淀積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，構(gòu)成水平結(jié)構(gòu)的相 變存儲器。鈍化層可以是氧化物、氮化物中的一種。 本發(fā)明提供的制作納米尺寸相變存儲器的方法，基于側(cè)墻方法實現(xiàn)金屬NANOGAP 以及相變材料的側(cè)墻方法，將二者改進、結(jié)合起來并將其應用于平面PCRAM器件制備，從而
突破光刻分辨率限制并提高器件制備效率。以下為具體實施例。
實施例1 1、采用單晶硅片、SOI片等半導體或者絕緣材料作為襯底101 ;
2、采用薄膜制備工藝，在襯底上制備電熱絕緣層氮化硅102 ; 3、在電熱絕緣層氮化硅上LPCVD淀積多晶硅作為制作金屬GAP的側(cè)墻基底103，然 后通過光學光刻和干法刻蝕形成側(cè)墻基底圖形。如圖2所示。 4、 PECVD淀積犧牲側(cè)墻材料二氧化硅104，如圖3所示；然后干法回刻形成犧牲側(cè) 墻。如圖4所示。 5、用氫氧化鉀溶液漂去側(cè)墻基底(氫氧化鉀溶液對襯底氮化硅和側(cè)墻二氧化硅
7的刻蝕選擇比較高)，如圖5所示。 6、采用光學光刻和剝離工藝在犧牲側(cè)墻的一條邊上形成鎢的金屬條105，如圖6 所示。然后再用氫氟酸將側(cè)墻漂去，與此同時，附著在側(cè)墻上的金屬也被漂掉，從而形成金 屬的NANOGAP，如圖7所示。 7、淀積相變材料GST的側(cè)墻基底106，然后通過光學光刻和干法刻蝕形成其側(cè)墻 基底圖形，如圖8所示。 8、淀積相變材料GST107和其保護層108，通過干法回刻形成帶有保護層的GST側(cè) 墻，如圖9所示。 9、淀積鈍化層109，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極IIO，制成水平結(jié) 構(gòu)的相變存儲器，如圖10所示。
實施例2 具體步驟和條件同實施例1，不同之處在于采用二氧化硅作為金屬NANOGAP的側(cè) 墻基底，采用多晶硅作為犧牲側(cè)墻。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，該方法包括a、在襯底上生長一層電熱絕緣材料；b、在該電熱絕緣材料上制作金屬GAP的側(cè)墻基底，然后淀積側(cè)墻材料，用干法刻蝕回刻出犧牲側(cè)墻，用濕法刻蝕去掉側(cè)墻基底，形成金屬GAP側(cè)墻；c、采用光刻、剝離工藝在垂直于該金屬GAP側(cè)墻的一條邊上形成金屬條，再用濕法刻蝕去掉金屬GAP側(cè)墻，同時將附著在金屬GAP側(cè)墻上的金屬剝離，形成納米尺寸的金屬GAP；d、在該金屬條之上制作相變材料的側(cè)墻基底，使該側(cè)墻基底的一個邊緣橫跨在該金屬GAP上，然后淀積相變材料及其保護層，用干法刻蝕回刻出帶有保護層的相變材料的側(cè)墻；e、淀積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，形成水平結(jié)構(gòu)的相變存儲器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟a中所述在襯底上生長一層電熱絕緣材料，是采用化學氣相淀積或者磁控濺射淀積方法生長的。
3. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟a中所述襯底是半導體材料襯底，或是絕緣材料襯底。
4. 根據(jù)權利要求3所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，所述半導體材料襯底是硅片或SOI片，所述絕緣材料襯底是Si(^、玻璃。
5. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟a中所述電熱絕緣材料是氮化硅。
6. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟b中所述在該電熱絕緣材料上制作金屬GAP的側(cè)墻基底是采用光學光刻和干法刻蝕的方法制作的。
7. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟b中所述金屬GAP的側(cè)墻基底采用二氧化硅，所述金屬GAP的側(cè)墻材料是多晶硅。
8. 根據(jù)權利要求7所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟b中所述去除側(cè)墻基底采用的刻蝕液是氫氟酸，步驟c中所述去除金屬GAP側(cè)墻形成金屬GAP采用的刻蝕液是K0H溶液、EDP、異丙醇和水的混合溶液。
9. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟b中所述金屬GAP的側(cè)墻基底采用多晶硅，所述金屬GAP的側(cè)墻材料是二氧化硅。
10. 根據(jù)權利要求9所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟b中所述去除側(cè)墻基底采用的刻蝕液是K0H溶液，步驟c中所述去除金屬GAP側(cè)墻形成金屬GAP采用的刻蝕液是氫氟酸。
11. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟c中所述金屬條是采用光刻剝離工藝制備的。
12. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟c中所述金屬GAP是用濕法刻蝕的方法，在刻掉側(cè)墻的同時將附著在側(cè)墻上的金屬剝離而形成。
13. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟d中所述相變材料的側(cè)墻基底邊緣的長度大于或等于金屬GAP的寬度，并使該邊緣橫跨于金屬GAP之上。
14. 根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟d中所述相變材料的側(cè)墻基底采用電熱絕緣材料。
15.根據(jù)權利要求1所述的制作納米尺寸相變存儲器的方法，其特征在于，步驟b中所述犧牲側(cè)墻厚度為50 100nm，步驟d中所述相變材料側(cè)墻的厚度為50 100nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作納米尺寸相變存儲器的方法，首先在硅襯底上淀積一層抗腐蝕性很強的電熱絕緣材料，然后利用側(cè)墻工藝在該材料表面制備出一個納米尺寸的金屬GAP，接著再一次利用側(cè)墻工藝制備出納米尺寸的相變材料，納米相變材料填充在金屬GAP中。鈍化開孔引出電極，最后制備出納米尺寸的相變存儲器件。本發(fā)明避免了使用電子束曝光的成本高、周期長的缺陷，僅采用光刻和兩步側(cè)墻工藝，便制備出了納米尺寸的相變存儲器，在突破光刻分辨率限制及提高器件制備效率等方面具有很大的優(yōu)越性。
文檔編號H01L27/24GK101764195SQ20081024093
公開日2010年6月30日 申請日期2008年12月24日 優(yōu)先權日2008年12月24日
發(fā)明者張加勇, 楊富華, 王曉東, 王曉峰, 田曉麗 申請人:中國科學院半導體研究所