專利名稱：相變存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子制造技術領域，特別涉及一種相變存儲器的制作方法，一種采 用無電化學鍍方法制備插塞電極的相變存儲器制備方法，避免了濺射、電鍍、CVD等傳統(tǒng)小 孔填充方法的小孔填充質(zhì)量不好、成本高等缺陷，且采用無電化學鍍方法制備插塞電極時 電極層不用敏化活化等前期處理，而是把基材用化學刻蝕或氮氣等離子體處理除去表面氧 化層后，直接放入化學鍍液中鍍，從而簡化工藝降低成本。
背景技術：
相變存儲器 PRAM (phase change random access memory, PRAM)是一種新興的半 導體存儲器，與目前已有的多種半導體存儲技術相比，包括常規(guī)的易失性技術和非易失性 技術，具有元件尺寸小、功耗低、可多級存儲、循環(huán)壽命長、高速讀取、抗輻照、耐高低溫、抗 電子干擾和制造工藝簡單(能和現(xiàn)在的集成電路工藝很好的相匹配)等優(yōu)點。被認為最有 可能取代目前的SRAM、DRAM和FLASH等當今主流產(chǎn)品而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成 為商用產(chǎn)品的下一代半導體存儲器件。PRAM是以硫系化合物為存儲介質(zhì)，利用電能使相變材料在非晶態(tài)(高阻)與晶態(tài) (低阻)之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信息的寫入與擦除，進而實現(xiàn)存儲功能的。目前PRAM存在操 作電流過大以至CMOS電路無法很好地起到驅(qū)動作用的問題，可采用制備小尺寸插塞電極 的方法，減小GST材料與電極的接觸面積，以減小操作電流。這就涉及到納米尺寸小孔的金 屬填充問題。目前，小孔填充的方法，主要有磁控濺射、電鍍、CVD等，但是它們或多或少存在一 些不足，比如磁控濺射以及其它濺射方法的小孔填充能力不強，CVD方法成本較高；電鍍方 法盡管成本低，但需要首先使用濺射方法制備一層金屬種子層，而當小孔孔徑縮小到一定 尺度后，濺射制備的金屬種子層難以達到均勻覆蓋，進而會導致電鍍結果不佳。為了克服這 些納米尺寸金屬插塞電極制備的不足，本發(fā)明中采用無電化學鍍方法制備金屬插塞電極。化學鍍是一種不同于一般電鍍的沉積方法，它主要是利用氧化還原反應使金屬離 子被還原而沉積在基板表面.其主要特點有能夠在非金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等 非導體表面沉積，不需要種子層；能夠沉積在任何形狀的鍍件表面，沉積速率均勻，且不受 鍍件的形狀、尺寸的影響；設備簡單低廉，反應條件溫和，易于控制，大大降低了產(chǎn)品的成 本。本發(fā)明用簡單而低成本的無電化學鍍方法制備納米尺寸金屬插塞電極，并將其運用于 PRAM器件單元的制備中。一般基板在進行化學鍍前要進行敏化活化處理，而本發(fā)明作為基板的金屬層不用 進行活化敏化等前處理，而是先把基材用化學刻蝕或氮氣等離子體處理除去表面薄氧化層 后，直接放入化學鍍液中鍍，從而簡化工藝降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種相變存儲器的制作方法——本發(fā)明提出了一種采用
3無電化學鍍方法制備插塞電極的相變存儲器制備方法，且采用無電化學鍍方法制備插塞電 極時電極層不用敏化活化等前期處理，而是把基材用化學刻蝕或氮氣等離子體處理除去表 面氧化層后，直接放入化學鍍液中鍍，從而簡化工藝降低成本。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種相變存儲器的制作方法，該方法包括步驟1 在襯底上淀積一層第一絕緣材料層；步驟2 在第一絕緣材料層上淀積一層金屬層，作為相變存儲器的下電極；步驟3 在金屬層上制備一層第二絕緣材料層；步驟4 在第二絕緣材料層上采用微納加工技術制備金屬插塞電極的小孔；步驟5 采用無電化學鍍的方法在小孔內(nèi)填充金屬作為插塞電極；步驟6 在第二絕緣材料層上淀積一層相變材料；步驟7 在相變材料上淀積一層金屬材料，作為相變存儲器的上電極；步驟8 在金屬材料上淀積一層第三絕緣材料層；步驟9 在第三絕緣材料層上鈍化開孔；步驟10 在第三絕緣材料層上和鈍化開孔內(nèi)，再淀積一層金屬電極層，完成相變 存儲器的制作。其中所述襯底是半導體材料襯底，或者是包括由CMOS、三極管或二極管構成相變 存儲器驅(qū)動電路的襯底。其中所述襯底上淀積的第一、第二和第三絕緣材料層是二氧化硅或氮化硅；第一、 第二和第三絕緣材料層的制備是采用濺射法、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、激光輔助淀積法或熱氧化方法中的任一種。其中所述作為下電極的金屬層和金屬材料是氮化鉭、氮化鎢、氮化鈦、鎢、鎳、鋁、 鈦、銅、銀、金或鉬中的一種。其中所述金屬層和金屬材料是采用濺射法、蒸發(fā)法和化學氣相淀積法中的任一種 制備的。其中所述相變材料層是Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4, Sb2Te3、GeTe, Si2Sb2Te5 或 Sb 具有存 儲功能的材料。其中所述金屬插塞電極小孔是用光刻和干法刻蝕方法制備的，該小孔的直徑小于 200nm。其中所述在金屬插塞電極小孔填充的金屬是用無電化學鍍方法直接鍍的鎳、銅、 鈷、錫、金、銀、鉬或及其合金材料。本發(fā)明提供的這種相變存儲器的制作方法，采用薄膜工藝、光刻工藝、無電化學鍍 小孔填充等工藝制備了納米尺寸的金屬插塞電極，且采用無電化學鍍方法制備插塞電極時 電極層不用敏化活化等前期處理，而是把基材用化學刻蝕或氮氣等離子體處理除去表面氧 化層后，直接放入化學鍍液中鍍，這種插塞電極陣列制備方法的特點在于小孔填充質(zhì)量 好，成本低，密度高，制備方便，避免了使用濺射、電鍍、CVD等技術小孔填充質(zhì)量不好和成本 高等不足，同時金屬層避免了敏化活化前處理，直接鍍，方法簡單，成本低廉。


為進一步描述本發(fā)明的具體技術內(nèi)容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其
4中圖1是本發(fā)明提供的相變存儲器的制備方法的流程圖；圖2-圖10是相變存儲器器件制備方法的結構示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1至圖10所示，本發(fā)明介紹一種相變存儲器的制備方法，包括如下步 驟步驟1 在襯底101上淀積一層第一絕緣材料層102。所述襯底101是半導體材料 襯底硅片，或者是包括由CMOS、三極管或二極管構成相變存儲器驅(qū)動電路的襯底；所述的 第一絕緣材料層102，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的 至少兩種構成的混合物中的任一種；所述在襯底上生長的第一絕緣材料層102，可以是采 用濺射法、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 淀積法和熱氧化方法中的一種實現(xiàn)的(如圖2所示)；所述的第一絕緣材料層102的厚度 為 0-500nm ；步驟2 在第一絕緣材料層102上淀積一層金屬層103，作為相變存儲器的下電極； 所述作為下電極的金屬層103，可以是氮化鉭，氮化鎢、氮化鈦、鎢、鎳、鋁、鈦、銅、銀、金、鉬 或其它金屬中的一種；所述金屬層103，可以是采用濺射法、蒸發(fā)法和化學氣相淀積法中的 一種制備的；若襯底為由CMOS、三極管或二極管構成相變存儲器驅(qū)動電路的襯底，則第一 絕緣材料層102需做出相應孔與驅(qū)動電路連接(如圖3所示)；所述作為下電極的金屬層 103的厚度為0-500nm ；步驟3 在金屬層103上制備一層第二絕緣材料層104 ；所述第二絕緣材料層104， 可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合 物中的任一種；所述第二絕緣材料層104，可以是采用濺射法、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、激光輔助淀積法和熱氧化方法中的一種實現(xiàn)的 (如圖4所示)；所述第二絕緣材料層104的厚度為0-500nm ；步驟4 在第二絕緣材料層104上采用微納加工技術制備金屬插塞電極的小孔 105 ；所述金屬插塞電極的小孔105是用微納加工技術制備的且小孔直徑在200nm以下(如 圖5所示)；所述金屬插塞電極的小孔105的深度與所述第二絕緣材料層104的厚度相同；步驟5 采用無電化學鍍的方法在小孔105內(nèi)填充金屬106作為插塞電極；所述在 金屬插塞電極陣列小孔內(nèi)填充的金屬106是鎳、銅、鈷、錫、金、銀、鉬等其它貴金屬以及合 金材料(如圖6所示)；所述在金屬插塞電極陣列小孔內(nèi)填充的金屬106的厚度不大于小 孔105的深度；所述的無電化學鍍的具體方法為若基材金屬表面有薄氧化層，先用化學刻 蝕或氮氣等離子體處理除去表面薄氧化層后，放入化學鍍液中鍍；若基材金屬表面沒有薄 氧化層，則直接放入化學鍍液中鍍；鍍液溫度范圍為30-90°C。步驟6 在第二絕緣材料層104上用薄膜淀積工藝淀積一層相變材料層107 ； 所述相變材料層107是具有存儲功能的相變材料，如Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Sb2Te3> GeTe, Si2Sb2Te5, Sb等(如圖7所示)；所述相變材料層107的厚度為0-500nm ；步驟7 在相變材料層107上淀積一層金屬材料108，作為相變存儲器的上電極； 所述作為上電極的金屬材料108，可以是鎢、鎳、鋁、鈦、氮化鈦、銅、銀、金、鉬等金屬材料中
5的一種；所述金屬材料108，可以是采用濺射法、蒸發(fā)法和化學氣相淀積法中的一種制備的 (如圖8所示)；所述作為上電極的金屬材料108的厚度為0-500nm ；步驟8 在金屬材料108上淀積一層第三絕緣材料層109 ；所述的第三絕緣材料 層109，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成 的混合物中的任一種；所述在襯底上生長的第三絕緣材料層109，可以是采用濺射法、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、激光輔助淀積法和熱氧 化方法中的一種實現(xiàn)的(如圖9所示)；所述的第三絕緣材料層109的厚度為0-500nm ；步驟9 在第三絕緣材料層109上鈍化開孔110，在第三絕緣材料層109上和鈍化 開孔110內(nèi)，再淀積一層金屬電極層111，完成相變存儲器的制作。所述金屬電極層111可 以是鎢、鎳、鋁、鈦、氮化鈦、銅、銀、金、鉬等金屬材料中的一種(如圖10所示)。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
一種相變存儲器的制作方法，該方法包括步驟1在襯底上淀積一層第一絕緣材料層；步驟2在第一絕緣材料層上淀積一層金屬層，作為相變存儲器的下電極；步驟3在金屬層上制備一層第二絕緣材料層；步驟4在第二絕緣材料層上采用微納加工技術制備金屬插塞電極的小孔；步驟5采用無電化學鍍的方法在小孔內(nèi)填充金屬作為插塞電極；步驟6在第二絕緣材料層上淀積一層相變材料；步驟7在相變材料上淀積一層金屬材料，作為相變存儲器的上電極；步驟8在金屬材料上淀積一層第三絕緣材料層；步驟9在第三絕緣材料層上鈍化開孔；步驟10在第三絕緣材料層上和鈍化開孔內(nèi)，再淀積一層金屬電極層，完成相變存儲器的制作。
2.根據(jù)權利要求1所述的相變存儲器的制作方法，其中所述襯底是半導體材料襯底， 或者是包括由CMOS、三極管或二極管構成相變存儲器驅(qū)動電路的襯底。
3.根據(jù)權利要求1所述的相變存儲器的制作方法，其中所述襯底上淀積的第一、第二 和第三絕緣材料層是二氧化硅或氮化硅；第一、第二和第三絕緣材料層的制備是采用濺射 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 或熱氧化方法中的任一種。
4.根據(jù)權利要求1所述的相變存儲器的制作方法，其中所述作為下電極的金屬層和金 屬材料是氮化鉭、氮化鎢、氮化鈦、鎢、鎳、鋁、鈦、銅、銀、金或鉬中的一種。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的相變存儲器的制作方法，其中所述金屬層和金屬材料是 采用濺射法、蒸發(fā)法和化學氣相淀積法中的任一種制備的。
6.根據(jù)權利要求1所述的相變存儲器的制作方法，其中所述相變材料層是Ge2Sb2Te5、 Ge1Sb2Te4、Sb2Te3、GeTe、Si2Sb2Te5 或 Sb 具有存儲功能的材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的相變存儲器的制作方法，其中所述金屬插塞電極小孔是用光 刻和干法刻蝕方法制備的，該小孔的直徑小于200nm。
8.根據(jù)權利要求1所述的相變存儲器的制作方法，其中所述在金屬插塞電極小孔填充 的金屬是用無電化學鍍方法直接鍍的鎳、銅、鈷、錫、金、銀、鉬或及其合金材料。
全文摘要
一種相變存儲器的制作方法，該方法包括步驟1在襯底上淀積一層第一絕緣材料層；步驟2在第一絕緣材料層上淀積一層金屬層，作為相變存儲器的下電極；步驟3在金屬層上制備一層第二絕緣材料層；步驟4在第二絕緣材料層上采用微納加工技術制備金屬插塞電極的小孔；步驟5采用無電化學鍍的方法在小孔內(nèi)填充金屬作為插塞電極；步驟6在第二絕緣材料層上淀積一層相變材料；步驟7在相變材料上淀積一層金屬材料，作為相變存儲器的上電極；步驟8在金屬材料上淀積一層第三絕緣材料層；步驟9在第三絕緣材料層上鈍化開孔；步驟10在第三絕緣材料層上和鈍化開孔內(nèi)，再淀積一層金屬電極層，完成相變存儲器的制作。
文檔編號H01L45/00GK101976726SQ20101026308
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權日2010年8月25日
發(fā)明者季安, 張加勇, 楊富華, 王曉東, 王曉峰, 程凱芳, 馬慧莉 申請人:中國科學院半導體研究所