專利名稱：相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
80多年前，人們第一次發(fā)現(xiàn)了硫?qū)倩衔锵嘧兌鴮?dǎo)致的電導(dǎo)率的變化。20世紀(jì)50年代，硫?qū)倩衔锖辖鹁B(tài)和非晶態(tài)的半導(dǎo)體性質(zhì)被廣泛研究。到了20世紀(jì)60年代初，有報(bào)道說(shuō)出現(xiàn)了新的可逆相變材料和可編程光電器件，這些器件目的是用于電腦中的不易失性存儲(chǔ)器。這些報(bào)道刺激了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛研究，激光誘發(fā)硫?qū)倩衔锖辖饘?dǎo)致相變的可寫光盤存儲(chǔ)器進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)。
現(xiàn)在，隨機(jī)存儲(chǔ)器中，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)，閃存(Flash)占據(jù)主導(dǎo)地位。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，DRAM越來(lái)越滿足不了發(fā)展的要求。目前，科學(xué)家正在尋找替代用品。主要候選有磁性存儲(chǔ)器(MRAM)，鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)，相變存儲(chǔ)器(PRAM)等。而相比與其他存儲(chǔ)器，PRAM有一下一些優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)不易失性，超高集成度，低電壓低功耗，轉(zhuǎn)換速率高，非損傷性讀取，抗輻照，高達(dá)1012可擦寫次數(shù)等。
而近年來(lái)，隨著可讀寫光盤廣泛應(yīng)用，對(duì)硫?qū)倩衔锖辖鸬牧私饧由?；?duì)器件性能細(xì)節(jié)的了解進(jìn)一步加深；光刻技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，光刻尺寸也大大縮小。這一系列的發(fā)展使得采用相變半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件制備實(shí)用高性能存儲(chǔ)元件成為可能。因此，有理由相信，未來(lái)幾年到十幾年，具有可以取代Flash、DRAM和SRAM的能力的PRAM芯片將進(jìn)入市場(chǎng)。
然而，目前相變存儲(chǔ)器的尺寸還處在幾十個(gè)微米以上范圍，而其優(yōu)越性只有在尺寸達(dá)到納米級(jí)才能最大限度的體現(xiàn)。納電子器件的制備主要受要工藝上的限制，如曝光技術(shù)，刻蝕技術(shù)等。對(duì)于曝光技術(shù)解決方法主要有電子束曝光(EB)，聚焦離子束曝光(FIB)，spacer技術(shù)等((1)J.Kedzierski，P.Xuan，E.Anderson，J.Bokor，T.-J.King，and C.Hu，Complementary silicdesource/drain thin-body MOSFET’s for the 20nm gate length regime，in IEDMTech.Dig.，2000.pp.57-60.(2)Yang-Kyu Choi，Tsu-Jae King，Member，IEEE，and Chenming Hu，F(xiàn)ellow，IEEE，IEEE Transactions On Electron Devices，Vol.49 No.3，436.)。問(wèn)題在于工藝復(fù)雜，成本昂貴。是否可以用方便而簡(jiǎn)潔的方法制備出納米級(jí)的接觸面，從而提高器件的響應(yīng)速度，減小功耗。這是人們所追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制備相變存儲(chǔ)器單元器件的方法。其具體制備過(guò)程是(1)在清洗后襯底材料上沉積底電極薄膜(BE)，厚度在100nm-300nm。接著沉積電介質(zhì)材料(ILD)，厚度為200-300nm。其作用是作為電介質(zhì)材料阻擋熱傳導(dǎo)，從而減小各個(gè)器件之間的影響，提高其工作性能。襯底材料可以為Si、SiO2中的一種。
(2)通過(guò)機(jī)械方法，在電介質(zhì)材料上打出很小的孔，孔深略大于電介質(zhì)層厚度，使孔穿透電介質(zhì)和底電極材料接觸。打孔所用的壓頭呈三棱錐或圓錐形，它是由鉆石或金剛石材料制成。壓頭表面積小于1um2。
(3)主要用磁控濺射沉積多元的相變材料。其厚度在20nm-50nm，然后將表面拋光，相變材料和底電極接觸面很小，可達(dá)幾百納米。
(4)最后用剝離(liftoff)技術(shù)，即涂膠，曝光，顯影，使小孔暴露出來(lái)。
然后沉積上電極材料，厚度在300nm-400nm。去膠，就可得到了簡(jiǎn)單的單元器件。
所述的電介質(zhì)材料主要為Si3N4或SiO2；所述的涂膠為一般市售的光刻膠，如1818，6809等。
所述的底電極材料可以為W，Li，Pt等中的一種或兩種，總厚度在100nm-300nm之間?？稍黾拥纂姌O和襯底材料間的確和黏附力，可在襯底和底電極間以加一阻擋層，阻擋層厚度為10-50nm，材質(zhì)為TiN。
本發(fā)明的關(guān)鍵之處就在于用機(jī)械打孔的方法得到小孔。因?yàn)閺钠骷阅芊矫鎭?lái)考慮，必須使電極和相變材料接觸面小，這樣可以大大的減小功耗，提高響應(yīng)速度。但是受到目前半導(dǎo)體工藝條件的限制，很難達(dá)到幾十個(gè)納米的要求。而刻蝕的方法雖然也可以實(shí)現(xiàn)，但是刻蝕的終點(diǎn)很難控制。本發(fā)明中用機(jī)械打孔，只要知道電介質(zhì)層的厚度，以及壓頭的形狀，就可以得到不同尺寸的小孔了。由于相變材料和底電極接觸面很小，可達(dá)幾百納米，所以很小的電流就可以產(chǎn)生很大的熱量，使相變材料在很短時(shí)間內(nèi)就可以發(fā)生相變。所以，用本發(fā)明提供的方法制備的器件具有較小的功耗，很短的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于器件的性能有很大的提高。對(duì)于激光打孔，雖然可以得到小尺寸，但是形狀為圓柱形，沉積相變材料，上電極時(shí)會(huì)有一定的問(wèn)題。如形成空洞、接觸不到等。從而造成對(duì)器件的損傷。


圖1為單元相變存儲(chǔ)器的具體制備工藝示意圖(a)向襯底材料上依次沉積底電極材料和電介質(zhì)材料(b)通過(guò)機(jī)械方法在電介質(zhì)材料上打孔(c)沉積相變材料，表面拋光(d)涂膠，曝光，顯影(e)沉積上電極材料(a)去膠，剝離，得到器件圖中1-基片襯底2-底電極3-電介質(zhì)4-相變材料5-光刻膠6-上電極具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本發(fā)明提供的單元相變存儲(chǔ)器的制備方法，結(jié)合附圖1其具體工藝過(guò)程為(1)選擇p型(100)的硅片，先用丙酮超聲清洗5分鐘，以除去粘附在硅片上的油污，之后用去離子水沖洗。將硅片浸沒在H2O∶H2O2∶NH4·OH＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分鐘，冷卻后用去離子水沖洗；再在將硅片浸沒在H2O∶H2O2∶HCl＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分鐘，自然冷卻后用去離子水沖洗。最后用4％的HF對(duì)硅片進(jìn)行脫水處理。
(2)沉積阻擋層，底電極以及電介質(zhì)層的制備。在清洗好的硅片上用磁控濺射法先后制備出TiN，W薄膜和SiO2層，厚度分別為20nm，250nm和200nm；磁控濺射本底真空10-7Torr以下，濺射真空為0.18Pa，濺射功率300W，襯底溫度為70℃。在這里用TiN作為阻擋層，可增加黏附力，提高器件性能。(圖1(a))(3)機(jī)械打孔。用鉆石壓頭在SiO2層上打孔，深度250nm。要確?？准夂蚖層接觸。(圖1(b))(4)磁控濺射沉積厚度為50nm的硫系化合物材料，只需薄薄一層，厚度50nm。(圖1(c))，其沉積工藝參數(shù)同上述步驟(2)；使硫系化合物與底電極W的接觸面達(dá)500納米。
(5)涂膠，通過(guò)曝光顯影等步驟，露出小孔，然后在用磁控濺射沉積上電極W(圖1(d)、(e)、(f))，其工藝與步驟(2)相同，最后去膠剝離，引線，就可得到單元器件。
實(shí)施例2選用SiO2襯底，底電極為W和Pt，總厚度250nm，電介質(zhì)材料為Si3N4，厚度為300nm；用金剛石壓頭在Si3N4上打孔，孔深度320nm，使孔尖與底電極接觸。其余條件同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，包括襯底材料的清洗，其特征在于(1)在清洗后的襯底上依次沉積底電極材料和電介質(zhì)材料；(2)然后通過(guò)機(jī)械壓頭在電介質(zhì)層打孔，孔的深度大于電介質(zhì)層深度，使孔尖和底電極接觸；(3)最后沉積多元相變材料，表面拋光后通過(guò)剝離技術(shù)使小孔暴露出來(lái)，再沉積上電極。
2.按權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于所述的底電極材料為W、Li或pt中一種或兩種；所述的電介質(zhì)材料為Si3N4或SiO2；襯底材料為Si或SiO2。
3.按權(quán)利要求1或2所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于所述的底電極厚度在100-300nm，沉積的電介質(zhì)材料厚度為200-300nm。
4.按權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于打孔所用的壓頭呈三棱錐或圓錐；它是由鉆石或金剛石材料制成，壓頭表面積小于1um2。
5.按權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于多元相變材料的沉積是用磁控濺射方法，厚度在20-50nm；相變材料與底電極接觸面為幾百納米。
6.按權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于剝離技術(shù)后沉積上電極厚度300-400nm。
7.按權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于在清洗后的襯底上沉積底電極或電介質(zhì)材料是用磁控濺射方法。
8.按權(quán)利要求5或7所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于磁控濺射本底真空10-7Torr以下，濺射真空為0.18Pa，襯底溫度為70℃。
9.按權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，其特征在于襯底材料的清洗是先用丙酮超聲清洗5分鐘，以除去粘附在硅片上的油污，之后用去離子水沖洗；再將硅片浸沒在H2O∶H2O2∶NH4·OH＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分鐘，冷卻后用去離子水沖洗；最后再在將硅片浸沒在H2O∶H2O2∶HCl＝5∶1.5∶1的混合液中沸煮10分鐘，自然冷卻后用去離子水沖洗；用4％的HF對(duì)硅片進(jìn)行脫水處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相變存儲(chǔ)器單元器件的制備方法，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，首先在襯底材料上沉積底電極材料，再沉積電介質(zhì)材料，然后通過(guò)機(jī)械方法，用三棱錐，圓錐等多種形狀和鉆石，金剛石等不同材料的壓頭在薄膜上打出小孔，使小孔穿透電介質(zhì)層，尖頭部和底電極材料接觸。接著，沉積薄薄一層相變材料，表面拋光。接著使用剝離技術(shù)，即涂上光刻膠，曝光顯影使小孔露出來(lái)，然后沉積上電極材料，去膠制成。優(yōu)點(diǎn)在于相變材料和底電極接觸面很小，可達(dá)幾百納米，所以很小的電流就可以產(chǎn)生很大的熱量，使相變材料在很短時(shí)間內(nèi)就可發(fā)生相變。用本發(fā)明制備的器件具有較小的功耗，很短的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于器件的性能有很大的提高。
文檔編號(hào)G11C11/56GK1556550SQ20041001574
公開日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者宋志棠, 夏吉林, 張挺, 封松林, 陳寶明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究