專利名稱：一種納米尺寸相變存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子技術領域,特別涉及一種納米尺寸相變存儲器的制作方法,采 用兩步側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。
背景技術：
相變隨機存儲器(Phase Change-Random Access Memory, PC-RAM)技術是基于
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0vonyx、 Inte 1 、
Samsung、 STMicroelectronics、 Hitachi等，并且具備了良好的性能。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，必須具有很高的集成密度。而且,flash存儲器在小尺寸化方面很難
突破45nm，相變存儲器在小尺寸化方面卻有著較小的限制。因此，制備小尺寸的尤其是納米
尺度的相變存儲器，成為當前研究的重要內(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。為了尋找簡單而低成本的制備小尺寸的納米尺寸的相變存儲器的 方法，我們提出本發(fā)明構思。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題 本發(fā)明的主要目的在于提供一種納米尺寸相變存儲器的制作方法，以尋找一種納 米尺寸的相變存儲單元的制作方法，避免使用電子束曝光的成本高、周期長的缺陷，只采用 光刻和兩步側墻工藝，便制備出納米尺寸的相變存儲器，突破光刻分辨率限制及提高器件 制備效率。
( 二 )技術方案 為達到上述目的,本發(fā)明提供了一種納米尺寸相變存儲器的制作方法，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，制備一個光刻膠臺面作為第一個側墻基底，然后淀積側 墻材料，并采用干法刻蝕回刻出側墻,去除側墻基底，形成第一個側墻； c、在該第一個側墻上采用剝離工藝淀積一層金屬條,使金屬條搭在第一個側墻身 上,再采用濕法腐蝕去除第--個側墻，同時將第--個側墻上的金屬剝離，形成納米尺寸的金 屬NAN0GAP ; d、在該金屬條之上制作第二個側墻基底，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第二個側墻； 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。 上述方案中，步驟a中所述襯底是半導體材料襯底，或者是絕緣材料襯底。所述半 導體材料襯底是硅片或SOI,所述絕緣材料襯底是Si02或玻璃。 上述方案中，步驟a中所述電熱絕緣材料是氧化物、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--種。 上述方案中，步驟b中所述第一個側墻采用干法刻蝕反刻制備，淀積的側墻材料 是多晶硅、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，淀積的側墻材料的厚度為10 500nm。 上述方案中，步驟b中所述去除側墻基底采用丙酮或piranha溶液去除。 上述方案中，步驟d中所述第二個側墻基底，其-一個或多個邊緣橫跨在金屬 NANOGAP上，該邊緣的長度大于或等于金屬NANOGAP的寬度。 上述方案中，步驟d中所述第二個側墻基底采用電熱絕緣材料，該電熱絕緣材料 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。 上述方案中，步驟d中所述第二個側墻基底是采用濺射法、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一種制 備的，該第二個側墻基底的厚度為100 l()()()體。 上述方案中，步驟d中所述第二個側墻由內(nèi)部的相變層和外部的保護層構成，相 變層的厚度為10 500nm，保護層的厚度為10 500nm。 上述方案中，所述第二個側墻的相變層是采用濺射法、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、激光輔助淀積法中的一種制備的，相變層材料采用 Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、GeiSb2Te4、Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相變材料中的一種；所述第 二個側墻的保護層是采用濺射法、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、熱氧化方法中的一種制備的,保護層材料采用電熱絕緣， 該電熱絕緣材料是氧化物、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。
(三)有益效果 本發(fā)明提供的這種納米尺寸相變存儲器的制作方法，采用薄膜工藝、光刻剝離工
5藝、濕法腐蝕工藝和兩步側墻工藝制備了納米尺寸的相變存儲器器件單元，而且還采用光 刻膠作為制作側墻的側墻基底材料，去除側墻基底時，對側墻沒有任何的影響，有利于形成 厚度更小的側墻，提高器件的集成度。這種器件單元制備方法的特點在于器件結構簡單, 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。


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； 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第一個側墻基
底的示意圖，其中圖2(a)是剖視圖，圖2(b)是俯視圖； 圖3是依照本發(fā)明實施例淀積第一個側墻材料的示意圖，其中圖3(a)是剖視圖， 圖3(b)是俯視圖； 圖4是依照本發(fā)明實施例回刻形成第 -個側墻的示意圖，其中圖4(a)是剖視圖， 圖4(b)是俯視圖; 圖5是依照本發(fā)明實施例去掉第一個側墻基底的示意圖，其中圖5(a)是剖視圖， 圖5(b)是俯視圖; 圖6是依照本發(fā)明實施例采用光學光刻和剝離工藝在第一個側墻的一條邊上形 成金屬條的示意圖，其中圖6(a)是剖視圖，圖6(b)是俯視圖； 圖7是依照本發(fā)明實施例淀積金屬條并剝離金屬，形成金屬NAN0GAP的示意圖，其 中圖7(a)是剖視圖，圖7(b)是俯視圖； 圖8是依照本發(fā)明實施例制作第二個側墻基底的示意圖，其中圖8(a)是剖視圖， 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第二個側墻的示意 圖，其中圖9(a)是剖視圖，圖9(b)是俯視圖； 圖IO是依照本發(fā)明實施例鈍化開孔的示意圖，其中圖10(a)是剖視圖，圖10(b) 是俯視圖； 圖ll是依照本發(fā)明實施例引出電極的示意圖，其中圖ll(a)是剖視圖，圖ll(b) 是俯視圖； 其中，101襯底102電熱絕緣材料103第一個側墻基底(光刻膠基底)104第一個 側墻105金屬條106第二個側墻基底107相變材料108保護層109鈍化層110引線孔111 金屬連線
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)明提供的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,然后利用側墻工藝在該材料表面制備出一個納米尺寸的金屬 NANOGAP，最后再一次利用側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NAN0GAP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 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,制備一個光刻膠臺面作為第一個側墻基底，然后淀 積側墻材料，并采用干法刻蝕回刻出側墻，去除側墻基底，形成第-一個側墻；
歩驟3、在該第一個側墻上采用剝離工藝淀積一層金屬條，使金屬條搭在第一個側 墻身上，再采用濕法腐蝕去除第一個側墻，同時將第一個側墻上的金屬剝離，形成納米尺寸 的金屬NAN()GA:P ; 步驟4、在該金屬條之上制作第二個側墻基底，然后淀積相變材料及其保護層，用 千法刻蝕回刻出帶有保護層的第二個側墻； 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)清洗襯底，襯底為半導體材料，絕緣材料中的一種，如硅片、玻璃、Si02、 SOI等
中任意一種； (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成的混 合物中的一種； (3)在所述電熱絕緣材料上，制作第一個側墻基底，所用的方法是用直接一步光刻 顯影形成用膠做成的側墻基底；基底材料光刻膠。
(4)然后淀積側墻材料，用千法刻蝕回刻出側墻，側墻材料可以是多晶硅、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成的混合物中的一種；
(5)用濕法腐蝕去除第一個側墻基底,形成第一個側墻；所用的腐蝕劑可以是丙 酮等有機溶劑或piranha溶液； (6)在所述側墻上面用剝離工藝淀積一層金屬條，使金屬條搭在側墻身....匕并與側 墻垂直，再用濕法腐蝕去除側墻同時將側墻身上的金屬剝離，形成納米尺寸金屬NAN0GAP ; 金屬可以是鎢、鉬、金、鈦、銀、銅等中的一種，腐蝕劑可以是氫氟酸、EI)P、 HM或K()H溶液中 的一種。 (7)在所述的金屬條之上制作第二個側墻基底，使該基底的一個或多個邊緣橫跨 在金屬NAN0GAP上,所用的方法是光刻干法刻蝕工藝。第二個側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成的混合物中的一種。
(8)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第二個側墻； 相變材料可以是Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3、 Ge:lSb2Te4、 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,構成相變存儲器。鈍 化層可以是氧化物或氮化物中的一種。 本發(fā)明提供的制作納米尺寸相變存儲器的方法，基于側墻方法實現(xiàn)NAN0GAP以及相變材料GST的側墻方法，將二者改進、結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使提高器件制備效率。以下為具體實施例。
實施例1 2、采用薄膜制備工藝，在襯底上制備電熱絕緣層氮化硅； 3、在電熱絕緣層氮化硅上用光刻顯影的方法制備由光刻膠形成的第一個側墻基 底圖形，如圖2所示。 4、用濺射法淀積第一個側墻材料二氧化硅，如圖3所示；然后干法回刻形成第一 個側墻。如圖4所示。 5、用丙酮等有機溶劑或piranha溶液去除側墻基底(它們基本不腐蝕電熱絕緣材 料和第一個側墻)，如圖5所示。 6、采用光學光刻和剝離工藝在第一個側墻的一條邊上形成鎢的金屬條，如圖6所 示。然后再用氫氟酸將側墻漂去，與此同時，附著在側墻上的金屬也被剝離掉，從而形成金 屬的NAN0GAP，如圖7所示。 7、淀積相變材料的側墻基底,然后通過光學光刻和干法刻蝕形成其側墻基底,如 圖8所示。 8、淀積相變材料及其保護層,通過干法回刻形成帶有保護層的相變材料側墻,如 圖9所示。 9、淀積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔,如圖10所示；引出電極，制成水 平結構的相變存儲器。如圖11所示。
實施例2 具體歩驟和條件同實施例l，不同之處在于采用多晶硅作為第一個側墻，其腐蝕液 為EDP、HNA或K0H溶液。 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
一種納米尺寸相變存儲器的制作方法，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，制備一個光刻膠臺面作為第一個側墻基底，然后淀積側墻材料，并采用干法刻蝕回刻出側墻，去除側墻基底，形成第一個側墻；c、在該第一個側墻上采用剝離工藝淀積一層金屬條，使金屬條搭在第一個側墻身上，再采用濕法腐蝕去除第一個側墻，同時將第一個側墻上的金屬剝離，形成納米尺寸的金屬NANOGAP；d、在該金屬條之上制作第二個側墻基底，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第二個側墻；e、淀積鈍化層，在相變材料兩端的金屬上方開孔，引出電極，形成相變存儲器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，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。
3. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，步驟a中所述 襯底是半導體材料襯底，或者是絕緣材料襯底。
4. 根據(jù)權利要求3所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法,其特征在于，所述半導體 材料襯底是硅片或S()I，所述絕緣材料襯底是Si()2或玻璃。
5. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，步驟a中所述 電熱絕緣材料是氧化物、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。
6. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，步驟b中所述 作為第一個側墻基底的光刻膠臺面是采用光刻顯影的方法制備的，顯影液采用有機溶劑， 臺面的厚度為100nm 1000nm。
7. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于,步驟b中所述 第一個側墻采用干法刻蝕反刻制備，淀積的側墻材料是多晶硅、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，淀積的側墻材料的 厚度為10 500nm。
8. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于,步驟b中所述 去除側墻基底采用丙酮或piranha溶液去除。
9. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，步驟c中所述 金屬條采用光刻剝離工藝制備的，金屬條采用鎢、鉬、金、鈦、銀和銅中的任一種金屬。
10. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于,步驟c中所 述金屬NAN()GA:P是采用濕法腐蝕的方法將側墻腐蝕掉同時將側墻身上的金屬剝離而形成 的，金屬NANOGAP的寬度為10 500nm，腐蝕劑采用氫氟酸、EDP、 HNA或KOH溶液。
11. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，歩驟d中所 述第二個側墻基底,其一個或多個邊緣橫跨在金屬NAN0GAP上，該邊緣的長度大于或等于 金屬NAN()GAP的寬度。
12. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，步驟d中所 述第二個側墻基底采用電熱絕緣材料，該電熱絕緣材料是氧化物、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--種。
13. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，步驟d中所 述第二個側墻基底是采用濺射法、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一種制備的，該第二個側墻基底的厚度 為100 1000nm。
14. 根據(jù)權利要求1所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，歩驟d中所 述第二個側墻由內(nèi)部的相變層和外部的保護層構成，相變層的厚度為10 5 00nm，保護層 的厚度為l() 5()()亂
15. 根據(jù)權利要求14所述的納米尺寸相變存儲器的制作方法，其特征在于，所述第 二個側墻的相變層是采用濺射法、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、激光輔助淀積法中的一種制備的，相變層材料采用Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3、 GeiSb2Te4、 Ge2Sb4Te7或者含有硫族元素的任意相變材料中的一種；所述第二個側墻的保護層是采用濺射法、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、熱氧化方法中的一種制備的，保護層材料采用 電熱絕緣,該電熱絕緣材料是氧化物、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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米尺寸相變存儲器的制作方法，首先在硅襯底上淀積一層抗腐蝕性很強的電熱絕緣材料，然后利用側墻工藝在該材料表面制備出一個納米尺寸的金屬NANOGAP，最后再一次利用側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隙縫中，鈍化開孔引出電極，最后制備出了納米尺寸的相變存儲器件。本發(fā)明不僅避免了使用電子束曝光的成本高、周期長的缺陷，只采用光刻和兩步側墻工藝，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；而且還避免了淀積和干法刻蝕側墻基底的工藝，具有很大的優(yōu)越性。
文檔編號H01L45/00GK101764196SQ20081024093
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