專利名稱：制備相變存儲器的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子領域，涉及一種制備相變存儲器的方法，尤其涉及一種高 密度有序自組裝微球作為掩膜、結合化學機械拋光制備相變存儲器的方法。
背景技術：
相變存儲器的基本概念最初是Ovshinsky在1968年提出的[,是基于相變材 料的可逆相變，利用其非晶態(tài)時的半導體高阻特性與多晶態(tài)時的低阻特性實現(xiàn)存 儲的技術。新型相變材料與器件制備工藝的發(fā)展經(jīng)歷了非常漫長的過程，在七、 八十年代受材料與器件研究及加工水平的限制，原型器件的功耗與速度無法與常 規(guī)半導體存儲技術相比擬，不能實現(xiàn)與CMOS工藝和功能的集成，因而沒有引起 國際上的重點關注。九十年代以來,相變材料及其光學可逆轉變特性的研究取得 重大突破，在相變光存儲應用方面得到飛速發(fā)展，可擦寫HD - DVD相變光盤已實 現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，取得了巨大的商業(yè)價值。隨著集成電路技術的發(fā)展，特別是光刻等微納 加工技術水平的迅速提高，利用納米尺度相變材料的電阻特性實現(xiàn)非揮發(fā)的存儲 技術引起了工業(yè)界的重視。2001年，Intel公布了容量為4Mb的PCRAM試驗芯片， 其性能表明，當器件特征尺寸進入納米量級，PCRAM體現(xiàn)出比SRAM、DRAM和FLASH 等商用化存儲技術以及FERAM和MRAM等新型存^f渚技術更優(yōu)越的綜合存儲性能， 被認為是固態(tài)存儲技術繼FLASH后的重大突破，在國際上掀起了 PCRAM存儲技術 的研究熱潮。
在微納加工及半導體工業(yè)中，光刻技術是整個工藝流程的核心，光刻極限尺寸決定了整個半導體器件的性能以及相應的集成度。在光刻技術進入45nm及以 下尺寸時，大面積區(qū)域的光刻受到限制，同時系統(tǒng)集成度的提高也難以解決?；?于此需尋找一種簡單有效的方法來作為45nra尺寸以下器件的掩膜技術。當前以 單分散膠體微球有序組裝為基礎的微納米結構新材料已成為先進材料家族中的 一枝新秀。尤其是近十年來隨著光子晶體技術的發(fā)展，由膠體微球組裝的三維有 序周期結構已成為研究可見光和近紅外光波段光子晶體的最便捷形式。有序組裝 的膠粒晶體潛在應用領域十分廣泛，可以用來制作生物、化學、光傳感器，光濾 波器和光開關等，此外亞微米膠粒晶體的晶格常數(shù)和可見光、近紅外光波長可比， 因此可以用來制作可見和近紅外波段的光子晶體。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，氧氣對聚 苯乙烯(PS )微球的刻蝕速率很快，而半導體工藝中使用的其他氣體如SF6、 CHF3、 CF4等氣體對PS微球的刻蝕速率很f曼。因此可以將自組裝后形成的PS微球薄膜 作為掩膜用于對下層材料的刻蝕。
在半導體工業(yè)中，集成度遵循摩爾定律和按比例縮小原理，以每隔3年芯 片的集成度翻兩番，特征尺寸縮小1/3的速度發(fā)展。在樣t電子工藝中，其表面 粗糙度和表面平整度成為影響集成電路刻蝕線寬的重要因素之一。目前，由于器 件尺寸的縮小、光學光刻設備焦深的減小，要求基片表面平整度達到納米級。 1991年IBM首次將化學機械拋光技術成功應用到64Mb DRAM的生產(chǎn)中，之后各 種邏輯電路和存儲器以不同的發(fā)展規(guī)模走向CMP ， CMP將納米粒子的研磨作用 與氧化劑的化學作用有機地結合起來，滿足了特征尺寸在0. 35|am以下的全局 平面化要求。經(jīng)CMP工藝處理過的基片可以達到其他任何平面化加工工藝所不能 達到的表面平整度。目前，化學機械拋光技術已成為公認的標準全局平面化技 術。發(fā)則容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種高密度有序自組裝微球作為掩膜、 結合化學機械拋光制備相變存儲器的方法，有助于制備新型的高密度低功耗相變 存儲器，促進存儲器的發(fā)展。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案
一種制備相變存儲器的方法，包括如下步驟制備底層介質(zhì)層的步驟；制備 底層電極的步驟；制備標記圖形的步驟；制備標記保護層的步驟；制備相變材料 的步驟；制備刻蝕相變材料掩膜的步驟利用自組裝有序排列的聚苯乙烯微球做 掩膜刻蝕相變材料；制備相變材料結構的步驟；基片平坦化處理步驟；頂層電極 的引出步驟；頂層氧化硅沉積步驟。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，在制備底層介質(zhì)層的步驟之前還包括清洗硅片 步驟將硅片放入第一溶液中煮沸3-10分鐘，冷卻，去離子水沖洗l-5分鐘， 而后用氮氣吹干；其中，所述第一溶液為氨水、雙氧水、去離子水的混合液，氨 水雙氧水去離子水-l: 2: 5;將硅片放入第二溶液中煮沸3-10分鐘，冷卻， 去離子水沖洗l-5分鐘，而后用氮氣吹干；其中，所述第二溶液為鹽酸、雙氧水、 去離子水的混合液，鹽酸雙氧水去離子水=1: 2: 5;清洗/圭片后，將硅片 于100。C-20(TC的烘箱中烘烤10min-60min去除表面的水分。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，制備底層介質(zhì)層的步驟中，在硅片表面利用化 學氣相沉積的方法制備一層SixN介質(zhì)層，其厚度控制為300 ~ 500nm;下層電極 為Al層/Ti層/TiN層，其厚度控制為150nm/100nm/50nra;對準標記層鴒材料的 厚度控制為200nm;相變材料層的厚度控制為100nm;自組裝排列后的微球掩膜尺寸控制為100nm以下；氧化硅介質(zhì)層的厚度控制為100nm;聚焦離子束引出電 極的線寬控制為100nm以下；頂層絕熱保護層氧化硅的厚度控制為200擺。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，對準標記圖形的制備使用電子束曝光結合反應 離子刻蝕的方法完成；標記層材料使用金屬鴒，標記層材料厚度控制為200nm; 電子束曝光時使用負性抗蝕劑，抗蝕劑厚度控制為150nm。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，刻蝕相變材料的掩膜制備方法是利用自組裝有 序單層排列的聚苯乙烯微球經(jīng)氧氣刻蝕減小微球體積后完成；微球的尺寸控制為 100nm以下，工藝實施中不間斷利用掃描電子顯微鏡觀測凝:球表面確定其尺寸大 小。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，相變材料結構的制備使用反應離子刻蝕完成， 刻蝕時確保相變材料層無掩膜保護的區(qū)域材料完全被去除，之后沉積lOOrnn的氧 化硅介質(zhì)層。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，殘余的聚苯乙烯微球以及微球上沉積的氧化硅 的去除使用化學機械拋光工藝完成；拋光深度的控制以完全去除殘余的微球為 準；工藝操作過程中間斷性地通過掃描電子顯微鏡觀測表面情況來判定。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，頂層電極的引出利用聚焦離子束沉積鉑材料完 成，電極的線寬控制為100nm以下，電極材料的厚度為100nm。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，頂層絕熱保護層氧化硅的沉積利用離子束沉積 法完成，氧化硅的厚度控制為200nm。
一種制備相變存儲器的方法，該方法包括刻蝕相變材料掩膜的制備步驟利 用自組裝有序單層排列的聚苯乙烯微球做掩膜刻蝕相變材料、經(jīng)氧氣刻蝕減小微 J求體積后完成。本發(fā)明的有益效果在于
本發(fā)明中涉及的自組裝掩模的實現(xiàn)方法與半導體工藝中傳統(tǒng)的掩模方法有 較大的改進。
首先，傳統(tǒng)的光刻掩模的實現(xiàn)涉及繁多的工藝，同時掩模質(zhì)量受到光刻設備 性能的限制，其掩模尺寸的大小也受到約束。利用本發(fā)明中的自組裝方式實現(xiàn)掩 模時不受設備的限制，同時掩模面積也可以做到盡可能大，而且掩模的制備效率 相對傳統(tǒng)的方法要高的多。
其次，自組裝掩模的實現(xiàn)對基底的平坦度要求很低，制備過程中掩?？梢噪S 著基底的形貌而起伏，不會對掩模的精度造成影響。傳統(tǒng)的光刻對基底的平坦化 程度要求很高，尤其是電子束光刻時，由于電子束的焦深很淺通常在電子束曝光 前需使用化學機械拋光的方法對基底進行平坦化處理，于工藝上實現(xiàn)較繁瑣。
第三，自組裝實現(xiàn)掩模后，掩模尺寸可以根據(jù)需要利用氧氣刻蝕的方法實現(xiàn)，
工藝上實現(xiàn)較為簡單，可以很容易的實現(xiàn)50mn以下的大面積的掩模制備；傳統(tǒng)
的光刻技術現(xiàn)在很難做到50nm以下的大面積掩模的制備。
第四，掩模成本方面，自組裝掩模的成本極低，與光刻成本相比較幾乎可以 忽略不計。
第五，掩模去除平坦化基底處理時，自組裝微球掩模由于與襯底的接觸面積 較小，附著力不大，故很容易去除，尤其是微球掩模上濺射材料后的基底平坦化 處理更容易實現(xiàn)。
本發(fā)明相變存儲器的制備方法有助于制備新型的高密度低功耗相變存儲器， 促進存儲器的發(fā)展。對圖說明


圖1為步驟2后相變存^f渚器的結構示意圖。
圖2為步驟3后相變存儲器的結構示意圖。
圖3A為沉積鴒且電子束曝光后相變存儲器的側視圖。
圖3B為圖3A的俯視圖。
圖3C為標記層材料刻蝕后相變存儲器的側視圖。 圖3D為圖3C的俯視圖。 圖4為步驟5后相變存儲器的結構示意圖。 圖5為步驟6后相變存儲器的結構示意圖。 圖6為步驟7后相變存儲器的結構示意圖。 圖7為步驟8后相變存儲器的結構示意圖。 圖8為步驟9后相變存儲器的結構示意圖。 圖9為步驟10后相變存儲器的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。 實施例一
請參閱圖1-圖9，本發(fā)明揭示了一種高密度有序自組裝微球作為掩膜、結合 化學機械拋光制備相變存儲器的方法，具體包括如下步驟步驟1硅片襯底清洗。
將硅片it^vl弁液(氨水、雙氧水、去離子水的混合物，氨水雙氧水去離子水=1: 2: 5)中煮沸5分鐘，冷卻，去離子水沖洗3分鐘，然后氮氣吹干。 主要作用去除名圭表面的油污和大顆粒。
將硅片放入2#液(鹽酸、雙氧水、去離子水的混合物，鹽酸雙氧水去 離子水=1: 2: 5)中清洗，方法同上述1#液的清洗方法；主要作用是去除硅 片表面的金屬離子。
將硅片于12(TC的烘箱中烘烤30min去除表面的水分。步驟2底層介質(zhì)層的制備。
利用化學氣相沉積的方法在前述處理干凈的硅片上沉積一層厚度為300 ~ 500nm的SixN (如圖1所示)。步驟3底層電極的制備。
利用磁控賊射的方法形成底層電極Al/Ti/TiN，其相應的厚度控制為 150nm/100nm/50nm (如圖2所示)。步驟4標記圖形的制備。
利用磁控濺射的方法沉積厚度為200nm的金屬鴒作為標記層材料。旋涂負性 抗蝕劑SU8，抗蝕劑厚度控制為150nm;利用電子束曝光制作標記圖形，經(jīng)反應 離子刻蝕轉移標記圖形于金屬鎢材料上，刻蝕深度控制為200nm (如圖3A-3D所 示)。
步驟5制備標記保護層。
為確?？涛g相變材料時不對標記圖形造成影響，需將標記圖形上制備一層保 護層。本文中利用紫外曝光負性光刻膠，使得標記圖形上保留一層光刻膠從而達 到保護標記圖形的目的，光刻膠厚度控制為300mn (如圖4所示)。步驟6相變材料的制備。利用磁控賊射的方法沉積相變材料，厚度控制為lOOnm (如圖5所示)。步驟7刻蝕相變材料掩膜的制備。利用自組裝有序單層排列的聚苯乙烯微球經(jīng)氧氣刻蝕減小微球體積后完成。微球的尺寸控制為100nm以下，工藝實施中可以不間斷利用掃描電子顯微鏡觀測微球表面確定其尺寸大小(如圖6所示)。步驟8相變材料結構的制備。相變材料單元的制備利用反應離子刻蝕完成，刻蝕時確保相變材料層無掩膜保護的區(qū)域材料完全被去除，之后沉積100nm的氧化硅介質(zhì)層(如圖7所示)。步驟9基片平坦化處理。
平坦化主要去除刻蝕后殘余的聚苯乙烯微球以及沉積于微球上的氧化硅，此項工藝本文中利用化學機械拋光法完成。拋光深度的控制以完全去除殘余的微球為準。工藝操作過程中可間斷性地通過掃描電子顯微鏡觀測表面情況來判定(如圖8所示)。
步驟IO頂層電極的引出。
頂層電極的沉積利用聚焦離子束沉積粕材料完成。電極的線寬控制為100nm以下，電極材料的厚度為100nm (如圖9所示)。步驟11頂層氧化硅沉積。
頂層絕熱保護層氧化硅的沉積利用離子束沉積法完成。氧化硅的厚度控制為200nm。
綜上所述，本發(fā)明中涉及的自組裝掩模的實現(xiàn)方法與半導體工藝中傳統(tǒng)的掩模方法有較大的改進。
首先，傳統(tǒng)的光刻掩模的實現(xiàn)涉及繁多的工藝，同時掩模質(zhì)量受到光刻設備性能的限制，其掩模尺寸的大小也受到約束。利用本發(fā)明中的自組裝方式實現(xiàn)掩模時不受設備的限制，同時掩模面積也可以做到盡可能大，而且掩模的制備效率相對傳統(tǒng)的方法要高的多。
其次，自組裝掩模的實現(xiàn)對基底的平坦度要求很低，制備過程中掩模可以隨著基底的形貌而起伏，不會對掩模的精度造成影響。傳統(tǒng)的光刻對基底的平坦化程度要求很高，尤其是電子束光刻時，由于電子束的焦深4艮淺通常在電子束曝光前需使用化學機械拋光的方法對基底進行平坦化處理，于工藝上實現(xiàn)較繁瑣。
第三，自組裝實現(xiàn)掩模后，掩模尺寸可以根據(jù)需要利用氧氣刻蝕的方法實現(xiàn)，
工藝上實現(xiàn)較為簡單，可以很容易的實現(xiàn)50nm以下的大面積的掩模制備；傳統(tǒng)的光刻技術現(xiàn)在4艮難做到50nm以下的大面積掩才莫的制備。
第四，掩模成本方面，自組裝掩模的成本極低，與光刻成本相比較幾乎可以忽略不計。
第五，掩模去除平坦化基底處理時，自組裝微球掩模由于與襯底的接觸面積較小，附著力不大，故很容易去除，尤其是微球掩模上濺射材料后的基底平坦化處理更容易實現(xiàn)。
本發(fā)明相變存儲器的制備方法有助于制備新型的高密度低功耗相變存儲器，促進存儲器的發(fā)展。
實施例二
本實施例中，上述高密度有序自組裝微球作為掩膜、結合化學機械拋光制備相變存儲器的方法包括如下步驟
1、在(IOO)取向的硅片上面，應用化學氣相沉積的方法首先制備一層SixN介質(zhì)層，其厚度控制為300 ~ 500nm;
2、 然后^f吏用f茲控濺射的方法沉積300nm厚的Al/Ti/TiN,各層相應厚度為150nm/100nm/50nm,作為底層電極材料，于底層電4及材4牛上》茲控濺射200nm厚的金屬鎢作為標記層材^F;
3、 利用電子束光刻結合反應離子刻蝕形成標記圖形，作為后續(xù)光刻對準的基礎；
4 、利用紫外光刻法于標記材料上形成一層光刻膠圖形用以保護對準圖形在相變材料的刻蝕中不受影響；
5、 于底層電極材料上利用磁控'減射的方法沉積厚度為100nm的相變材料，之后自組裝均勻有序地排列 一層聚苯乙晞微球作為刻蝕相變材料的掩膜；
6、 在刻蝕相變材料前首先使用氧氣將微球體積減小，此項目的是為了使得相變材料刻蝕后形成的單元之間都是相對獨立的，互不影響；
7、 利用反應離子(RIE)刻蝕相變材料形成獨立的陣列單元，其單元尺寸控制為100nm以下；
8、 相變材料刻蝕完成之后，依次使用四氯化碳試劑、丙酮試劑、乙醇試劑、去離子水，在弱超聲環(huán)境中清洗樣品5分鐘，然后IO(TC烘箱中將樣品烘干，而后使用離子束沉積法制備100nm厚度的氧化硅作為介質(zhì)層；
9、 利用化學機械拋光法去除相變材料層以上的部分，包括刻蝕后殘余的微球掩膜以及孩么球上沉積的氧化石圭介質(zhì)層；
10、 利用聚焦離子束引出上層電極，上層電極引出之后，離子束沉積法濺射厚度為200nm的氧化硅作為絕熱保護層。這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其他變形和改變。
如，刻蝕相變材料掩膜的制備步驟中，可以利用除聚苯乙烯微球之外的其他微球做掩膜刻蝕相變材料，只要其尺寸符合要求即可。
權利要求
1、一種制備相變存儲器的方法，其特征在于，包括如下步驟制備底層介質(zhì)層的步驟；制備底層電極的步驟；制備標記圖形的步驟；制備標記保護層的步驟；制備相變材料的步驟；制備刻蝕相變材料掩膜的步驟利用自組裝有序排列的微球做掩膜刻蝕相變材料；制備相變材料結構的步驟；基片平坦化處理步驟；頂層電極的引出步驟；頂層氧化硅沉積步驟。
2、 根據(jù)權利要求l所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于在制備底層介質(zhì)層的步驟之前還包括清洗硅片步驟將硅片放入第一溶液中煮沐3-10分鐘，冷卻，去離子水沖洗1-5分鐘，而 后用氮氣吹干；其中，所述第一溶液為氨水、雙氧水、去離子水的混合液，氨水、 雙氧水、去離子水的比例為l: 2: 5;將硅片i文入第二溶液中煮沸3-10分鐘，冷卻，去離子水沖洗1-5分鐘，而 后用氮氣吹干；其中，所述第二溶液為鹽酸、雙氧水、去離子水的混合液，鹽酸、 雙氧水、去離子水的比例為l: 2: 5;清洗硅片后，將硅片于IOO'C-200。C的烘箱中烘烤10min-60min去除表面的水分。
3、 根據(jù)權利要求1所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于所述制備底層介質(zhì)層的步驟中，在硅片表面利用化學氣相沉積的方法制 備一層SixN介質(zhì)層，其厚度控制為300 ~ 500nm。
4、 根據(jù)權利要求1所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于所述制備對準標記圖形的步驟中，使用電子束曝光結合反應離子刻蝕的 方法完成；標記層材料使用金屬鴒；電子束曝光時使用負性抗蝕劑。
5、 根據(jù)權利要求l所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于所述制備刻蝕相變材料掩膜的步驟中，利用自組裝有序單層排列的聚苯 乙烯微球經(jīng)氧氣刻蝕減小微球體積后完成；微球的尺寸控制為100nm以下，工藝實施中不間斷利用掃描電子顯微鏡 觀測微球表面確定其尺寸大小。
6、 根據(jù)權利要求1所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于所述制備相變材料結構的步驟中，使用反應離子刻蝕完成，刻蝕時確保 相變材料層無掩膜保護的區(qū)域材料完全被去除，之后沉積氧化硅介質(zhì)層。
7、 根據(jù)權利要求1所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于殘余的聚苯乙烯微球以及微球上沉積的氧化硅的去除使用化學機械拋光工藝完成；拋光深度的控制以完全去除殘余的微球為準；工藝操作過程中間斷性地通過掃描電子顯微鏡觀測表面情況來判定。
8、 根據(jù)權利要求l所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于頂層電極的引出步驟中，利用聚焦離子束沉積鉑材料完成，電極的線寬 4空制為100nm以下。
9、 根據(jù)權利要求1所述的制備相變存儲器的方法，其特征在于頂層絕熱保護層氧化硅的沉積利用離子束沉積法完成。
10、 一種制備相變存儲器的方法，其特征在于該方法包括刻蝕相變材料掩膜的制備步驟利用自組裝有序單層排列的 微球做掩膜刻蝕相變材料、經(jīng)氧氣刻蝕減小微球體積后完成。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種制備相變存儲器的方法，包括制備底層介質(zhì)層的步驟；制備底層電極的步驟；制備標記圖形的步驟；制備標記保護層的步驟；制備相變材料的步驟；制備刻蝕相變材料掩膜的步驟利用自組裝有序排列的聚苯乙烯微球做掩膜刻蝕相變材料；制備相變材料結構的步驟；基片平坦化處理步驟；頂層電極的引出步驟；頂層氧化硅沉積步驟。利用本發(fā)明中的自組裝方式實現(xiàn)掩模時不受設備的限制，同時掩模面積也可以做到盡可能大，而且掩模的制備效率相對傳統(tǒng)的方法要高的多。本發(fā)明相變存儲器的制備方法有助于制備新型的高密度低功耗相變存儲器，促進存儲器的發(fā)展。
文檔編號H01L45/00GK101483220SQ20091004581
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權日2009年1月23日
發(fā)明者呂士龍, 宋志棠 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所