专利名称：一种制作纳米尺寸相变存储器的方法
技术领域：
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种制作纳米尺寸相变存储器的方法。本发明提出了一种采用两步侧墙工艺来制备用来填充相变材料的金属NAN0GAP和相变材料纳米条，从而制作纳米尺寸相变存储器的方法。该方法避免了使用电子束曝光的成本高、周期长的不足，在突破光刻分辨率限制及提高器件制备效率等方面具有很大的优越性。
背景技术：
随着信息产业的快速发展，人们对移动存储的要求急剧增长。由于闪存(Flash)存储技术写入速度相对慢、工作电压高，同时又难以实现纳米级小尺寸以提高集成度等不利因素使其很难满足下一代非易失性存储器的要求。因此基于S. R. Ovshinsky在1968年提出的利用硫系化合物薄膜相变时具有明显的电阻差异而具有存储效应建立起来的相变随机存储器(PC-RAM， Phase Change-Random Access Memory)被提上日程。由于相变存储器具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、功耗低、成本低、可多级存储、抗强震动和抗辐照等优点，被国际半导体工业协会认为是最有可能取代目前的闪存存储器，而成为未来存储器的主流产品和最先成为商用产品的器件。 相变存储器自诞生以来已经有很多人对它进行了研究，例如Ovonyx、 Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi等，通过改变相变材料和器件结构等已经使其具备了良好的性能。但是，随着半导体行业的高速发展，存储器的集成密度随着摩尔定律提高。要想使相变存储器能够在今天的存储器市场上崭露头角，必须减小其RESET电流使其具有很高的集成密度。因此，制备小尺寸的尤其是纳米尺度的相变存储器，成为当前研究的主要内容。 目前，获得小尺寸的方法，主要有电子束曝光(EBL)、聚焦离子束曝光(FIB)等，但是他们的成本过于高昂。为了突破光刻分辨率限制及提高器件制备效率，寻找简单而低成本的制备小尺寸的纳米尺寸相变存储器的方法，我们提出本发明构思。
发明内容
( — )要解决的技术问题 本发明的主要目的在于提供一种制作纳米尺寸相变存储器的方法，以寻找到一种纳米尺寸的相变存储单元的制作方法，并且器件单元结构简单、制备方法简单且成本低廉，能够突破光刻分辨率限制，并提高器件制备效率。
( 二 )技术方案 为达到上述目的，本发明提供了一种制作纳米尺寸相变存储器的方法，该方法包括 a、在衬底上生长一层电热绝缘材料； b、在该电热绝缘材料上制作金属GAP的侧墙基底，然后淀积侧墙材料，用干法刻蚀回刻出牺牲侧墙，用湿法刻蚀去掉侧墙基底，形成金属GAP侧墙；
c、采用光刻、剥离工艺在垂直于该金属GAP侧墙的一条边上形成金属条，再用湿 法刻蚀去掉金属GAP侧墙，同时将附着在金属GAP侧墙上的金属剥离，形成纳米尺寸的金属
GAP ; d、在该金属条之上制作相变材料的侧墙基底，使该侧墙基底的一个边缘横跨在该 金属GAP上，然后淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的相变材料的 1!^^回； e、淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，形成水平结构的相变 存储器。 上述方案中，步骤a中所述在衬底上生长一层电热绝缘材料，是采用化学气相淀 积或者磁控溅射淀积方法生长的。 上述方案中，步骤a中所述衬底是半导体材料衬底，或是绝缘材料衬底。所述半导 体材料衬底是硅片或SOI片，所述绝缘材料衬底是Si(^、玻璃。
上述方案中，步骤a中所述电热绝缘材料是氮化硅。 上述方案中，步骤b中所述在该电热绝缘材料上制作金属GAP的侧墙基底是采用 光学光刻和干法刻蚀的方法制作的。 上述方案中，步骤b中所述金属GAP的侧墙基底采用二氧化硅，所述金属GAP的侧
墙材料是多晶硅。步骤b中所述去除侧墙基底采用的刻蚀液是氢氟酸，步骤c中所述去除
金属GAP侧墙形成金属GAP采用的刻蚀液是K0H溶液、EDP、异丙醇和水的混合溶液。 上述方案中，步骤b中所述金属GAP的侧墙基底采用多晶硅，所述金属GAP的侧墙
材料是二氧化硅。步骤b中所述去除侧墙基底采用的刻蚀液是KOH溶液，步骤c中所述去
除金属GAP侧墙形成金属GAP采用的刻蚀液是氢氟酸。 上述方案中，步骤c中所述金属条是采用光刻剥离工艺制备的。 上述方案中，步骤c中所述金属GAP是用湿法刻蚀的方法，在刻掉侧墙的同时将附
着在侧墙上的金属剥离而形成。 上述方案中，步骤d中所述相变材料的侧墙基底边缘的长度大于或等于金属GAP 的宽度，并使该边缘横跨于金属GAP之上。 上述方案中，步骤d中所述相变材料的侧墙基底采用电热绝缘材料。 上述方案中，步骤b中所述牺牲侧墙厚度为50 100nm，步骤d中所述相变材料侧
墙的厚度为50 lOOnm。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果 本发明提供的这种制作纳米尺寸相变存储器的方法，采用薄膜工艺、光刻剥离工 艺、湿法刻蚀工艺和两步侧墙工艺制备了纳米尺寸的相变存储器器件单元。这种器件单元 制备方法的特点在于器件结构简单，制备方便，器件单元尺寸小，避免了使用电子束曝光 (EBL)，聚焦离子束曝光(FIB)等技术，大大降低了成本，集成度大幅度的提高，同时突破光 刻分辨率限制及提高器件制备效率等。
图1是本发明提供的制作纳米尺寸相变存储器的方法流程 图2是依照本发明实施例在淀积有电热绝缘层的衬底材料上制作金属GAP的侧墙 基底的示意图，其中图2(a)是剖面图，图2(b)是俯视图； 图3是依照本发明实施例淀积侧墙材料的示意图，其中图3(a)是剖面图，图3 (b) 是俯视图； 图4是依照本发明实施例回刻形成金属GAP的侧墙的示意图，其中图4(a)是剖面 图，图4(b)是俯视图； 图5是依照本发明实施例刻蚀掉侧墙基底的示意图，其中图5(a)是剖面图，图 5(b)是俯视图; 图6是依照本发明实施例淀积金属条的示意图，其中图6(a)是剖面图，图6(b)是 俯视图； 图7是依照本发明实施例刻蚀掉侧墙同时剥离掉附着于其上的金属的示意图，其 中图7(a)是剖面图，图7(b)是俯视图； 图8是依照本发明实施例制作相变材料的侧墙基底的示意图，其中图8(a)是剖面 图，图8(b)是俯视图； 图9是依照本发明实施例淀积相变材料和保护层后回刻形成相变材料的侧墙的 示意图，其中图9(a)是剖面图，图9(b)是俯视图； 图IO是依照本发明实施例钝化开孔引出电极的示意图，其中图10(a)是剖面图， 图10(b)是俯视图； 图ll是依照本发明实施例制作的纳米尺寸相变存储器的示意图，其中图ll(a)是 剖面图，图ll(b)是俯视图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。 本发明制作纳米尺寸相变存储器的方法，首先在硅衬底上淀积一层抗腐蚀性很强 的电热绝缘材料，然后利用侧墙工艺在该材料表面制备出一个纳米尺寸的金属GAP ;随后 再一次利用侧墙工艺制备出一条纳米尺寸的相变材料，纳米相变条填充在金属GAP中；钝 化开孔引出电极，最后制备出纳米尺寸的相变存储器件。 如图1所示，图1是本发明提供的制作纳米尺寸相变存储器的方法流程图，该方法 包括以下步骤 步骤1 :在衬底上生长一层电热绝缘材料； 步骤2 :在该电热绝缘材料上制作金属GAP的侧墙基底，然后淀积侧墙材料，用干
法刻蚀回刻出牺牲侧墙，用湿法刻蚀去掉侧墙基底，形成金属GAP侧墙； 步骤3 :采用光刻、剥离工艺在垂直于该金属GAP侧墙的一条边上形成金属条，再
用湿法刻蚀去掉金属GAP侧墙，同时将附着在金属GAP侧墙上的金属剥离，形成纳米尺寸的
金属GAP ; 步骤4:在该金属条之上制作相变材料的侧墙基底，使该侧墙基底的一个边缘横 跨在该金属GAP上，然后淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的相变 材料的侧墙；
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步骤5 :淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，形成水平结构 的相变存储器。
上述步骤1至步骤5的详细工艺可以进一步参考以下具体制备过程 (1)对衬底进行常规的RCA清洗。衬底为半导体材料，绝缘材料中的一种，如硅片、
玻璃、Si(^、S01片等； (2)在衬底上采用薄膜制备工艺，如溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气 相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法、热氧化等中的一种制备电热绝缘层，绝 缘层材料为氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混 合物中的一种； (3)在所述电热绝缘材料上，制作金属GAP的侧墙基底，所用的方法是用光刻、干 法刻蚀工艺；基底材料可以是氧化物、多晶硅中的一种； (4)淀积侧墙材料，用干法刻蚀回刻出侧墙，其厚度约为50 100nm，侧墙材料可 以是氧化物、多晶硅中的一种； (5)用湿法刻蚀去除侧墙基底，形成金属GAP的侧墙；所用的刻蚀液可以是氢氟 酸、K0H溶液中的一种，选用刻蚀液的原则是对侧墙基底的刻蚀速率要远大于对侧墙和电 热绝缘层的速率； (6)在所述侧墙上用剥离工艺淀积一层金属条，使金属条搭在侧墙身上并与侧墙
垂直，再用湿法刻蚀去除侧墙，与此同时将附着在侧墙上的金属剥离，形成纳米尺寸的金属
GAP;金属可以是钨、钼、金、钛、银等中的一种，刻蚀液可以是氢氟酸、KOH中的一种。 (7)在所述的金属条之上制作相变材料的侧墙基底，使该基底的一个边缘横跨于
金属GAP上，所用的方法是光刻剥离工艺。其侧墙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、硫化物中的至少两种构成的混合物中的一种。 (8)淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的相变材料的侧墙，
其厚度约为50 100nm ;相变材料可以是Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3、 GeiSb2Te4、 Ge2Sb4Te7或者含有
硫族元素的任意相变材料中的一种；保护层可以是氧化物，氮化物、硫化物，或者由氧化物、
氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的一种。 (9)淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，构成水平结构的相 变存储器。钝化层可以是氧化物、氮化物中的一种。 本发明提供的制作纳米尺寸相变存储器的方法，基于侧墙方法实现金属NANOGAP 以及相变材料的侧墙方法，将二者改进、结合起来并将其应用于平面PCRAM器件制备，从而
突破光刻分辨率限制并提高器件制备效率。以下为具体实施例。
实施例1 1、采用单晶硅片、SOI片等半导体或者绝缘材料作为衬底101 ;
2、采用薄膜制备工艺，在衬底上制备电热绝缘层氮化硅102 ; 3、在电热绝缘层氮化硅上LPCVD淀积多晶硅作为制作金属GAP的侧墙基底103，然 后通过光学光刻和干法刻蚀形成侧墙基底图形。如图2所示。 4、 PECVD淀积牺牲侧墙材料二氧化硅104，如图3所示；然后干法回刻形成牺牲侧 墙。如图4所示。 5、用氢氧化钾溶液漂去侧墙基底(氢氧化钾溶液对衬底氮化硅和侧墙二氧化硅
7的刻蚀选择比较高)，如图5所示。 6、采用光学光刻和剥离工艺在牺牲侧墙的一条边上形成钨的金属条105，如图6 所示。然后再用氢氟酸将侧墙漂去，与此同时，附着在侧墙上的金属也被漂掉，从而形成金 属的NANOGAP，如图7所示。 7、淀积相变材料GST的侧墙基底106，然后通过光学光刻和干法刻蚀形成其侧墙 基底图形，如图8所示。 8、淀积相变材料GST107和其保护层108，通过干法回刻形成带有保护层的GST侧 墙，如图9所示。 9、淀积钝化层109，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极IIO，制成水平结 构的相变存储器，如图10所示。
实施例2 具体步骤和条件同实施例1，不同之处在于采用二氧化硅作为金属NANOGAP的侧 墙基底，采用多晶硅作为牺牲侧墙。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，该方法包括a、在衬底上生长一层电热绝缘材料；b、在该电热绝缘材料上制作金属GAP的侧墙基底，然后淀积侧墙材料，用干法刻蚀回刻出牺牲侧墙，用湿法刻蚀去掉侧墙基底，形成金属GAP侧墙；c、采用光刻、剥离工艺在垂直于该金属GAP侧墙的一条边上形成金属条，再用湿法刻蚀去掉金属GAP侧墙，同时将附着在金属GAP侧墙上的金属剥离，形成纳米尺寸的金属GAP；d、在该金属条之上制作相变材料的侧墙基底，使该侧墙基底的一个边缘横跨在该金属GAP上，然后淀积相变材料及其保护层，用干法刻蚀回刻出带有保护层的相变材料的侧墙；e、淀积钝化层，在相变材料两端的金属上方开孔，引出电极，形成水平结构的相变存储器。
2. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤a中所述在衬底上生长一层电热绝缘材料，是采用化学气相淀积或者磁控溅射淀积方法生长的。
3. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤a中所述衬底是半导体材料衬底，或是绝缘材料衬底。
4. 根据权利要求3所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，所述半导体材料衬底是硅片或SOI片，所述绝缘材料衬底是Si(^、玻璃。
5. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤a中所述电热绝缘材料是氮化硅。
6. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤b中所述在该电热绝缘材料上制作金属GAP的侧墙基底是采用光学光刻和干法刻蚀的方法制作的。
7. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤b中所述金属GAP的侧墙基底采用二氧化硅，所述金属GAP的侧墙材料是多晶硅。
8. 根据权利要求7所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤b中所述去除侧墙基底采用的刻蚀液是氢氟酸，步骤c中所述去除金属GAP侧墙形成金属GAP采用的刻蚀液是K0H溶液、EDP、异丙醇和水的混合溶液。
9. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤b中所述金属GAP的侧墙基底采用多晶硅，所述金属GAP的侧墙材料是二氧化硅。
10. 根据权利要求9所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤b中所述去除侧墙基底采用的刻蚀液是K0H溶液，步骤c中所述去除金属GAP侧墙形成金属GAP采用的刻蚀液是氢氟酸。
11. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤c中所述金属条是采用光刻剥离工艺制备的。
12. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤c中所述金属GAP是用湿法刻蚀的方法，在刻掉侧墙的同时将附着在侧墙上的金属剥离而形成。
13. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤d中所述相变材料的侧墙基底边缘的长度大于或等于金属GAP的宽度，并使该边缘横跨于金属GAP之上。
14. 根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤d中所述相变材料的侧墙基底采用电热绝缘材料。
15.根据权利要求1所述的制作纳米尺寸相变存储器的方法，其特征在于，步骤b中所述牺牲侧墙厚度为50 100nm，步骤d中所述相变材料侧墙的厚度为50 100nm。
全文摘要
本发明公开了一种制作纳米尺寸相变存储器的方法，首先在硅衬底上淀积一层抗腐蚀性很强的电热绝缘材料，然后利用侧墙工艺在该材料表面制备出一个纳米尺寸的金属GAP，接着再一次利用侧墙工艺制备出纳米尺寸的相变材料，纳米相变材料填充在金属GAP中。钝化开孔引出电极，最后制备出纳米尺寸的相变存储器件。本发明避免了使用电子束曝光的成本高、周期长的缺陷，仅采用光刻和两步侧墙工艺，便制备出了纳米尺寸的相变存储器，在突破光刻分辨率限制及提高器件制备效率等方面具有很大的优越性。
文档编号H01L27/24GK101764195SQ20081024093
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者张加勇, 杨富华, 王晓东, 王晓峰, 田晓丽 申请人:中国科学院半导体研究所