一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法
【专利摘要】理论和实验均表明，通过缩小相变区域可以减小可逆相变所需的能量，进而达到降低功耗目的。传统的制备高密度纳米结构需多步的复杂工艺，需精密的纳米曝光，制备周期长，效率低。本发明提供一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法。在硅片、石英片等介质或导电衬底上制备相变材料薄膜，采用自组装方法制备出均匀、有序排列的纳米球阵列；纳米球阵列的间距可以利用等离子体或者反应离子刻蚀技术进行调节。以该纳米球阵列为掩模，利用刻蚀技术，制备有序、均匀、高密度的纳米相变结构。利用本发明所述的方法制备高密度纳米相变结构不但节约了制备成本，提高了制备效率，而且可以有效地降低功耗，提高器件的光电性能。
【专利说明】一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的相关领域，具体地说是用于制备一种高密度纳米光学或电学器件的方法。
【背景技术】
[0002]当今社会数据信息量激增，对信息存储量的要求也日益剧增。目前市场主流的存储技术必将被下一代高性能新型存储技术所取代。相变存储技术受到人们越来越多的关注。相变存储技术源于s.R.0vshinsky对硫系化合物非晶态半导体的研究，他在20世纪60年代末70年代初报道了硫系化合物材料在电场激发下具有高、低阻值之间的转变现象，提出了相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想(Phys.Rev.Lett., 21，1450^1453, 1968;Appl.Phys.Lett., 18，254^257, 1971)。相变存储技术采用以GeSbTe为代表的硫系化合物薄膜，硫系化合物可在激光脉冲或电脉冲的作用下实现非晶态与晶态的可逆相变。通过对相变材料施加一个强而窄的电脉冲或激光脉冲(Reset电流)可以实现晶态到非晶态的转变；施加一个弱而宽的电脉冲或激光脉冲(Set电流)可以实现非晶态到晶态的转变。然而目前相变材料的Reset电流较大导致较大的功耗成为相变存储技术发展中最主要的障碍之一 O
[0003]大量的研究表明通过缩小相变区域可以减小可逆相变所需要的能量，进而达到降低功耗的目的 。研究人员设计了各种各样的器件结构用于改善器件性能。比如，通过在电极和相变材料之间增加过渡层的方式，降低热量的损失和促使高温区域移动到加热电极和相变材料界面位置，以使器件具有更高的加热效率获得更低的操作功耗；通过改变底电极形状，减小电极和相变材料的接触面积，获得高的加热效率，如环状电极结构和针状电极结构。2005年Philips在Natrue上发表了线形结构的相变存储器(Phase-change linememory)的制备和性能研究结果，这种结构的显著特点是可以通过控制相变材料层的沉积厚度来获得纳米尺寸的相变区域单元。2006年IBM等公司在IEDM会议上发表了基于GeSb材料的桥状平面相变存储器结构(Phase-change bridge memory),与前面的线形结构不同，这种结构中两个电极通过一个绝缘层分隔开来，两个电极之间的距离靠的非常近，以获得一个合理的阈值电压。这种结构中两个电极之间的间隙确定“桥”的长度L，沉积在平整电极表面的相变存储材料厚度确定“桥”的高度H，进一步的光刻确定“桥”的宽度W。
[0004]上述纳米结构的制备不但需要多步复杂工艺，而且需要精密昂贵的纳米曝光设备；此外，制备周期长，制备一个高密度纳米结构单元所需时间较长，若要制备出一个完整的高密度纳米结构的阵列则需要更长时间，效率较低。本发明提出一种采用自组装的方法快速制备高密度纳米相变结构的方法。利用本发明所述的方法制备高密度纳米相变结构不但节约了制备成本，而且一次性可以制备出一个完整的高密度纳米结构的阵列，提高了制备效率。此外，这种小尺寸的高密度纳米相变结构可以有效地降低功耗，提高器件光电性倉泛。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法。在Si片等半导体衬底、石英片等介质基底或者TiN、W等导电衬底上采用自组装方法制备出均匀、有序排列的纳米球阵列，然后以该纳米球阵列为掩模，利用等离子体刻蚀或者反应离子刻蚀技术刻蚀，制备有序、均匀、高密度的纳米相变结构，节约了制备成本，提高了制备效率。高密度纳米相变结构阵列的间距可以利用等离子体或者反应离子刻蚀技术进行调节。通过激光脉冲可实现纳米相变结构中相变材料在不同状态间反射率的可逆转变。通过电脉冲可实现纳米相变结构中相变材料在不同状态间电导率的可逆转变。利用本发明所述的方法制备高密度纳米相变结构效率高、制备成本低，有利于降低功耗，提高器件的性能。
[0006]本发明的另一个目的在于提供一种可用于光电集成的纳米相变结构器件，相变材料在激光脉冲或电脉冲的作用下可实现反射率或电导率的可逆转变，利用反射率或电导率的可逆转变实现光电存储功能。
[0007]本发明的另一个目的在于提供一种可用于高速光开关的纳米相变结构器件，相变材料在激光脉冲的作用下可实现反射率的高速可逆转变，利用反射率的高速可逆转变实现光调控。
[0008]【专利附图】
【附图说明】:
图1在硅片上制备的高密度纳米相变结构；
图2在氧化硅片上制备的高密度纳米相变结构；
图3在W薄膜基片上制备的高密度纳米相变结构；
图4在石英片上利用PS纳米球作为掩模刻蚀形成的纳米相变结构；
图5在石英片上制备的利用Si02纳米球作为掩模刻蚀形成的纳米相变结构；
图6基于GeSbTe相变材料的纳米相变结构；
图7基于SiSbTe相变材料的纳米相变结构。
【具体实施方式】
[0009]实施例一:
在Si片溅射生长相变材料薄膜后，然后在相变材料薄膜表面采用注射的方法制备出均匀、有序排列的PS纳米球阵列作为刻蚀掩模，再利用等离子体刻蚀技术将PS纳米球周围的相变材料刻蚀掉，最后将PS纳米球去除，即可制备出在Si衬底上的高密度纳米相变结构。如图1所示。
[0010]实施例二:
在清洗后的Si片上依次热氧化制备Si02薄膜和溅射生长相变材料薄膜，接着在相变材料薄膜表面采用注射的方法形成均匀、有序排列的PS纳米球阵列；然后以PS纳米球阵列为掩模，利用等离子体刻蚀技术刻蚀，最后利用抛光、等离子体清洗将纳米球去除，即可制备出本发明所述的在Si02衬底上的高密度纳米相变结构。如图2所示。
[0011]实施例三:
在Si片上采用热氧化制备Si02介质材料薄膜，在Si02介质材料薄膜上制备W薄膜，再在W薄膜上溅射生长相变材料薄膜，然后采用浸溃的方法在W薄膜表面制备均匀、有序排列的PS纳米球阵列，将其作为刻蚀掩模，利用等离子体刻蚀技术刻蚀，最后将PS纳米球去除，即可制备出基于导电衬底的高密度纳米相变结构。如图3所示。
[0012]实施例四:
在清洗后的石英片上溅射制备相变薄膜，然后在薄膜上采用注射的方法制备均匀、有序排列的PS纳米球阵列，利用等离子体选择性刻蚀技术对纳米球阵列进行刻蚀，在不改变周期和形貌的情况下实现了对纳米球间距的调整，再以上述刻蚀后的纳米球为掩模，利用等离子体选择性刻蚀技术刻蚀相变材料，从而制备出有序、均匀的纳米相变材料单元及其阵列，利用抛光、等离子体清洗将纳米球去除，即可制备出在石英片上的基于PS纳米球刻蚀形成的不同间距的高密度纳米相变结构。如图4所示。
[0013]实施例五:
在石英片上制备相变材料薄膜，然后采用滴涂的方法在相变材料薄膜表面制备Si02纳米球阵列；再以Si02纳米球阵列为掩模，利用等离子体刻蚀技术刻蚀，最后将纳米球去除，即可制备出在石英片上的基于Si02纳米球刻蚀形成的高密度纳米相变结构。如图5所
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[0014]实施例六:
在清洗干净的Si片上制备100 nm的GeSbTe相变材料薄膜；在GeSbTe相变材料薄膜表面采用浸溃的方法制备出均匀、有序排列的PS纳米球阵列；以上述PS纳米球阵列为掩模，利用等离子体刻蚀技术刻蚀，即可得到本发明所述的基于GeSbTe相变材料的高密度纳米相变结构。如图6所示。
[0015]实施例七:
在清洗干净的Si片上制备100 nm的SiSbTe复合相变材料薄膜；在SiSbTe复合相变材料薄膜表面采用浸溃的方法制备出均匀、有序排列的PS纳米球阵列；以上述PS纳米球阵列为掩模，利用等离子体刻蚀技术刻蚀，即可得到本发明所述的基于SiSbTe复合相变材料的高密度纳米相变结构。如图7所示。
【权利要求】
1.一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法，其特征在于:在平整的衬底或基底上制备相变材料薄膜，然后利用浸没或注射的方法在相变材料薄膜表面形成纳米球阵列；以该纳米球阵列为掩模，利用等离子体刻蚀或者反应离子刻蚀技术刻蚀纳米球周围的相变材料薄膜，从而制备出有序、均匀、高密度的纳米相变结构；制备该高密度纳米相变结构不需要昂贵的纳米加工设备，只需利用纳米球作为掩模，通过一步刻蚀法即可完成，制备工艺简单，成本低廉。
2.一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法，其特征在于:所述的用于高密度纳米相变结构制备的衬底或基底材料不受限制，可以为半导体材料，如Si片等；也可以是介质材料，如Si02等；也可以是导电衬底，如ITO、W或TiN等。
3.所述的衬底或基底材料可以是透明的，也可以是半透明或不透明的。
4.一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法，其特征在于:所述的用作掩模的纳米球的材料不受限制，可以为有机物纳米球，比如聚苯乙烯(PS)纳米球等，也可以是无机物纳米球，比如二氧化娃(Si02)纳米球等。
5.如权利要求1所述的高密度纳米相变结构，其特征在于:通过激光脉冲可实现纳米相变结构中相变材料在不同状态间反射率的可逆转变，用于高速光开关或者光学存储。
6.如权利要求1所述的高密度纳米相变结构，其特征在于:通过电脉冲可实现纳米相变结构中相变材料在不同状态间电导率的可逆转变，实现电学存储功能。
7.一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法，其特征在于:用于高密度纳米相变结构的相变材料可以是Ge-Sb-Te系列的相变材料，也可以是以Sb-Te为基的相变材料，或者是Sb基、Te基的相变材料。
8.一种自组装制备高密度纳米相变结构的方法，其特征在于:用于高密度纳米相变结构的相变材料可以是介质复合相变材料，通过控制介质的含量提高热稳定性，提升结晶温度，增强数据保持能力。
9.如权利要求8所述的介质复合相变材料，其特征在于:由于介质的掺入，相变前后体积变化小，相变材料薄膜中晶界密度增加，热导率减小，有利于降低功耗。
【文档编号】H01L21/033GK104037069SQ201410266559
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】韩培高, 钱波, 吴良才, 宋志棠, 张霞 申请人:曲阜师范大学