一种纳米碗状相变存储器单元的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可应用于新型半导体存储的纳米结构材料的制备方法，具体的说是一种纳米碗状相变存储器单元的制备方法。
【背景技术】
[0002]相变随机存储器(phase change random access memory, PCM)是利用硫系化合物(如GeSbTe或GeTe等)的晶态与非晶态的电阻高低来实现数据存储的。相变存储器具有非易失性、循环寿命长、器件尺寸小、速度快、抗辐照、可多级存储等优点。
[0003]相变存储器是由许多个相变存储单元构成。每个相变存储单元包含顶电极、相变介质、底电极等三个基本部分，目前的相变存储单元制备是利用传统的光刻技术实现的，因此每个相变存储单元都是由平面薄膜结构构成的。要进一步提高存储密度，就要降低数据存储单元的横向尺寸，目前，还存在一些技术问题，譬如高密度下存储单元间的串扰效应以及如何进一步降低器件单元的操作功耗等。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对上述问题，旨在利用二维有序的纳米胶体球阵列为模板来制备GeSbTe或GeTe等相变材料的纳米碗阵列以及纳米碗状顶电极，提出一种纳米碗状相变存储单元的制备方法，这种空心纳米碗状存储单元，能够减少相变材料在非晶与多晶转变过程中热量从电极的耗散，而且减小了相变材料与低电极之间的接触面，提高电流密度，降低器件操作电流。
[0005]本发明的目的是这样实现的，该制备方法包括以下步骤:
①、在Si或石英衬底上生长导电薄膜TiN或W，形成底电极。
[0006]②、在步骤①的底电极表面利用自组装技术制备出大面积均匀、有序排列的单层胶体球阵列。
[0007]③、利用等离子刻蚀技术对步骤②中制得的单层胶体球阵列进行刻蚀，对单层胶体球阵列上的胶体球进行尺寸控制和分离，在不改变周期和形貌的情况下得到带有间隙的单层胶体球阵列。
[0008]④、利用倾斜磁控溅射技术，在步骤③中得到的带有间隙的单层胶体球阵列上制备GeSbTe或GeTe相变材料的薄膜，由于带有间隙的单层胶体球阵列上每个胶体球构成曲面衬底的诱导作用，在每个胶体球上形成GeSbTe或GeTe相变材料的纳米碗阵列，碗口朝下，控制GeSbTe或GeTe相变材料的溅射时间，使得纳米碗侧壁与底电极相接，而相邻纳米碗之间无连接。
[0009]⑤、在步骤④中制备的相变材料的纳米碗阵上溅射W或TiN薄膜，形成碗状顶电极，控制生长时间，使之不能与底电极相连接，相邻电极之间也没有连接。
[0010]⑥、利用选择刻蚀技术除掉步骤⑤中带有碗状顶电极的纳米碗下面的胶体材料，得到纳米碗状相变材料存储单元，所述的纳米碗状相变材料存储单元是由步骤①中制备的底电极、步骤③中制备的碗状相变材料以及步骤④中的制备的顶电极构成的。
[0011]本发明具有以下优点和积极效果:
1、本发明以带有间隙的单层胶体球阵列为衬底，利用磁控溅射技术生长GeSbTe或GeTe相变材料的薄膜以及W或TiN薄膜为顶电极材料，得到纳米碗状相变材料存储单元阵列。在此过程中薄膜生长为制备过程最后一步，无需后续刻蚀过程，可以得到边界无损伤的相变材料及电极材料纳米碗状结构阵列；
2、本发明制备的纳米碗状相变材料存储单元为中空结构，只有纳米碗的边缘与底电极相接触，有效地减小加热电极的接触面积。当施加相同大小电流时，可以提高电流密度和电极加热效率，从而降低实现相变过程所需要的减小操作电流；
3、本发明制备的纳米碗状相变材料存储单元阵列中相邻相变纳米碗彼此分离，相邻电极之间也没有连接，电极的电极热量扩散范围被大大降低，减小了能量损耗，降低操作电流。
【附图说明】
[0012]图1是本发明方法在硅衬底上制备的底电极示意图。
[0013]图2是本发明方法在底电极上制备胶体球阵列示意图。
[0014]图3是本发明方法利用刻蚀技术对胶体球阵列进行可控分离示意图。
[0015]图4是本发明方法在分离的胶体球阵列上制备相变材料纳米碗示意图。
[0016]图5是本发明方法制备纳米碗状顶电极示意图。
[0017]图6是本发明方法去除掉胶体球后形成的纳米碗状相变存储单元示意图。
[0018]图7是本发明方法制得的纳米碗状相变存储单元的结构示意图。
[0019]
【具体实施方式】
[0020]①、将Si或石英衬底放在由NH4OH (分析纯)、H202 (分析纯)和H2O构成的混合溶液(体积比1:2:6)中煮沸5分钟，然后用去离子水冲洗干净，在烘箱中干燥。在干燥后的Si或石英衬底上利用磁控溅射技术生长厚度为10纳米导电薄膜TiN或W，形成底电极(图1)。在美国生产的磁控溅射系统中(型号为ATC 1800-F, USA AJA)，制备TiN或W薄膜。磁控溅射系统中的本底气压为1.8X10 6 Torr,溅射气压为2mTorr，Ar气作为保护气体，溅射功率为20瓦。这时TiN的溅射速率为0.049纳米/秒(W的溅射速率为0.057纳米/秒)。
[0021]②、将步骤①的底电极在浓度为10%的十二烷基硫酸钠溶液中浸泡24小时，这样可使我们可以得到亲水的底电极表面。取10毫升购自Duke公司浓度为1wt.%、尺寸为200纳米的胶体球乳液，用10毫升分析纯的乙醇进行稀释。取约5微升稀释过胶体乳液滴在浸泡过的衬底表面，乳液就会在衬底表面铺展开来。将衬底片缓慢地浸入盛有去离子水的容器里，容器的横截面积为19.5X19.5平方厘米，深度为10厘米。由于水表面张力作用，在水表面形成一层胶体球的单层膜。然后再向容器中滴入4微升浓度为2%的十二烷基硫酸钠溶液。在水表面就会形成致密的胶体粒子单层膜，在室温条件下静置约10分钟。利用在浓度为10%的十二烷基硫酸钠溶液中浸泡过的带有底电极的衬底片将胶体粒子单层膜捞起来，在空气中自然挥发干燥后就得到了生长在底电极上的单层胶体球阵列(图2)。
[0022]③、利用等离子体刻蚀机(型号为1020，生产厂家为E.A.Fisch1neInstruments Inc)对步骤②中制得的单层胶体球阵列进行刻蚀。工作气体为80% O2和20%Ar时，对直径为200纳米的胶体粒子阵列刻蚀速率为I纳米/秒，而胶体球阵列的周期和胶体球的形状不变，从而实现利用等离子刻蚀技术对单层胶体球阵列上的胶体球进行尺寸控制和分离。对直径为200纳米的胶体粒子阵列刻蚀30秒，胶体球尺寸变为170纳米，胶体球之间的间隙为30纳米，周期仍为200纳米的带有间隙的单层胶体球阵列(图3)。
[0023]④、在美国生产的磁控溅射系统中(型号为ATC 1800-F，USA AJA)，在步骤③中得到的带有间隙的单层胶体球阵列上制备GeSbTe或GeTe相变材料的薄膜。磁控溅射系统中的本底气压为1.8X10 6 Torr,溅射气压为2mTorr，Ar气作为保护气体，溅射功率为20瓦。这时GeSbTe的溅射速率为0.032纳米/秒(GeTe的溅射速率为0.027纳米/秒)。控制GeSbTe的溅射时间为400秒(或GeTe的溅射时间为500秒)，可以在带有间隙的单层胶体球阵列上制备GeSbTe (或GeTe)相变材料的纳米碗阵列，碗口朝下，使得纳米碗侧壁与底电极相接，而相邻纳米碗之间无连接(图4)。
[0024]⑤、在步骤④中制备的相变材料的纳米碗阵上派射W或TiN薄膜10纳米,形成碗状顶电极。顶电极与底电极不连接，相邻电极之间也没有连接(图5)。
[0025]⑥、将经历步骤⑤后得到的纳米碗状相变材料阵列(包括顶电极、纳米碗状相变材料阵列、纳米碗状相变材料阵列下面的胶体材料、底电极以及Si或石英衬底)浸泡在分析纯的四氢呋喃溶剂中。浸泡40分钟后，可以得到纳米碗状相变材料存储单元，所述的纳米碗状相变材料存储单元是由步骤①中制备的底电极、步骤③中制备的碗状相变材料以及步骤④中的制备的顶电极构成的(图6、7所示)。
【主权项】
1.一种纳米碗状相变存储器单元的制备方法，其特征在于:该制备方法包括以下步骤: ①、在Si或石英衬底上生长导电薄膜TiN或W，形成底电极； ②、在步骤①的底电极表面利用自组装技术制备出大面积均匀、有序排列的单层胶体球阵列； ③、利用等离子刻蚀技术对步骤②中制得的单层胶体球阵列进行刻蚀，对单层胶体球阵列上的胶体球进行尺寸控制和分离，在不改变周期和形貌的情况下得到带有间隙的单层胶体球阵列； ④、利用倾斜磁控溅射技术，在步骤③中得到的带有间隙的单层胶体球阵列上制备GeSbTe或GeTe相变材料的薄膜，由于带有间隙的单层胶体球阵列上每个胶体球构成曲面衬底的诱导作用，在每个胶体球上形成GeSbTe或GeTe相变材料的纳米碗阵列，碗口朝下，控制GeSbTe或GeTe相变材料的溅射时间，使得纳米碗侧壁与底电极相接，而相邻纳米碗之间无连接； ⑤、在步骤④中制备的相变材料的纳米碗阵上溅射W或TiN薄膜，形成碗状顶电极，控制生长时间，使之不能与底电极相连接，相邻电极之间也没有连接； ⑥、利用选择刻蚀技术除掉步骤⑤中带有碗状顶电极的纳米碗下面的胶体材料，得到纳米碗状相变材料存储单元，所述的纳米碗状相变材料存储单元是由步骤①中制备的底电极、步骤③中制备的碗状相变材料以及步骤④中的制备的顶电极构成的。
【专利摘要】本发明涉及一种可应用于新型半导体存储的纳米结构材料的制备方法，具体的说是一种纳米碗状相变存储器单元的制备方法，本发明旨在利用二维有序的纳米胶体球阵列为模板来制备GeSbTe或GeTe等相变材料的纳米碗阵列以及纳米碗状顶电极，提出一种纳米碗状相变存储单元的制备方法，这种空心纳米碗状存储单元，能够减少相变材料在非晶与多晶转变过程中热量从电极的耗散，而且减小了相变材料与低电极之间的接触面，提高电流密度，降低器件操作电流。
【IPC分类】B82Y10-00, H01L45-00
【公开号】CN104576925
【申请号】CN201310498066
【发明人】王雅新, 张永军, 杨景海
【申请人】吉林师范大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月22日