专利名称：实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，涉及一种存储芯片的工艺方法，尤其涉及一种实现三维立 体结构相变存储芯片的工艺方法。
背景技术：
随着半导体工业的制备技术和工艺达到深亚微米甚至是纳米尺度，相变存储器(PCRAM) 充分体现出其优越性，具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、高速读取等优点，被认为 是最有可能取代目前的SRAM、 DRAM和FLASH等产品而成为未来存储器主流产品。
随着相变存储器存储容量的不断加大，存储单元的不断减小，其外围电路也日趋复杂， 所占面积不断增加，导致存储芯片整体面积将有一大部分耗费在外围电路上，这不仅不利于 高密度高容量相变存储器的制备，更对外围电路的设计提出了面积上的更为苛刻的要求。利 用键合工艺可以制作出三维立体结构相变存储芯片，将外围电路埋藏在存储阵列下面。这样 就使得外围电路的面积不会影响到整体芯片的面积。
在三维立体结构PCRAM的工艺实现方面应该确保外围电路性能不受影响，因此后续工艺 的温度不能高于400°C。传统的硅片键合工艺通常需要100(TC的高温退火来加强硅片键合强 度，等离子体活化键合技术使得经过等离子体活化处理的硅片表面吸附更多的氢氧根，从而 能够在低于4(KTC的退火温度下即获得较高的键合强度。在pn结外延层转移方面，化学腐蚀 自停止减薄技术和背面机械研磨、注氢剥离技术相比，具有以下优点转移薄膜的均匀性优 于背面机械研磨，同时不会在外延层引入机械损伤和离子注入损伤，有利于实现高开关比单 晶硅二极管。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用室温等离子体活化键合和腐蚀自停止技术 实现三维立体结构存储器芯片的工艺方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
本发明提出了一种实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其包括如下步骤-
A、将有外围电路的硅片与外延了 pn结的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)片键合.B、 在150'C-40(TC下低温退火，以加强键合强度；
C、 采用SOI片中的埋氧层作为腐蚀停止层实现pn结硅外延层的转移；
D、 在转移过来的硅外延层上沉积相变材料；
E、 用反应离子刻蚀将相变材料和外延硅图形化；
F、 通过反应离子刻蚀得到垂直单晶硅二极管驱动PCRAM存储芯片结构。 作为本发明的一种优选方案，所述步骤A为采用室温等离子体活化键合技术将有外围
电路的硅片与外延了 pn结的SOI片键合。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤B低温退火过程中用相同的温度加热，或者，在 不同时间段用不同的温度加热。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤B低温退火过程中，在150'C的温度下加热一小时， 在300。C的温度下加热一小时。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤F中，外围电路全部埋置于存储芯片的存储阵列 下面，存储阵列布满整个存储芯片。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤C包括腐蚀掉SOI片的体硅部分，并且腐蚀自 动停止在埋氧层；用稀释的HF酸溶液漂掉埋氧层，使pn结外延层转移到有外围电路的硅片 上，在硅外延层上沉积阻挡层、相变材料。
作为本发明的一种优选方案，所述腐蚀为湿法腐蚀；湿法腐蚀前，对有电路图形的硅片 背面进行保护，保护层为Si02或Si3N4层、且足够致密；腐蚀剂选择40y。的KOH溶液，腐蚀 温度在4(TC-7(TC之间。
作为本发明的一种优选方案，所述外围电路所用的字线材料为一种满足电学性能要求的 金属硅化物，即金属硅化物同时充当键合介质和电极材料的角色；通过改变金属与硅的比例 调节此材料的电阻率以及和硅的接触电阻，从而满足电极材料的要求，并且此金属硅化物中 的硅原子能够与SOI片顶层硅原子实现室温键合。
作为本发明的一种优选方案，SOI片的选择应保证顶层硅的均匀性。
作为本发明的一种优选方案，通过重复步骤A至步骤F,得到多层存储阵列结构。
本发明的有益效果在于本发明通过室温等离子活化键合技术使得在低于400'C的退火条 件下即可得到较强的键合强度，避免了硅片上己有的电路结构受到高温退火的影响而引起的 性能衰变。采用化学腐蚀和氧化硅埋层自停止腐蚀的办法转移硅外延层，使得硅外延层的转 移厚度不受限制，并且转移的硅外延层均匀性取决于SOI片顶层硅的均匀性。
图1为将外延有pn结的SOI片与有外围电路的硅片键合的结构示意图。 图2为最终得到的存储芯片结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。 实施例一
本发明揭示了一种实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，将等离子活化室温键合 技术和腐蚀自停止技术相结合实现三维立体结构PCRAM存储器芯片。该方法首先采用室温等 离子体活化键合技术将有外围电路的硅片与外延了 pn结的SOI片键合并在15CTC-40(TC下 低温退火，以加强键合强度；然后用KOH溶液腐蚀掉SOI片的体硅部分，并且腐蚀自动停止 在埋氧层，用稀释的HF酸溶液漂掉埋氧层，从而使pn结外延层转移到有外围电路的硅片上， 在硅外延层上沉积阻挡层、相变材料，最后通过反应离子刻蚀得到想要的单元器件结构，该 结构适用于高密度、高速存储。
具体地，本发明所述金属硅化物字线垂直二极管驱动电路结构及制备方法，包括以下步
骤
步骤a、根据对顶层硅厚度的要求，选用相应的SOI片，并在SOI片上外延满足器件要求 的pn结外延层，该片作为器件片(device wafer),另外一片已经有外围电路的硅片作为支 撑片(handle wafer)。
步骤b、根据键合要求，对器件片和支撑片选择适当的清洗工艺，使其亲水。该清洗工艺 所用的清洗液是经过优化的RCA洗液，优化原则是避免损伤已有外围电路，并且满足键合所 需的亲水要求。
步骤c、将上述器件片和支撑片进行等离子体活化室温键合，并在15(TC-40(TC下低温退 火，以加强键合强度。所述的低温退火工艺可以是150'C加热一小时，3(XTC加热一小时，选 择原则是不引起己有电路性能的衰退并且达到所需的键合强度。因此，低温退火过程中可以 用相同的温度加热，也可以在不同时间段用不同的温度加热；只要其不引起已有电路性能的 衰退并且达到所需的键合强度即可。
步骤d、对支撑片背面进行保护。支撑片的背面保护可以通过沉积Si02层或Si3N4层等，
6且该保护层足够致密，选择原则是避免支撑片被腐蚀。 步骤e、背面研磨器件片到一定厚度。
步骤f、采用SOI片中的埋氧层作为腐蚀停止层，从而实现pn结外延层的转移，SOI片 的选择应保证顶层硅的均匀性，以确保最终器件单元的一致性。采用湿法腐蚀方法使器件片 的埋氧层完全暴露。湿法腐蚀的溶液可以是KOH溶液或者NaOH溶液等，选择原则是腐蚀溶液 对硅和埋氧层材料有较高的选择比。如，腐蚀剂选择4Cm的K0H溶液，腐蚀温度在4(TC-7(TC 之间。
步骤g、腐蚀掉埋氧层。腐蚀掉SOI片的体硅部分，并且腐蚀自动停止在埋氧层；用稀释 的HF酸溶液漂掉埋氧层，使pn结外延层转移到有外围电路的硅片上。
步骤h、在转移到支撑片上的硅外延层上沉积阻挡层、相变材料。硅外延层上沉积的可以 是相变材料等可以实现阻值转换的材料。
步骤i、用反应离子刻蚀将相变材料和外延硅图形化，得到垂直二极管驱动PCRAM电路结 构。此结构的最大优势在于，外围电路全部埋置于存储芯片的存储阵列下面，存储阵列布满 整个存储芯片。所述外围电路所用的字线材料为一种满足电学性能要求的金属硅化物，即金 属硅化物同时充当键合介质和电极材料的角色；通过改变金属与硅的比例调节此材料的电阻 率以及和硅的接触电阻，从而满足电极材料的要求，并且此金属硅化物中的硅原子能够与SOI 片顶层硅原子实现室温键合。
此外，通过重复步骤a至步骤i，得到多层存储阵列结构。
本发明通过室温等离子活化键合技术使得在低于40(TC的退火条件下即可得到较强的键 合强度，避免了硅片上已有的电路结构受到高温退火的影响而引起的性能衰变。采用化学腐 蚀和氧化硅埋层自停止腐蚀的办法转移硅外延层，使得硅外延层的转移厚度不受限制，并且 转移的硅外延层均匀性取决于SOI片顶层硅的均匀性。
实施例二
本实施例结合图l、图2，介绍本发明方法的具体过程；本发明实现三维立体结构相变存 储芯片的工艺方法包括如下步骤
步骤h选择SOI片作为器件片，埋氧层厚度为lpm，顶层硅厚度为lnm,顶层硅掺B， 掺杂浓度为2xl017cm-3，在SOI片上外延2nm的n型外延层，掺P，掺杂浓度为2xl06cm-3。 选择已有外围电路的硅片作为支撑片。
步骤2:将器件片和支撑片用丙酮、无水乙醇分别超声5分钟，器件片用改良的RCA1号液(NH40 H:H202:H20 = 1:3:10)和RCA2号液(HC1: H202:H20 = 2:3:10)清洗，支撑片用 RCA1号液清洗，去除表面沾污、降低表面颗粒级别，并使硅片表面亲水。
步骤3:将器件片和支撑片用N+活化30秒，腔体工作气压为0.4mbar，然后用超声水冲 洗硅片表面并甩干，对两片硅片施加15N的压力使其在室温下完成预键合，用红外检测设备 检查键合界面是否完好。
步骤4:将上述键合好的硅片在15(TC加热1小时，250。C加热2小时，350'C加热1小时， 使键合片达到所需键合强度。
步骤5:在支撑片背面沉积2nm厚的Si02。
步骤6:将器件片背面用化学机械研磨的方法减薄至大约50nm厚。
步骤7:将键合片放在40。/。KOH溶液中，在7(TC的水浴温度下进行化学腐蚀，直至器件
片的埋氧层完全暴露。支撑片背面有Si02保护，因此不受KOH腐蚀剂的影响。
步骤8:用10% HF酸溶液漂去步骤7中暴露出的埋氧层，得到转移到支撑片上的pn结
硅外延层的结构。
步骤9:在上述结构上用磁控溅射沉积100nmGST225,采用反应离子刻蚀图形化GST和 pn结硅外延层，最终得到所需的垂直二极管驱动PCRAM电路结构，GST的刻蚀气体采用 CF4/Ar(10/40)，腔体工作气压80mTorr，刻蚀功率200W。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这 里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替 换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本 质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部 件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形 和改变。
权利要求
1、一种实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于，其包括如下步骤A、将有外围电路的硅片与外延了pn结的SOI片键合；B、在150℃-400℃下低温退火，以加强键合强度；C、采用SOI片中的埋氧层作为腐蚀停止层实现pn结硅外延层的转移；D、在转移过来的硅外延层上沉积相变材料；E、用反应离子刻蚀将相变材料和外延硅图形化；F、通过反应离子刻蚀得到垂直单晶硅二极管驱动PCRAM存储芯片结构。
2、 根据权利要求1所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于所述步骤A为采用室温等离子体活化键合技术将有外围电路的硅片与外延了 pn结 的SOI片键合。
3、 根据权利要求1所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于-所述步骤B低温退火过程中用相同的温度加热，或者，在不同时间段用不同的温度加热。
4、 根据权利要求3所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于-所述步骤B低温退火过程中，在150'C的温度下加热一小时，在300'C的温度下加热 一小时。
5、 根据权利要求1所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于所述步骤F中，外围电路全部埋置于存储芯片的存储阵列下面，存储阵列布满整个存 储芯片。
6、 根据权利要求1所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于，所述步骤 C包括腐蚀掉SOI片的体硅部分，并且腐蚀自动停止在埋氧层；用稀释的HF酸溶液漂掉埋氧层，使pn结外延层转移到有外围电路的硅片上，在硅外 延层上沉积阻挡层、相变材料。
7、 根据权利要求6所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于所述腐蚀为湿法腐蚀；湿法腐蚀前，对有电路图形的硅片背面进行保护，保护层为Si02 或SiJ^层、且足够致密；腐蚀剂选择40%的KOH溶液，腐蚀温度在40°C-7(TC之间。
8、 根据权利要求1所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于所述外围电路所用的字线材料为一种满足电学性能要求的金属硅化物，即金属硅化物 同时充当键合介质和电极材料的角色；通过改变金属与硅的比例调节此材料的电阻率以及和硅的接触电阻，从而满足电极材 料的要求，并且此金属硅化物中的硅原子能够与SOI片顶层硅原子实现室温键合。
9、 根据权利要求1所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于SOI片的选择应保证顶层硅的均匀性。
10、 根据权利要求1至9任意一项所述实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其特征在于通过重复步骤A至步骤F，得到多层存储阵列结构。
全文摘要
本发明揭示一种实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，该方法首先采用室温等离子体活化键合技术将有外围电路的硅片与外延了pn结的SOI片键合；并在150℃-400℃下低温退火，以加强键合强度；然后用KOH溶液腐蚀掉SOI片的体硅部分，并且腐蚀自动停止在埋氧层，用稀释的HF酸溶液漂掉埋氧层，从而使pn结外延层转移到有外围电路的硅片上，在硅外延层上沉积阻挡层、相变材料，最后通过反应离子刻蚀得到想要的单元器件结构，该结构适用于高密度、高速存储。本发明通过室温等离子活化键合技术使得在低于400℃的退火条件下即可得到较强的键合强度，避免了硅片上已有的电路结构受到高温退火的影响而引起的性能衰变。
文档编号H01L21/70GK101465324SQ20081020498
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者刘卫丽, 宋志棠, 超 陈 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所