專利名稱：一種納米級相變存儲單元陣列制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米級相變存儲單元陣列制備方法，屬于微納電子學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相變存儲器(PCRAM)是一種利用相變材料在非晶和多晶兩種狀態(tài)下具有不同電阻值的特性實(shí)現(xiàn)信 號存儲的新型存儲器件，PCRAM具有體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、讀寫速度快，非易揮發(fā)的特點(diǎn)，與 目前常用的閃存(FLASH〉、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM〉及鐵點(diǎn)存儲器(FeRAM)相比，競爭優(yōu)勢明顯， 同時(shí)具有耐高低溫、抗輻射、抗振動(dòng)的特性，因此，PCRAM無論是在民用領(lǐng)域還是在國防領(lǐng)域都將有廣 闔的應(yīng)用前景，成為研發(fā)熱點(diǎn)。
然而目前相變存儲器研發(fā)面臨的一個(gè)主要問題，就是如何進(jìn)一步減小其工作電流，減小工作電流有利 于降低功耗并與目前CMOS工藝匹配，
對此，業(yè)界提出了通過減小電極點(diǎn)和相變存儲單元結(jié)構(gòu)來減小工作電流的多種方案，但制備方法主耍 采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，工藝復(fù)雜、加工成本高。本發(fā)明是針對納米級相^#儲單元陣列制備而提出的一種 簡便方法，具有工藝簡單、加工成本低的突出優(yōu)點(diǎn)。這種加工方法適合于相變存儲器件的產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn), 在納米級多層結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種納米級相變存儲單元陣列制備方法，以滿足相變存儲器件納米級存儲單元制 備的需要，用這#方法加工納米級相變材料陣列結(jié)構(gòu)，一次成型多次填充，既可以保證相變材料與電極之 間的納米級接觸，又避免了復(fù)雜的對準(zhǔn)工序，具有工藝簡便、加工精度高、成本低廉、陣列結(jié)構(gòu)一致性好、 重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，對于性能與接觸參數(shù)關(guān)系密切的高密度相變存儲器件制備尤為重耍。
本發(fā)明的制備過程如下首先設(shè)計(jì)"倒塔"型納米級相變存儲單元多階凹孔陣判，并將該多階凹孔陣 列按照凹凸相反的規(guī)則對應(yīng)定義在透明的圃態(tài)面板上，在固態(tài)面板上形成"塔"型多階凸臺陣列；然后在 沉積有絕緣材料；金屬材料、過渡材料、絕緣材料，涂覆有圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)的多層膜基底表面，通過印刻法 將圃態(tài)面板上的多階凸臺陣列一次性定義在圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)層上形成"倒塔"型多階凹孔陣列；接著通過刻 蝕將該多階凹孔陣列再轉(zhuǎn)移到絕緣材料層上，在絕緣材料層上一次性制作出納米級相變存儲單元多階凹孔 陣列，并且可以重復(fù)使用多次成型最后通過多層膜沉積工藝給絕緣材料層上的多階凹孔依次填充一定厚 度的相變材料、過渡材料、金屬材料，從而得到所需的納米級相變存儲單元陣列。
本發(fā)明的具體制備過程是-(O "倒塔"型納米級相變存儲單元多階凹孔結(jié)構(gòu)陣列設(shè)計(jì)在下電極表面的過渡材料層上覆蓋一層 絕緣材料，厚度必須大于多階凸臺結(jié)構(gòu)的總的髙度2nm以上，整個(gè)"倒塔"型多階凹孔結(jié)構(gòu)陣列完全嵌入
在絕緣材料層中(圖l)。所述"倒塔"型是指含有兩層或兩層以上的倒立塔型結(jié)構(gòu)，塔中每一層都是圓柱
體或圓錐體結(jié)構(gòu)；其中塔頂一層是圓錐體形，層高20ra^200nm,錐頂直接與過渡材料相連，錐頂端面積 在i 3000鵬2之間，麟端面積在100nm2以上塔底一層高W0nm~1000mn,底層端面積在4加nm2以上； 中間層高度在20nra 1000nm之間，從塔的頂層到底層橫截面積逐漸增大，即塔中相鄰兩層的接觸端面面 積上一層小于或等于下一層。所述納米級多臺階結(jié)構(gòu)一次性加工成型，
(2) 將所述的多階四孔陣列按照凹凸相反的規(guī)則對應(yīng)定義在透明的國態(tài)面板上，在阇態(tài)面板上形成
"塔"型多階凸臺陣列(圖2),所^r應(yīng)是指固態(tài)面板上凸臺部分與所設(shè)計(jì)的納米級多階凹孔存儲單元結(jié)
構(gòu)凹孔部分凹凸相反，該固態(tài)面板材料透紫外光，表面平整度誤差不超過lOnm,厚度在200nra 20mm之 間，材質(zhì)是石英玻璃、或是聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS)、或是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中任意一 種。多階凸臺陣列是通過電子束光刻法、聚焦離子束刻蝕法、電子束曝光、光學(xué)光刻法、x射線法、母模 轉(zhuǎn)移中任意一種微加工法定義在透明的固態(tài)面板上的。在定義好的固態(tài)面板結(jié)構(gòu)上做表面修飾處理以降低 表面能，表面修飾劑為F基化合物，修飾方法為修飾劑氣相沉積、或液相浸泡、或禽心旋涂，
(3) "倒塔"型多階凹孔陣列一次性成型，在基底表面依次沉積絕緣材料、金屬材料、過渡材料、絕 緣材料，涂覆圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)，通過印刻法將固態(tài)面板上的多階凸臺結(jié)構(gòu)一次性定義在幽形轉(zhuǎn)移介質(zhì)層上形 成"倒塔"型多階凹孔陣列(圖3);接著通過刻蝕轉(zhuǎn)移法將該多階凹孔陣列再轉(zhuǎn)移到絕緣材料層上(圖4),
一定要保證將塔頂刻蝕到過渡材料層上，在絕緣材料層上一次性制作出納米級相變存儲單元多階凹孔陣 列，并且可以重復(fù)印刻多次。所述圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)層厚度及其下面的絕緣材料層厚度必須大于固態(tài)面板上的 多階凸臺結(jié)構(gòu)的總的高度2nm以上。所述絕緣材料是S102、 SINW或具有絕緣功能的化合物中的一種，金 屬材料是A1、 W、 TU Pt、 Ag、 Au、 Cu中的一種，所述過渡材料具有加熱功能，過渡材料是TiN、 Cr或 其體合物中的任意一種，絕緣材料、金屬材料、過渡材料和相變材料成膜厚度均在2nn^500iim范圍內(nèi)。 所述圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)材料是紫外光光敏聚合物中的一種或兩種及以上組合、或參雜(或改性)后的紫外光光 敏聚合物中的一種或兩種及以上組合。
(4)多層膜沉積填充形成相變存儲單元結(jié)構(gòu)，首先采用濺射法向刻蝕好的絕緣材料層上的多階凹孔 沉積相變材料、層厚為10nm 500mn (圖5),然后濺射厚為5nm~100nm的過渡材料層(圖6),最后濺射 厚為10nm 1000nm的頂電極金屬材料層(圉7)。從而得到所需的納米級相變存儲單元陣列，所述相變材 .料是硫系化合物中GeSbTe基、或SiSbTe基、或SbTe基、或GeTe基、或GeSb基中的任意一種，過渡材 料是TfN、 Cr或其化合物中的任意一種，金屬材料是A1、 W、 Ti、 Pt、 Ag、 Au、 Cu中的任意一種。


圖1 "倒塔"型納米級相變存儲單元多階凹孔結(jié)構(gòu)陣列示意圖 圖2闔態(tài)面板上定義的"塔"型多階凸臺陣列示意圖
圖3 圖4 圖5 圖6 圖7
圖中:
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具體實(shí)施例方式
下面通過具伴實(shí)施例進(jìn)一歩闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。但決非限制本發(fā)明，本發(fā)明也決 非僅局限于實(shí)施例， 實(shí)施例一
制備納米級Si2Sb2Te5相變存儲單元，使相變材料和電極材料的接觸面積小于0nm2。 按本發(fā)明提供的方法，具體步驟是-
(1) "倒塔"型納米級相變存儲單元多階凹孔結(jié)構(gòu)陣列設(shè)計(jì)在下電極(Ti)表面的過渡材料(TIN) 層上覆蓋一層絕緣材料(S1NW),厚度200nm,三層"倒塔"型多階凹孔結(jié)構(gòu)陣列完全嵌入在絕緣材料層 中(圖l)。其中塔頂一層是圓錐體形，層高20nm,錐頂直接與過渡材料相連，錐頂端面積6nm2,錐底端 面積100nn :底層和中間層為圓柱體形，塔底一層髙120 nm、端面積400nm2:中間層高50nm、端面積 200ran2。
(2) 多階凹孔陣列按照凹凸相反的規(guī)則通過電子束光刻法對應(yīng)定義在透明的石英玻璃上，形成"塔" .綴多階凸臺陣列(圖2)。表面，度誤差6nm,厚度limn,用CF3CH2CH2SiC!3對面板進(jìn)行氣相沉積修飾。
"塔"型多階凸臺陣列中塔頂一層是圓錐體，層髙20nm,錐頂端面積6nm2,錐底端面積lOtom2;底層和 中間層為圓柱體形，塔底一層髙120nm、端面積400nm 中間層高50nm、端面積200nm2。 (3) "倒塔"型多階凹孔陣列一次性成型，在依次沉積有絕緣材料(SINw)、下電極金屬材料(Ti)、 過渡材料(TW)的基底表面、濺射一層200nm的絕緣材料SIN妙用離心旋涂法覆蓋一層德國AMO公司 AMONE^ns450紫外光刻膠作為面形轉(zhuǎn)移介質(zhì)，厚為200nm,通過紫外印刻法將石英玻璃上的多階凸臺結(jié) 構(gòu)一次性定義在圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)層上，形成"倒塔"型多階凹孔陣列(圖3):接著通過刻蝕轉(zhuǎn)移法將該多階 凹孔陣列再轉(zhuǎn)移到絕緣材料層上(圖4), 一定要保證將塔頂刻蝕到過渡材料層上，這樣就在絕緣材料展上 —次性制作出納米級相變存儲單元多階凹孔陣列，并且可以重復(fù)印刻多次。
(4) 多層豳沉積填充形成相變存儲單元結(jié)構(gòu)，首先采用濺射法向刻蝕好的絕緣材料SW(,)層上的多階 凹孔沉積相變材料Si2Sb2Tes、層厚為20nm (圖5),然后濺射厚為5nm的過渡材料UN層(衝6),最后 濺射厚為l抑nm的頂電極金屬材料Ti層(圖7)。從而得到所需的納米級相變存儲單元陣列，其中相變材 .料Si2SbaTes和過渡材料TJN接觸面積為6nm2,
上述實(shí)施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容，
權(quán)利要求
1、一種納米級相變存儲單元陣列制各方法，其特征在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和一次性成型(1) 首先設(shè)計(jì)“倒塔”型納米級相變存儲單元多階凹孔陣列，并將該多階凹孔陣列按照凹凸相反的規(guī)則對應(yīng)定義在透明的固態(tài)面板上，在固態(tài)面板上形成“塔”型多階凸臺陣列；(2) 然后在沉積有絕緣材料、金屬材料、過渡材料、絕緣材料，涂覆有圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)的多層膜基底表面，通過印刻法將固態(tài)面板上的多階凸臺陣列一次性定義在圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)層上形成“倒塔”型多階凹孔陣列；接著通過刻蝕將該多階凹孔陣列再轉(zhuǎn)移到絕緣材料層上，在絕緣材料層上一次性制作出納米級相變存儲單元多階凹孔陣列，并且可以重復(fù)使用多次成型；(3) 最后通過多層膜沉積工藝給絕緣材料層上的多階凹孔依次填充一定厚度的相變材料、過渡材料、金屬材料，從而得到所需的納米級相變存儲單元陣列。
2、 按權(quán)利要求i所述的納米級相變存儲單元陣列制備方法，其特征在于所述"倒塔"型納米級相變存儲 單元多階凹孔陣列，所述"倒塔"型是指含有兩層或兩層以上的倒立塔型結(jié)構(gòu)，塔中每一層都是畫柱體或 圓錐體結(jié)構(gòu)，其中塔頂一層是圓錐體形，層高20nm~200nm,錐頂直接與過渡材料相連，錐頂端面積在 1~3000鵬2之間，錐底端面積在1000 2以上塔底一層高l加nm~1000mn,底端面積在400ran2以上從 塔的頂層到底層橫截面積逐漸增大，即塔中相鄰兩層的接觸端面面積上一層小于或等于下一層中間層高 度在20nm~1000nm之間，
3、 按權(quán)利要求1所述的納米級相變存儲單元陣列制備方法，其特征在于將該多階凹孔陣列按躐凹凸相反 的規(guī)則對應(yīng)定義在透明的固態(tài)面板上，在固態(tài)面板上形成"塔"型多階凸臺陣列。所述對應(yīng)是指固態(tài)面板 上凸臺部分與所設(shè)計(jì)的納米綴多階凹孔存儲單元結(jié)構(gòu)凹孔部分凹凸相反，該固態(tài)面板材料透紫外光，表面 平整度誤差不超過ltom,厚度在200iim~20mm之間，材質(zhì)是石英玻璃、或是聚二甲基硅翁烷聚合物 (PDMS)、或是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中任意一種。多階凸臺陣列是通過電子束光刻法、聚焦離子 束刻蝕法、電子束曝光、光學(xué)光刻法、x射線法、母模轉(zhuǎn)移中任意一種微加工法定義在透明的固態(tài)面板上 的。在定義好的固態(tài)面板結(jié)構(gòu)上做表面修飾處理以降低表面能，
4、 按權(quán)利要求1所述的納米級相變存儲單元陣列制備方法，其特征在于所述"倒塔"型多階凹孔陣判一 次性成報(bào)?；妆砻嬉来纬练e絕緣材料、金屬材料、過渡材料、絕緣材料，涂覆閣形轉(zhuǎn)移介質(zhì)，通過印刻 法將畫態(tài)面板上的多階凸臺結(jié)構(gòu)一次性定義在圉形轉(zhuǎn)移介質(zhì)層上層上形成"倒塔"繼多階凹孔陣判接著 通過刻蝕法將該多階凹孔陣判再轉(zhuǎn)移到絕緣材料層上，一定要保證刻蝕到加熱材料層上，在絕緣材料層上 —次性制作出納米級相變存儲單元多階凹孔陣列，并且可以重復(fù)印刻多次。所述圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)層厚度及其 下面的絕緣材料層厚度必須大于固態(tài)面板上的多階凸臺結(jié)構(gòu)的總的高度2wn以上。所述絕緣材料是SK)2、 SINw或具有絕緣功能的化合物中的一種，金屬材料是AU W、 Ti、 Pt、 Ag、 Au、 Cu中的一種，所述過渡 材料具有加熱功能，過渡材料是T1N、 Cr或其化合物中的任意一種，絕緣材料、金屬材料、過波材料和相 變材料成膜厚度均在2nm 5加im范圍內(nèi)。所述圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)材料是紫外光光敏聚合物中的一種或兩種及 以上組合、或參雜(或改性)后的紫外光光敏聚合物中的一種或兩種及以上組合。
5、 按權(quán)利要求1所述的納米級相變存儲單元陣列制備方法，其特征在于所述多層膜沉積填充工藝，首先 采用濺射法向刻蝕好的絕緣材料層上的多階凹孔沉積相變材料、層厚為10nm~500nm,然后濺射厚為 Srai^Otem的過波材料層，最后濺射厚為10nm-1000ran的金屬材料層，從而得到所需的納米級相變存儲 單元陣列。所述相變材料是硫系化合物中GeSOTe基、或SiSbTe基、或SbTe基、或GeTe基、或GeSb基 中的任意一種，過渡材料是HN、 Cr或其化合物中的任意一種，金屬材料是A1、 W、 H、 Pt、 Ag、 Au、 Cu中的任意一種，
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米級相變存儲單元陣列制備方法，屬于微納電子技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于一次性制作出“倒塔”型納米級相變存儲單元多階凹孔陣列，塔尖為納米級，然后在“倒塔”內(nèi)分別填充特定的相變材料、過渡材料和電極材料，從而獲得納米級相變存儲單元陣列。本發(fā)明提出的納米級相變存儲單元陣列制備方法能有效減小相變材料與電極材料的接觸面積，工藝簡捷、只需要一次曝光刻蝕，即巧妙地代替了目前相變存儲單元加工中常用的兩次曝光套刻工藝。這種方法既簡化了納米級多層單元結(jié)構(gòu)制備工藝，又解決了納米級相變存儲單元多層結(jié)構(gòu)的套刻問題，加工精度高、成本低，適于產(chǎn)業(yè)化，在低功耗、高密度相變存儲器制備領(lǐng)域具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。
文檔編號H01L21/82GK101364567SQ200710044609
公開日2009年2月11日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者萬永中, 波 劉, 劉彥伯, 周偉民, 宋志棠, 封松林, 李小麗, 鈕曉鳴, 閔國全 申請人:上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心;中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所