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制备相变存储器的方法

阅读：471发布：2021-02-26

IPRDB可以提供制备相变存储器的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明揭示了一种制备相变存储器的方法，包括：制备底层介质层的步骤；制备底层电极的步骤；制备标记图形的步骤；制备标记保护层的步骤；制备相变材料的步骤；制备刻蚀相变材料掩膜的步骤：利用自组装有序排列的聚苯乙烯微球做掩膜刻蚀相变材料；制备相变材料结构的步骤；基片平坦化处理步骤；顶层电极的引出步骤；顶层氧化硅沉积步骤。利用本发明中的自组装方式实现掩模时不受设备的限制，同时掩模面积也可以做到尽可能大，而且掩模的制备效率相对传统的方法要高的多。本发明相变存储器的制备方法有助于制备新型的高密度低功耗相变存储器，促进存储器的发展。，下面是制备相变存储器的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种制备相变存储器的方法，其特征在于，包括如下步骤：制备底层介质层的步骤；

制备底层电极的步骤；

制备标记图形的步骤；

制备标记保护层的步骤；

制备相变材料的步骤；

制备刻蚀相变材料掩膜的步骤：利用自组装有序排列的微球做掩膜刻蚀相变材料；

制备相变材料结构的步骤；

基片平坦化处理步骤；

顶层电极的引出步骤；

顶层氧化硅沉积步骤。

2、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：在制备底层介质层的步骤之前还包括清洗硅片步骤：将硅片放入第一溶液中煮沸3-10分钟，冷却，去离子水冲洗1-5分钟，而后用氮气吹干；其中，所述第一溶液为氨水、双氧水、去离子水的混合液，氨水、双氧水、去离子水的比例为1：2：5；

将硅片放入第二溶液中煮沸3-10分钟，冷却，去离子水冲洗1-5分钟，而后用氮气吹干；其中，所述第二溶液为盐酸、双氧水、去离子水的混合液，盐酸、双氧水、去离子水的比例为1：2：5；

清洗硅片后，将硅片于100℃-200℃的烘箱中烘烤10min-60min去除表面的水分。

3、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：所述制备底层介质层的步骤中，在硅片表面利用化学气相沉积的方法制备一层SixN介质层，其厚度控制为300～500nm。

4、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：所述制备对准标记图形的步骤中，使用电子束曝光结合反应离子刻蚀的方法完成；标记层材料使用金属钨；电子束曝光时使用负性抗蚀剂。

5、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：所述制备刻蚀相变材料掩膜的步骤中，利用自组装有序单层排列的聚苯乙烯微球经氧气刻蚀减小微球体积后完成；

微球的尺寸控制为100nm以下，工艺实施中不间断利用扫描电子显微镜观测微球表面确定其尺寸大小。

6、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：所述制备相变材料结构的步骤中，使用反应离子刻蚀完成，刻蚀时确保相变材料层无掩膜保护的区域材料完全被去除，之后沉积氧化硅介质层。

7、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：残余的聚苯乙烯微球以及微球上沉积的氧化硅的去除使用化学机械抛光工艺完成；

抛光深度的控制以完全去除残余的微球为准；

工艺操作过程中间断性地通过扫描电子显微镜观测表面情况来判定。

8、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：顶层电极的引出步骤中，利用聚焦离子束沉积铂材料完成，电极的线宽控制为100nm以下。

9、根据权利要求1所述的制备相变存储器的方法，其特征在于：顶层绝热保护层氧化硅的沉积利用离子束沉积法完成。

10、一种制备相变存储器的方法，其特征在于：该方法包括刻蚀相变材料掩膜的制备步骤：利用自组装有序单层排列的微球做掩膜刻蚀相变材料、经氧气刻蚀减小微球体积后完成。

说明书全文

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及一种制备相变存储器的方法，尤其涉及一种高密度有序自组装微球作为掩膜、结合化学机械抛光制备相变存储器的方法。

背景技术

相变存储器的基本概念最初是Ovshinsky在1968年提出的[，是基于相变材料的可逆相变，利用其非晶态时的半导体高阻特性与多晶态时的低阻特性实现存储的技术。新型相变材料与器件制备工艺的发展经历了非常漫长的过程，在七、八十年代受材料与器件研究及加工水平的限制，原型器件的功耗与速度无法与常规半导体存储技术相比拟，不能实现与CM0S工艺和功能的集成，因而没有引起国际上的重点关注。九十年代以来，相变材料及其光学可逆转变特性的研究取得重大突破，在相变光存储应用方面得到飞速发展，可擦写HD-DVD相变光盘已实现产业化，取得了巨大的商业价值。随着集成电路技术的发展，特别是光刻等微纳加工技术水平的迅速提高，利用纳米尺度相变材料的电阻特性实现非挥发的存储技术引起了工业界的重视。2001年，Intel公布了容量为4Mb的PCRAM试验芯片，其性能表明，当器件特征尺寸进入纳米量级，PCRAM体现出比SRAM、DRAM和FLASH 等商用化存储技术以及FERAM和MRAM等新型存储技术更优越的综合存储性能，被认为是固态存储技术继FLASH后的重大突破，在国际上掀起了PCRAM存储技术的研究热潮。
在微纳加工及半导体工业中，光刻技术是整个工艺流程的核心，光刻极限尺寸决定了整个半导体器件的性能以及相应的集成度。在光刻技术进入45nm及以下尺寸时，大面积区域的光刻受到限制，同时系统集成度的提高也难以解决。基于此需寻找一种简单有效的方法来作为45nm尺寸以下器件的掩膜技术。当前以单分散胶体微球有序组装为基础的微纳米结构新材料已成为先进材料家族中的一枝新秀。尤其是近十年来随着光子晶体技术的发展，由胶体微球组装的三维有序周期结构已成为研究可见光和近红外光波段光子晶体的最便捷形式。有序组装的胶粒晶体潜在应用领域十分广泛，可以用来制作生物、化学、光传感器，光滤波器和光开关等，此外亚微米胶粒晶体的晶格常数和可见光、近红外光波长可比，因此可以用来制作可见和近红外波段的光子晶体。通过实验我们发现，氧气对聚苯乙烯(PS)微球的刻蚀速率很快，而半导体工艺中使用的其他气体如SF6、CHF3、 CF4等气体对PS微球的刻蚀速率很慢。因此可以将自组装后形成的PS微球薄膜作为掩膜用于对下层材料的刻蚀。
在半导体工业中，集成度遵循摩尔定律和按比例缩小原理，以每隔3年芯片的集成度翻两番，特征尺寸缩小1/3的速度发展。在微电子工艺中，其表面粗糙度和表面平整度成为影响集成电路刻蚀线宽的重要因素之一。目前，由于器件尺寸的缩小、光学光刻设备焦深的减小，要求基片表面平整度达到纳米级。 1991年IBM首次将化学机械抛光技术成功应用到64Mb DRAM的生产中，之后各种逻辑电路和存储器以不同的发展规模走向CMP，CMP将纳米粒子的研磨作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来，满足了特征尺寸在0.35μm以下的全局平面化要求。经CMP工艺处理过的基片可以达到其他任何平面化加工工艺所不能达到的表面平整度。目前，化学机械抛光技术已成为公认的标准全局平面化技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高密度有序自组装微球作为掩膜、结合化学机械抛光制备相变存储器的方法，有助于制备新型的高密度低功耗相变存储器，促进存储器的发展。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种制备相变存储器的方法，包括如下步骤：制备底层介质层的步骤；制备底层电极的步骤；制备标记图形的步骤；制备标记保护层的步骤；制备相变材料的步骤；制备刻蚀相变材料掩膜的步骤：利用自组装有序排列的聚苯乙烯微球做掩膜刻蚀相变材料；制备相变材料结构的步骤；基片平坦化处理步骤；顶层电极的引出步骤；顶层氧化硅沉积步骤。
作为本发明的一种优选方案，在制备底层介质层的步骤之前还包括清洗硅片步骤：将硅片放入第一溶液中煮沸3-10分钟，冷却，去离子水冲洗1-5分钟，而后用氮气吹干；其中，所述第一溶液为氨水、双氧水、去离子水的混合液，氨水:双氧水:去离子水＝1:2:5；将硅片放入第二溶液中煮沸3-10分钟，冷却，去离子水冲洗1-5分钟，而后用氮气吹干；其中，所述第二溶液为盐酸、双氧水、去离子水的混合液，盐酸:双氧水:去离子水＝1:2:5；清洗硅片后，将硅片于100℃-200℃的烘箱中烘烤10min-60min去除表面的水分。
作为本发明的一种优选方案，制备底层介质层的步骤中，在硅片表面利用化学气相沉积的方法制备一层SixN介质层，其厚度控制为300～500nm；下层电极为Al层/Ti层/TiN层，其厚度控制为150nm/100nm/50nm；对准标记层钨材料的厚度控制为200nm；相变材料层的厚度控制为100nm；自组装排列后的微球掩膜尺寸控制为100nm以下；氧化硅介质层的厚度控制为100nm；聚焦离子束引出电极的线宽控制为100nm以下；顶层绝热保护层氧化硅的厚度控制为200nm。
作为本发明的一种优选方案，对准标记图形的制备使用电子束曝光结合反应离子刻蚀的方法完成；标记层材料使用金属钨，标记层材料厚度控制为200nm；电子束曝光时使用负性抗蚀剂，抗蚀剂厚度控制为150nm。
作为本发明的一种优选方案，刻蚀相变材料的掩膜制备方法是利用自组装有序单层排列的聚苯乙烯微球经氧气刻蚀减小微球体积后完成；微球的尺寸控制为 100nm以下，工艺实施中不间断利用扫描电子显微镜观测微球表面确定其尺寸大小。
作为本发明的一种优选方案，相变材料结构的制备使用反应离子刻蚀完成，刻蚀时确保相变材料层无掩膜保护的区域材料完全被去除，之后沉积100nm的氧化硅介质层。
作为本发明的一种优选方案，残余的聚苯乙烯微球以及微球上沉积的氧化硅的去除使用化学机械抛光工艺完成；抛光深度的控制以完全去除残余的微球为准；工艺操作过程中间断性地通过扫描电子显微镜观测表面情况来判定。
作为本发明的一种优选方案，顶层电极的引出利用聚焦离子束沉积铂材料完成，电极的线宽控制为100nm以下，电极材料的厚度为100nm。
作为本发明的一种优选方案，顶层绝热保护层氧化硅的沉积利用离子束沉积法完成，氧化硅的厚度控制为200nm。
一种制备相变存储器的方法，该方法包括刻蚀相变材料掩膜的制备步骤：利用自组装有序单层排列的聚苯乙烯微球做掩膜刻蚀相变材料、经氧气刻蚀减小微球体积后完成。
本发明的有益效果在于：
本发明中涉及的自组装掩模的实现方法与半导体工艺中传统的掩模方法有较大的改进。
首先，传统的光刻掩模的实现涉及繁多的工艺，同时掩模质量受到光刻设备性能的限制，其掩模尺寸的大小也受到约束。利用本发明中的自组装方式实现掩模时不受设备的限制，同时掩模面积也可以做到尽可能大，而且掩模的制备效率相对传统的方法要高的多。
其次，自组装掩模的实现对基底的平坦度要求很低，制备过程中掩模可以随着基底的形貌而起伏，不会对掩模的精度造成影响。传统的光刻对基底的平坦化程度要求很高，尤其是电子束光刻时，由于电子束的焦深很浅通常在电子束曝光前需使用化学机械抛光的方法对基底进行平坦化处理，于工艺上实现较繁琐。
第三，自组装实现掩模后，掩模尺寸可以根据需要利用氧气刻蚀的方法实现，工艺上实现较为简单，可以很容易的实现50nm以下的大面积的掩模制备；传统的光刻技术现在很难做到50nm以下的大面积掩模的制备。
第四，掩模成本方面，自组装掩模的成本极低，与光刻成本相比较几乎可以忽略不计。
第五，掩模去除平坦化基底处理时，自组装微球掩模由于与衬底的接触面积较小，附着力不大，故很容易去除，尤其是微球掩模上溅射材料后的基底平坦化处理更容易实现。
本发明相变存储器的制备方法有助于制备新型的高密度低功耗相变存储器，促进存储器的发展。

附图说明

图1为步骤2后相变存储器的结构示意图。
图2为步骤3后相变存储器的结构示意图。
图3A为沉积钨且电子束曝光后相变存储器的侧视图。
图3B为图3A的俯视图。
图3C为标记层材料刻蚀后相变存储器的侧视图。
图3D为图3C的俯视图。
图4为步骤5后相变存储器的结构示意图。
图5为步骤6后相变存储器的结构示意图。
图6为步骤7后相变存储器的结构示意图。
图7为步骤8后相变存储器的结构示意图。
图8为步骤9后相变存储器的结构示意图。
图9为步骤10后相变存储器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图1-图9，本发明揭示了一种高密度有序自组装微球作为掩膜、结合化学机械抛光制备相变存储器的方法，具体包括如下步骤：
【步骤1】硅片衬底清洗。
将硅片放入1#液(氨水、双氧水、去离子水的混合物，氨水:双氧水:去离子水＝1:2:5)中煮沸5分钟，冷却，去离子水冲洗3分钟，然后氮气吹干。主要作用：去除硅表面的油污和大颗粒。
将硅片放入2#液(盐酸、双氧水、去离子水的混合物，盐酸:双氧水:去离子水＝1:2:5)中清洗，方法同上述1#液的清洗方法；主要作用是去除硅片表面的金属离子。
将硅片于120℃的烘箱中烘烤30min去除表面的水分。
【步骤2】底层介质层的制备。
利用化学气相沉积的方法在前述处理干净的硅片上沉积一层厚度为300～ 500nm的SixN(如图1所示)。
【步骤3】底层电极的制备。
利用磁控溅射的方法形成底层电极Al/Ti/TiN，其相应的厚度控制为 150nm/100nm/50nm(如图2所示)。
【步骤4】标记图形的制备。
利用磁控溅射的方法沉积厚度为200nm的金属钨作为标记层材料。旋涂负性抗蚀剂SU8，抗蚀剂厚度控制为150nm；利用电子束曝光制作标记图形，经反应离子刻蚀转移标记图形于金属钨材料上，刻蚀深度控制为200nm(如图3A-3D所示)。
【步骤5】制备标记保护层。
为确保刻蚀相变材料时不对标记图形造成影响，需将标记图形上制备一层保护层。本文中利用紫外曝光负性光刻胶，使得标记图形上保留一层光刻胶从而达到保护标记图形的目的，光刻胶厚度控制为300nm(如图4所示)。
【步骤6】相变材料的制备。
利用磁控溅射的方法沉积相变材料，厚度控制为100nm(如图5所示)。
【步骤7】刻蚀相变材料掩膜的制备。利用自组装有序单层排列的聚苯乙烯微球经氧气刻蚀减小微球体积后完成。微球的尺寸控制为100nm以下，工艺实施中可以不间断利用扫描电子显微镜观测微球表面确定其尺寸大小(如图6所示)。
【步骤8】相变材料结构的制备。
相变材料单元的制备利用反应离子刻蚀完成，刻蚀时确保相变材料层无掩膜保护的区域材料完全被去除，之后沉积100nm的氧化硅介质层(如图7所示)。
【步骤9】基片平坦化处理。
平坦化主要去除刻蚀后残余的聚苯乙烯微球以及沉积于微球上的氧化硅，此项工艺本文中利用化学机械抛光法完成。抛光深度的控制以完全去除残余的微球为准。工艺操作过程中可间断性地通过扫描电子显微镜观测表面情况来判定(如图8所示)。
【步骤10】顶层电极的引出。
顶层电极的沉积利用聚焦离子束沉积铂材料完成。电极的线宽控制为100nm 以下，电极材料的厚度为100nm(如图9所示)。
【步骤11】顶层氧化硅沉积。
顶层绝热保护层氧化硅的沉积利用离子束沉积法完成。氧化硅的厚度控制为 200nm。
综上所述，本发明中涉及的自组装掩模的实现方法与半导体工艺中传统的掩模方法有较大的改进。
首先，传统的光刻掩模的实现涉及繁多的工艺，同时掩模质量受到光刻设备性能的限制，其掩模尺寸的大小也受到约束。利用本发明中的自组装方式实现掩模时不受设备的限制，同时掩模面积也可以做到尽可能大，而且掩模的制备效率相对传统的方法要高的多。
其次，自组装掩模的实现对基底的平坦度要求很低，制备过程中掩模可以随着基底的形貌而起伏，不会对掩模的精度造成影响。传统的光刻对基底的平坦化程度要求很高，尤其是电子束光刻时，由于电子束的焦深很浅通常在电子束曝光前需使用化学机械抛光的方法对基底进行平坦化处理，于工艺上实现较繁琐。
第三，自组装实现掩模后，掩模尺寸可以根据需要利用氧气刻蚀的方法实现，工艺上实现较为简单，可以很容易的实现50nm以下的大面积的掩模制备；传统的光刻技术现在很难做到50nm以下的大面积掩模的制备。
第四，掩模成本方面，自组装掩模的成本极低，与光刻成本相比较几乎可以忽略不计。
第五，掩模去除平坦化基底处理时，自组装微球掩模由于与衬底的接触面积较小，附着力不大，故很容易去除，尤其是微球掩模上溅射材料后的基底平坦化处理更容易实现。
本发明相变存储器的制备方法有助于制备新型的高密度低功耗相变存储器，促进存储器的发展。
实施例二
本实施例中，上述高密度有序自组装微球作为掩膜、结合化学机械抛光制备相变存储器的方法包括如下步骤：
1、在(100)取向的硅片上面，应用化学气相沉积的方法首先制备一层SixN 介质层，其厚度控制为300～500nm；
2、然后使用磁控溅射的方法沉积300nm厚的Al/Ti/TiN，各层相应厚度为 150nm/100nm/50nm，作为底层电极材料，于底层电极材料上磁控溅射200nm厚的金属钨作为标记层材料；
3、利用电子束光刻结合反应离子刻蚀形成标记图形，作为后续光刻对准的基础；
4、利用紫外光刻法于标记材料上形成一层光刻胶图形用以保护对准图形在相变材料的刻蚀中不受影响；
5、于底层电极材料上利用磁控溅射的方法沉积厚度为100nm的相变材料，之后自组装均匀有序地排列一层聚苯乙烯微球作为刻蚀相变材料的掩膜；
6、在刻蚀相变材料前首先使用氧气将微球体积减小，此项目的是为了使得相变材料刻蚀后形成的单元之间都是相对独立的，互不影响；
7、利用反应离子(RIE)刻蚀相变材料形成独立的阵列单元，其单元尺寸控制为100nm以下；
8、相变材料刻蚀完成之后，依次使用四氯化碳试剂、丙酮试剂、乙醇试剂、去离子水，在弱超声环境中清洗样品5分钟，然后100℃烘箱中将样品烘干，而后使用离子束沉积法制备100nm厚度的氧化硅作为介质层；
9、利用化学机械抛光法去除相变材料层以上的部分，包括刻蚀后残余的微球掩膜以及微球上沉积的氧化硅介质层；
10、利用聚焦离子束引出上层电极，上层电极引出之后，离子束沉积法溅射厚度为200nm的氧化硅作为绝热保护层。
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。
如，刻蚀相变材料掩膜的制备步骤中，可以利用除聚苯乙烯微球之外的其他微球做掩膜刻蚀相变材料，只要其尺寸符合要求即可。

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