專利名稱：用電子束曝光和化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，更確切地說本發明擬通過對介質材料的電子束曝光和刻蝕，對相變材料的化學機械拋光，制作出納米結構的相變存儲器。屬于微納電子加工技術領域。
背景技術：
相變隨機存儲器，是基于S.R.Ovshinsky在20世紀60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)和70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出的硫系化合物薄膜可以應用于相變存儲器(PCRAM)介質的構想基礎上發展起來的。2001年intel公司首次報道了4MB的PCRAM，2004年Samsung公司已經報道了64MB的PCRAM，發展速度已經超過了其他的存儲器。2001年半導體工業協會的Roadmap中PCRAM在Memory中排第二位，到2003年，PCRAM已經上升至第一位，可見其發展的重要性。PCRAM與目前的動態隨機存儲器(DRAM)、閃存(FLASH)相比有明顯的優勢它體積小，驅動電壓低，功耗小，讀寫速度較快，非揮發，制作成本低。相變存儲器不僅是非揮發性存儲器，而且有可能制成多級存儲，并實用于超低溫和高溫環境，抗輻照、抗振動，因此不僅將被廣泛應用到日常的便攜式電子產品，而且在航空航天等領域有巨大的潛在應用。尤其，在便攜式電子產品中它的高速、非揮發性正好彌補了閃存(FLASH)和鐵電存儲器(FeRAM)的不足。Intel公司就曾預言相變存儲器最有可能取代目前的FLASH、DARM和靜態隨機存儲器(SRAM)而成為未來存儲器主流產品和最先成為商用產品器件。目前國際上有Ovonyx、Intel、Sumsung、STMicroelectronics、Hitachi、British Aerospace和IBM等公司在開展PCRAM的研究，目前處于技術完善和可制造性方面的研發工作。上述公司基于現階段IC工藝開發多步SPACER技術，采用對介質層的拋光結合多步刻蝕技術(US6635951)了形成相變材料微接觸區。相變材料硫系化合物難以刻蝕，而且多元化合物梯形化學機械拋光(CMP)研究較少。對于這種情況下，研制相變薄膜材料隨機存儲單元器件就顯得更加迫切，相變存儲器單元器件在納米量級下，有利于可逆相變薄膜材料的快速相變，同時有利于存儲器集成度提高低壓、低功耗和高速。因此相變器件結構的納米量級制備和電學和光學性能的研究顯得由為重要。為了在低壓、低功耗下實現快速相變，提高存儲速度，體現出比現存存儲技術更大的優越性，對相變薄膜材料制備相變存儲單元，制作成二維或三維的納米尺度，與電極構成納米存儲單元顯得尤為重要。本發明的發明人基于相變材料及電極材料的化學機械拋光研究試圖提出一種新的制備方法先采用電子束曝光形成納米孔徑，再分別沉積相變材料和電極材料，最后通過化學機械拋光去除并平坦化，進一步引線互連，從而提出了一種制備新型納電子相變存儲器方法的構思，其特點是結構簡單，制備方便，克服現有技術中存在的不足。

發明內容
本發明目的在于提供一種利用電子束曝光和化學機械拋光工藝制作納電子存儲器的方法。即針對相變存儲器相變區域，提出以電極材料，相變材料的化學機械拋光工藝形成的納米孔內為相變材料的一種相變存儲器的制備方法，使存儲器單元結構簡單，方法易行，且與集成電路工藝完全兼容。
本發明的主要制備工藝依次如下在清洗干凈的襯底材料上熱氧化一層氧化層；沉積過渡層材料與底電極薄膜材料；在底電極薄膜材料上沉積過渡層材料與介質絕緣絕熱層材料；通過電子束曝光在絕緣絕熱介質上形成納米孔；沉積相變材料，填滿納米孔；對相變材料用化學機械拋光進行去除處理和平坦化；在拋光的表面上再沉積絕緣絕熱介質材料，刻蝕出小孔，且小孔與納米孔對應；在小孔中沉積金屬材料形成頂電極；對電極材料用化學機械拋光進行去除處理和平坦化。通過引線引出上電極，形成器件單元或陣列，進行性能測試。
制備工藝見說明書附圖所示，進一步說明如下(1)在清潔硅襯底上，用熱氧化的方法生長一層氧化硅，然后用丙酮超聲，依次在氨水加雙氧水，鹽酸加雙氧水的清洗液中加熱清洗干凈。熱氧化的溫度為900～1100℃，熱氧化生成的SiO2層厚度為400-600nm。
(2)在清洗后的清潔表面上先沉積過渡層，再沉積底電極材料；過渡層材料可以是Ti或其氮化物的一種，底電極薄膜材料可以是W、Pt、Mo、TiW，Ni或Au等金屬合金材料中的任意一種。沉積是用磁控濺射或者等離子增強化學氣相沉積的方法，過渡層厚度為20-40nm，底電極薄膜材料的厚度為80-120nm。
(3)在底電極薄膜材料上沉積過渡層材料，過渡層材料可以是Ti或其氮化物任意一種。在過渡層材料上沉積絕緣絕熱介質，絕緣絕熱介質材料為氧化物或者氮化物中的一種，厚度為400-600nm。在絕緣絕熱介質上通過電子束曝光，曝光后用干法刻蝕，刻蝕出納米孔。所述的納米孔孔徑為40～500nm，電子束曝光是在氧化物或氮化物介質層上用PMMA膠，干法刻蝕的工藝條件是氣體為CF4。射頻功率為70-80W，刻蝕時間為2-5分鐘。
(4)在絕緣絕熱介質和形成的納米孔上沉積相變材料。相變材料為硫系化合物，也可以為具有由于相變而引起電阻大的變化特性的氧化物。硫系化合物GexSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0＜y＜1，x+y＜1；或者為SixSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0＜y＜0.6，x+y＜1。
(5)采用化學機械拋光方法將絕緣絕熱介質上的相變材料去除并平坦化。化學機械拋光工藝所使用的拋光液為納米拋光液，即研磨料的特征尺寸小于100nm，可選擇酸性條件下的納米氧化鋁磨料或堿性條件下的二氧化硅納米研磨料。
(6)在拋光的表面上沉積介質絕緣絕熱層，介質絕緣絕熱層材料為氧化物或者氮化物中的一種如SiO2、Si3N4等。然后在介質絕緣絕熱層上刻蝕出小孔，小孔與納米孔相對應。
(7)在小孔里沉積金屬材料，形成頂電極。頂電極材料可以是W、Pt、Mo、TiW，Ni或Au等金屬合金材料中的任意一種。
(8)在頂電極材料上沉積互連線，連線可以為Al、Cu或者Al-Cu合金材料中的任意一種。
本發明提出的納電子相變存儲器的制備方法的特點在于通過電子束曝光和相變材料的化學機械拋光形成納米孔內為相變材料的存儲器，器件結構簡單，制備方便。


圖1、在襯底上熱氧化一層氧化層；圖2、在氧化層上沉積過渡層和底電極材料；圖3、在底電極上沉積過渡層及絕緣絕熱層，用電子束曝光形成納米孔；圖4、用化學機械拋光去除絕緣絕熱層上的相變材料；圖5、在拋光后的表面上沉積絕緣層介質，采用套刻工藝刻蝕；圖6、沉積頂電極并用化學機械拋光拋光的方法去除表面上的頂電極材料；圖7、沉積互連線，引出器件，測試性能；圖8、所述的實施例中的截面圖；圖9、所述的實施例中的電子束曝光和化學機械拋光之后的單元陣列；圖中1為硅襯底，2為氧化層，3為過渡層，4為底電極，5為過渡層，6為絕緣絕熱介質，7為納米孔，8為填充的相變材料，9為絕緣介質，10為頂電極，11為互連線。
具體實施例方式
實施例納米孔內為相變材料的相變存儲器器件的制備過程具體如下步驟1在清潔的硅襯底上，用熱氧化的方法生長一層500nm的SiO2(圖1)，然后用丙酮超聲，依次在氨水加雙氧水，鹽酸加雙氧水的清洗液中加熱清洗干凈；步驟2在清潔的熱氧化層SiO22之上用磁控濺射方法沉積過渡層3，過渡層為30nm厚的TiN，再用磁控濺射方法沉積100nm厚的底電極薄膜4，材料為W(圖2)；步驟3在W底電極薄膜層上用磁控濺射的方法沉積過渡層5，過渡層的材料為Ti，其厚度為10nm(圖3)；步驟4在過渡層Ti上用等離子增強化學氣相沉積沉的方法沉積絕緣介質層6，厚度為400nm，所述的絕緣絕熱介質層為Si3N4(圖3)；步驟5在Si3N4絕緣絕熱介質層上用PMMA膠進行電子束曝光，再用反應離子干法刻蝕，形成80nm的納米孔7(圖3)；干法刻蝕的條件是氣體是CF4，RF功率為77W，刻蝕時間為3分鐘；步驟6在帶有納米孔的Si3N4的介質層上用磁控濺射的方法沉積相變材料8，相變材料為SiSbTe3，沉積的厚度為450nm，如附圖8所示；步驟7采用化學機械拋光工藝對Si3N4上的SiSbTe3進行去除并平坦化(圖4)拋光液為納米拋光液，研磨料為二氧化硅納米研磨料，pH值為10.5；其電子束曝光和化學機械拋光后的單元陳列如圖9所示；步驟8在拋光的表面Si3N4上用低壓化學氣相沉積的方法沉積絕緣介質9的SiO2。
步驟9在SiO2上干法刻蝕小孔，小孔與納米孔相對應(圖5)；步驟10在小孔里用磁控濺射方法沉積W，形成頂電極10(圖6)；步驟11在頂電極材料上沉積互連線11，互連線為Al(圖7)。
權利要求
1.一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于所述的方法的工藝步驟是(1)在清洗干凈的襯底材料上熱氧化一層氧化層；(2)沉積過渡層材料與底電極薄膜材料；(3)在底電極薄膜材料上沉積過渡層材料與介質絕緣絕熱層材料；(4)通過電子束曝光在絕緣絕熱介質上形成納米孔；(5)沉積相變材料，填滿納米孔；(6)對相變材料用化學機械拋光進行去除處理和平坦化；(7)在拋光的表面上再沉積絕緣絕熱介質材料，刻蝕出小孔，小孔與納米孔對應；(8)小孔中沉積金屬材料，形成頂電極；(9)對電極材料用化學機械拋光進行去除處理和平坦化；(10)頂電極沉積互連線，通過引線引出上電極，形成器件單元或陣列。
2.按權利要求1所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于所述的沉積的過渡層材料為Ti或其氮化物；底電極薄膜材料為W、Pt、Mo、TiW，Ni和Au中的任意一種。
3.按權利要求1或2所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于過渡層或底電極薄膜材料是用磁控濺射或等離子增強化學氣相沉積的方法。
4.按權利要求1或2所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于過渡層厚度20-40nm，底電極薄膜材料厚度80-120nm。
5.按權利要求1所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于所述的絕緣絕熱介質材料為氧化物或氮化物中一種，厚度為400-600nm。
6.按權利要求1所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于納米小孔的形成是在絕緣絕熱介質上先用電子束曝光，曝光后用干法刻蝕，刻蝕出納米孔；納米孔徑大小為40-500nm。
7.按權利要求1所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于納米孔中的沉積的相變材料為硫系化合物GexSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0＜y＜1，x+y＜1；或者為SixSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0＜y＜0.6，x+y＜1；或者為相變而引起電阻大的變化的氧化物材料，通過納米機械拋光去除納米孔徑以外介質層上的相變材料。
8.按權利要求1所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于相變材料的去除所采用的拋光液為納米拋光液，即研磨料的特征尺寸小于100nm，選擇酸性條件下的納米氧化鋁磨料或堿性條件下的二氧化硅納研磨料。
9.按權利要求1所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于在與納米孔對應的小孔中沉積的頂電極材料為W、Pt、Mo、TiW、Ni或Au中任意一種。
10.按權利要求1所述的一種用電子束曝光化學機械拋光工藝制備納電子存儲器的方法，其特征在于沉積的互連線為Al、Cu或Al-Cu合金材料的任意一種。
全文摘要
本發明涉及一種利用電子束曝光和化學機械拋光的工藝制作納電子存儲器的方法。工藝步驟是(1)在清洗干凈的襯底上熱氧化一層氧化層；(2)沉積過渡層與底電極薄膜；(3)再次沉積過渡層與介質絕緣絕熱層；(4)通過電子束曝光在絕緣絕熱介質上形成納米孔；(5)沉積相變材料，填滿納米孔；(6)對相變材料用化學機械拋光進行去除處理和平坦化；(7)再沉積絕緣介質層，刻蝕出小孔，且與納米孔對應；(8)沉積電極；(9)對電極用化學機械拋光進行去除處理和平坦化；(10)通過引線引出上電極，形成器件單元或陣列。方法簡單而且與集成電路工藝完全兼容。
文檔編號H01L45/00GK1866496SQ200610027258
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月2日 優先權日2006年6月2日
發明者宋志棠, 劉奇斌, 張楷亮, 封松林, 陳邦明 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所