專利名稱：用硅濕法刻蝕和鍵合工藝制備相變存儲器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相變存儲器的制作方法，確切地說涉及一種濕法刻蝕和低溫鍵合工藝制備相變存儲器的方法。屬于微電子學(xué)中的微電子工藝。
背景技術(shù)：
相變薄膜材料隨機(jī)存儲器(PRAM)與目前的動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)、閃存(FLASH)相比有明顯的優(yōu)勢它體積小，驅(qū)動電壓低，功耗小，讀寫速度較快，非揮發(fā)。相變存儲器不僅是非揮發(fā)性存儲器，而且有可能制成多級存儲，并實(shí)用于超低溫和高溫環(huán)境，抗輻照、抗振動，因此不僅將被廣泛應(yīng)用到日常的便攜式電子產(chǎn)品，而且在航空航天等領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用。尤其，在便攜式電子產(chǎn)品中它的高速、非揮發(fā)性正好彌補(bǔ)了閃存(FLASH)和鐵電存儲器(FeRAM)的不足。Intel公司就曾預(yù)言相變存儲器將取代FLASH、DARM和靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)芯片將很快進(jìn)入市場。國際半導(dǎo)體聯(lián)合會在它2001年的路線圖中，同樣把相變存儲器預(yù)測為可以最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的存儲器之一。這種情況下，研制相變薄膜材料隨機(jī)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(jié)構(gòu)的納米量級制備和電學(xué)和光學(xué)性能的研究顯得由為重要。
為了在低壓、低功耗下實(shí)現(xiàn)快速相變，提高存儲速度，體現(xiàn)出比現(xiàn)存存儲技術(shù)更大的優(yōu)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(gòu)成納米存儲單元顯得尤為重要。當(dāng)今半導(dǎo)體的工藝技術(shù)為0.09，0.13和0.18μm?，F(xiàn)采用光學(xué)曝光和刻蝕的技術(shù)，制備納電子器件難度較大，成本較高。采用間隔圖形工藝(spacer)雖可以制備出二維或三維的納米尺度的器件，但從二維到三維需經(jīng)過較復(fù)雜的制備工藝。從刻蝕選擇比在1∶100左右的結(jié)構(gòu)納米材料制備，并通過多次的曝光、刻蝕和拋光工藝才可實(shí)現(xiàn)，而且每步工藝都具有一定的難度。因此存在成本高、工藝周期長、優(yōu)化工藝等不利因素。采用電子束曝光，通過離子束刻蝕，可以實(shí)現(xiàn)二維或三維的納米結(jié)構(gòu)。但針對不同的材料，光刻膠的選擇及厚度的選擇需大量的實(shí)驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)，加工出的納米結(jié)構(gòu)器件的誤差控制就顯得非常的重要。通過成熟的硅刻蝕工藝，控制熱氧化時間，來實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)來制備相變存儲器單元器件，有望探索出一條低成本實(shí)現(xiàn)相變存儲器的制備途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用硅濕法刻蝕和低溫鍵合工藝制作相變存儲器，旨在克服相變存儲器的其他制作工藝的高成本和制作過程的復(fù)雜性，尋找性能優(yōu)越且成熟的單晶硅濕法刻蝕工藝，用硅濕法刻蝕工藝，通過控制時間來控制器件的尺寸，同時利用干氧氧化，通過控制時間，從而控制氧化層的厚度，使微米量級的尺寸變成納米量級的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明是涉及用低溫鍵合和硅濕法刻蝕工藝來制作相變隨機(jī)存儲器(PCRAM)。其工藝步驟為(1)清洗氧化硅片，依次沉積20～50nm Ti或TiN和100nm的Pt或Au。(2)將(100)硅片清洗干凈，然后再與步驟(1)中的Pt或Au鍵合，再將鍵合之后的(100)硅片進(jìn)行減薄和拋光。(3)在拋光后的硅片上熱氧化出SiO2，在SiO2上光刻成圖形然后刻蝕掉圖形下SiO2。(4)用刻蝕液對(100)硅片刻蝕，形成V型結(jié)構(gòu)。(5)對形成的V型干氧氧化。(6)沉積相變材料，用化學(xué)機(jī)械拋光去除V型結(jié)構(gòu)以外的相變材料。(7)再次光刻，沉積頂電極。
所述的步驟(1)中的氧化硅片為熱氧化硅片，熱氧化條件為800～1000℃，生成的氧化層為300～500nm。Ti或者TiN，Pt或Au用磁控濺射沉積。沉積Pt或Au在步驟(4)中抗腐蝕，在步驟(5)中抗氧化。
所述的步驟(2)中的硅片為(100)硅片。(100)硅片先用減薄機(jī)減薄，然后用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光。減薄機(jī)的型號為英國Logtech公司的PM5，化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)為CETR CP-4。首先用減薄機(jī)硬砂輪把硅片快速減薄到100～150um左右，然后用軟砂輪繼續(xù)減薄到5～10um，最后用化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行減薄拋光到400～600nm?；瘜W(xué)機(jī)械拋光所用的拋光液的組成是1～10wt％二氧化硅磨料，0.05～0.5wt％活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，0.1～1wt％抗蝕劑并苯三唑(BTA)，PH為9～12，余量為去離子水。
所述的步驟(3)中熱氧化的SiO2的厚度400～800nm，用濕法刻蝕液刻蝕SiO2，濕法刻蝕液是HF，NH4F和H2O，其摩爾比為3∶6∶10，刻蝕時間為3～5分鐘。用于做工藝步驟(4)的掩模。
所述的步驟(4)中的硅刻蝕液為KOH，其濃度為20～60wt％，溫度為20～60℃。由于刻蝕液在<100>晶向的刻蝕速率比<111>晶向快100倍，形成與表面成54.7°角的V型圖形，通過刻蝕時間來控制V型圖形的刻蝕深度。V型的斜坡有利于磁控濺射薄膜的沉積。
所述的步驟(5)中的對刻蝕后的硅氧化，形成的氧化硅介質(zhì)層，起到了器件直接絕熱的作用。同時可以通過氧化時間來控制厚度，可以使孔變小，達(dá)到納米尺寸，其尺寸范圍為50～500nm。
所述的步驟(6)中的沉積相變材料為硫系化合物GexSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0≤y≤1且x+y＜1；或者為SixSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0≤y≤0.6，且x+y＜1；或者為由于相變而引起電阻大的變化的氧化物材料。通過納米機(jī)械拋光去除納米孔徑以外介質(zhì)層上的相變材料。
所述的步驟(7)中的頂電極是鎢，鉬或鈦中的一種材料。所沉積的頂電極的厚度為100～500nm。
由此可見，本發(fā)明提供的相變存儲器的制作是將硅濕法刻蝕和低溫鍵合工藝相結(jié)合，在微米級的加工工藝條件下，實(shí)現(xiàn)了納米相變存儲器的單元器件的制作，測試結(jié)果表明，單元器件的閾值電壓達(dá)到了可逆相變的要求。


圖1、本發(fā)明提供的一種制作相變存儲器工藝流程。
圖2為圖1工藝流程中沉積底電極示意圖。
圖3為圖1工藝流程中低溫鍵合及鍵合層減薄和拋光示意圖。
圖4為圖1工藝流程中熱氧化SiO2刻蝕出圖形結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為圖1工藝流程中形成V型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為圖1工藝流程中對形成的V型干氧氧化示意圖。
圖7為圖1工藝流程中沉積相變材料并拋光示意圖。
圖8為圖1工藝流程中沉積頂電極示意圖。
圖9為實(shí)施實(shí)例中硅濕法刻蝕情況。
圖中1、硅襯底；2、氧化硅；3、TiN；4、Pt；5、<100>硅；6、相變材料；7、頂電極材料。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例的介紹，以進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。
實(shí)施例1、本發(fā)明提供的相變隨機(jī)存儲器的制作工藝如圖1所示。具體步驟描述如下步驟1、清洗氧化硅片，用磁控濺射依次沉積30nm TiN和100nm的Pt(圖2)；步驟2、將(100)硅片清洗干凈，然后再與步驟(1)中的Pt鍵合，再將鍵合之后的(100)硅片進(jìn)行背面減薄和拋光。拋光用的拋光液為自制拋光液，拋光液的組成為5wt％二氧化硅磨料，1wt％活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，0.5wt％抗蝕劑并苯三唑(BTA)，PH為11，余量為去離子水(圖3)；步驟3、在拋光后的硅片上熱氧化出SiO2，在SiO2上光刻成圖形然后刻蝕掉圖形下SiO2(圖4)；
步驟4、用刻蝕液對(100)硅片刻蝕，形成V型結(jié)構(gòu)(圖5)。由于有斜坡的存在，有利于薄膜的濺射沉積?？涛g液的濃度為50Wt％，刻蝕時間為30min，刻蝕效果如附圖9；步驟5、對刻蝕后的樣品在氧化爐中進(jìn)行干氧氧化(圖6)；步驟6、沉積相變材料GexSbyTe(1-x-y)，(式中0≤x≤0-5，0≤y≤1，x+y＜1；或SixSbyTe(1-x-y)，式中0≤x≤0.8，0≤y≤0.6且x+y＜1材料，用化學(xué)機(jī)械拋光的方法去除上面的多余的相變材料?；瘜W(xué)機(jī)械拋光拋光中所用的拋光液組成為4wt％二氧化硅磨料，0.5wt％活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，0.5wt％抗蝕劑并苯三唑(BTA)，拋光液的余量為去離子水，PH為10(圖7)；步驟7、再次光刻，沉積頂電極W(圖8)。
權(quán)利要求
1.一種用硅濕法刻蝕和健合工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于制作的工藝步驟為(1)清洗氧化硅片，依次沉積20～50nm Ti或TiN和100nm的Pt或Au；(2)將硅片清洗干凈，然后再與步驟(1)中的Pt或Au鍵合，再將鍵合之后的(100)硅片先進(jìn)行減薄，然后化學(xué)機(jī)械拋光；(3)在拋光后的硅片上熱氧化出SiO2，在SiO2上光刻成圖形然后刻蝕掉圖形下SiO2；(4)用刻蝕液對(100)硅片刻蝕，形成V型結(jié)構(gòu)；(5)對形成的V型干氧氧化；(6)沉積相變材料，用化學(xué)機(jī)械拋光去除V型結(jié)構(gòu)以外的相變材料；(7)再次光刻，沉積頂電極。
2.按權(quán)利要求1所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于所述的步驟(1)中的氧化硅片為熱氧化硅片，熱氧化條件為800～1000℃，生成的氧化層為300～500nm。Ti或者TiN，Pt或Au用磁控濺射沉積。
3.按權(quán)利要求1所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于所述的步驟(2)中的硅片為(100)硅片，所使用的減薄機(jī)的型號為英國Logtech公司的PM5，化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)為CETR CP-4；具體是首先用減薄機(jī)硬砂輪把硅片快速減薄到100～150um左右，然后用軟砂輪繼續(xù)減薄到5～10um，最后用化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行減薄拋光到400～600nm。
4.按權(quán)利要求1或3所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于化學(xué)機(jī)械拋光所用的拋光液的組成是1～10wt％二氧化硅磨料，0.05～0.5wt％活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚，0.1～1wt％抗蝕劑為并苯三唑，余量為去離子水，化學(xué)拋光液PH為9～12。
5.按權(quán)利要求1所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于所述的步驟(3)中熱氧化的SiO2的厚度400～800nm，用濕法刻蝕液刻蝕SiO2，濕法刻蝕液由HF，NH4F和H2O組成，其摩爾比為3∶6∶10，刻蝕時間為3～5分鐘。
6.按權(quán)利要求1所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于所述的步驟(4)中的硅刻蝕液為KOH，其濃度為20～60wt％，溫度為20～60℃，形成與表面成54.7°角的V型圖形，V型的斜坡有利于磁控濺射薄膜的沉積。
7.按權(quán)利要求1所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于所述的步驟(5)中的對刻蝕后的硅氧化，形成的氧化硅介質(zhì)層，起到了器件直接絕熱的作用；同時通過氧化時間來控制厚度，其尺寸范圍為50～500nm。
8.按權(quán)利要求1所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征在于所述的步驟(6)中的沉積相變材料為硫系化合物GexSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0≤y≤1且x+y＜1；或者為SixSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0≤y≤0.6且x+y＜1；或者為由于相變而引起電阻大的變化的氧化物材料。
9.按權(quán)利要求1所述的用硅濕法刻蝕和工藝制作相變隨機(jī)存儲器的方法，其特征所述的步驟(7)中的項(xiàng)電極是鎢，鉬和鈦中的一種，所沉積的頂電極的厚度為100～500nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用低溫鍵合和硅濕法刻蝕工藝制作相變隨機(jī)存儲器，其工藝步驟為(1)清洗氧化硅片，依次沉積30nm Ti或TiN，100nm的Pt或Au。(2)將(100)硅片清洗干凈，然后再與步驟(1)中的Pt或Au鍵合，再將鍵合之后的(100)硅片進(jìn)行減薄和拋光。(3)在硅片上熱氧化出SiO
文檔編號H01L21/00GK1858922SQ200610027008
公開日2006年11月8日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者宋志棠, 劉奇斌, 封松林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所