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基于自选择腐蚀的水平全限制相变 存储器的制备方法

阅读：362发布：2020-05-18

专利汇可以提供基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出的一种基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，解决了GST填充困难和对化学机械抛光 (CMP)工艺的依赖的难题。处于晶态和非晶态下的GeSbTe 合金在碱性溶液中的腐蚀速率差异超过一个数量级，通过加热电极对GeSbTe合金施加电脉冲能够且仅能够将位于水平对置电极缝隙内的GeSbTe合金材料设置为非晶态。这样通过在碱性溶液中腐蚀适当时间，可以把GeSbTe合金自对准地填充到水平电极缝隙内。工艺简单易行，对要要制备的局限性相变节点没有体积上的限制。本发明对于快速实现小单元功耗、大器件工作可靠性、与现有的CMOS工艺兼容，具有非常好的产业化应用前景。，下面是基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，该方法包括：
步骤1：在衬底(101)上，淀积第一电热绝缘材料层(201)；
步骤2：在第一电热绝缘材料层(201)上，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备水平对置电极层(301)和水平对置电极缝隙(3011)；
步骤3：在第一电热绝缘材料层(201)和水平对置电极层(301)上以及水平对置电极缝隙(3011)内，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备相变材料层(401)；
步骤4：在第一电热绝缘层(201)、水平对置电极层(301)和相变材料层(401)的暴露的上表面，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备第二电热绝缘材料层(202)，钝化相变材料层(401)并暴露出水平对置电极层(301)的电极接触端(3012)；
步骤5：退火并通过电极接触端(3012)对相变材料层(401)施加电脉冲，非晶化位于水平对置电极缝隙(3011)内的相变材料层(401)，并依次湿法腐蚀去除第二电热绝缘材料层(202)，碱性溶液湿法腐蚀仅保留位于水平对置电极缝隙(3011)内的相变材料节点层(4011)；
步骤6：在第一电热绝缘材料层(201)、水平对置电极层(301)和相变材料节点层(4011)暴露的表面上，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备第三电热材料层(203)钝化器件，完成器件制备，其中相变材料层(401)和相变材料节点层(4011)的材料是GeSbTe系列合金。
2.根据权利要求1所述的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，衬底(101)的材料为硅、氮化镓或蓝宝石。
3.根据权利要求2所述的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，其中第一、第二和第三电热绝缘材料层(201)、(202)和(203)的材料是硅的氮氧化合物、氮化物或氧化物中的任意一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，其中第一、第二和第三电热绝缘材料层(201)、(202)和(203)是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。
5.根据权利要求1所述的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，其中水平对置电极层(301)和电极接触端(3012)的材料是钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜或铂金属单质、及其氧化物中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求5所述的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，其中水平对置电极层(301)和电极接触端(3012)的材料是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、原子层沉积法或金属有机物热分解法中的一种或者几种制备。
7.根据权利要求1所述的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，其中相变材料层(401)和相变材料节点层(4011)是通过溅射法、化学气相淀积法或原子层沉积法中的一种或者几种制备。

说明书全文

基于自选择腐蚀的水平全限制相变 存储器的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳技术领域，特别涉及一种基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法。

背景技术

[0002] 相变存储器PCRAM(phase change random access memory)以硫系化合物为存储介质，依靠电流的热效应控制相变材料在晶态(低阻)和非晶态(高阻)之间转化实现信息的写入与擦除，依靠探测存储区域电阻的变化实现信息的读出。PCRAM具有非挥发性，与目前大多数的存储器相比，具有器件尺寸小、功耗低、读取速度快、抗辐照、能实现多级存储以及与现有的CMOS工艺兼容等诸多优点，是最有可能取代目前的FLASH而成为未来主流存储的半导体非挥发存储器之一。

[0003] 目前，PCRAM相变存储器面临的最主要问题是操作电流过大，对驱动电路的要求较高，限制了存储功耗的降低、存储速度的提升和存储密度的提高。PCRAM的量产结构中降低有效相变体积的方法中一类是是制备更小尺寸的纳米插塞电极；另一类方法是制备相变材料限制性结构，通过减小可供于相变的体积减小有效相变体积。本发明提出的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，一方面，利用处于晶态和非晶态下的GeSbTe 合金在碱性溶液中的腐蚀速率差异超过一个数量级的物理规律，可以通过碱性溶液腐蚀去除处于晶态下的GeSbTe合金，从而实现对GeSbTe合金不同物理态对应区域的筛选；另一方面，通过加热电极对相变材料施加电脉冲能够且仅能够将位于水平对置电极缝隙内的GeSbTe合金材料设置为非晶态，并通过碱性溶液湿法腐蚀的筛选，这是自对准的制备工艺，工艺要求低，对要要制备的局限性相变节点没有体积上的限制，简便易行。

[0004] 为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法。

[0005] 本发明公开了一种基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，该方法包括：

[0006] 步骤1：在衬底101上，淀积第一电热绝缘材料层201；

[0007] 步骤2：在第一电热绝缘材料层201上，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备水平对置电极层301和水平对置电极缝隙3011；

[0008] 步骤3：在第一电热绝缘材料层201和水平对置电极层301上以及水平对置电极缝隙3011内，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备相变材料层401；

[0009] 步骤4：在第一电热绝缘层201、水平对置电极层301和相变材料层401的暴露的上表面，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备第二电热绝缘材料层202，钝化相变材料层401并暴露出水平对置电极层301的电极接触端3012；

[0010] 步骤5：退火并通过电极接触端3012对相变材料层401施加电脉冲，非晶化位于水平对置电极缝隙3011内的相变材料层401，并依次湿法腐蚀去除第二电热绝缘材料层202，碱性溶液湿法腐蚀仅保留位于水平对置电极缝隙3011内的相变材料节点层4011；

[0011] 步骤6：在第一电热绝缘材料层201、水平对置电极层301和相变材料节点层4011暴露的表面上，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备第三电热材料层203钝化器件，完成器件制备。

[0012] 一方面，利用处于晶态和非晶态GeSbTe合金在碱性溶液中的腐蚀速率差异超过一个数量级的物理规律，可以通过碱性溶液腐蚀去除处于晶态下的GeSbTe合金，从而实现对GeSbTe合金不同物理态对应区域的筛选；另一方面，通过加热电极对相变材料施加电脉冲能够且仅能够将位于水平对置电极缝隙内的GeSbTe合金材料设置为非晶态，并通过碱性溶液湿法腐蚀的筛选，这是自对准的制备工艺，工艺要求低，对要制备的局限性相变节点没有体积上的限制，简便易行。本发明对于快速实现小单元功耗、大器件工作可靠性、与现有的CMOS工艺兼容，具有非常好的产业化应用前景。附图说明

[0013] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

[0014] 图1是本发明提供的基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法的流程图；

[0015] 图2-7是一种基于图形化衬底的相变存储器的制备方法制备工艺流程示意图。

具体实施方式

[0016] 请参阅图1所示，本发明提供本发明提出的一种基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，解决了GST填充困难和对化学机械抛光(CMP)工艺的依赖的难题。处于晶态和非晶态下的GeSbTe合金在碱性溶液中的腐蚀速率差异超过一个数量级。通过电脉冲能够且仅能够将位于水平对置电极缝隙内的GeSbTe合金材料设置为非晶态。这样通过在碱性溶液中腐蚀适当时间，可以把GeSbTe合金自对准地填充到水平电极缝隙内。

[0017] 本发明提供一种基于自选择腐蚀的水平全限制相变存储器的制备方法，该方法包括：

[0018] 步骤1：在衬底101上，淀积第一电热绝缘材料层201；

[0019] 其中，衬底101的作用在于提供器件制备所需要的物理支撑，其材料可以是硅、氮化镓、蓝宝石、碳化硅或玻璃。

[0020] 其中，第一电热绝缘材料层201的作用在于提供器件工作时需要的电热绝缘环境，优先选择LPCVD法制备的氮化硅和热氧化方法制备的氧化硅，其薄膜特征厚度介于5到500纳米。

[0021] 步骤2：在第一电热绝缘材料层201上，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备水平对置电极层301和水平对置电极缝隙3011；

[0022] 其中，水平对置电极层301的作用在于提供相变过程所需要的电脉冲的控制通道，通过对相变材料加热，诱发相变过程，其薄膜特征厚度介于1到300纳米；

[0023] 其中，水平对置电极缝隙3011的的面积和后续淀积的相变材料层的厚度直接影响到最终可制备出的相变材料节点的体积，水平对置电极缝隙3011的特征边长尺寸介于1到1000纳米。

[0024] 步骤3：在第一电热绝缘材料层201和水平对置电极层301上以及水平对置电极缝隙3011内，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备相变材料层401；

[0025] 步骤4：在第一电热绝缘层201、水平对置电极层301和相变材料层401的暴露的上表面，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备第二电热绝缘材料层202，钝化相变材料层401，并暴露出水平对置电极层301的电极接触端3012；

[0026] 其中，第二电热绝缘材料层202的作用在于钝化相变材料层，为后续的退火工艺和电脉冲非晶化位于水平对置电极缝隙3011内的相变材料层过程做钝化保护，其特征厚度介于1到500纳米。

[0027] 步骤5：退火并通过电极接触端3012对相变材料层401施加电脉冲，非晶化位于水平对置电极缝隙3011内的相变材料层401，并依次湿法腐蚀去除第二电热绝缘材料层202，碱性溶液湿法腐蚀仅保留位于水平对置电极缝隙3011内的相变材料节点层4011；

[0028] 其中，相变材料层在制备后的初始晶态多为非晶态，通过200摄氏度以上的快速退火处理可以将相变材料层统一设置为晶态，晶态下的相变材料易溶于碱性溶液。通过接触电极端3012给相变材料层施加电脉冲，能够且仅能够将位于水平对置电极缝隙内的相变材料设置为非晶态。通过溶液(如HF、BOE)湿法腐蚀先去除第二电热绝缘材料层，暴露出相变材料层，并通过碱性溶液(如TMAH，KOH，NaOH)湿法腐蚀去除处于晶态的相变材料，形成仅处于非晶态的相变材料局限到水平对置电极缝隙内，这是个自对准的制备工艺，操作简单，重复可靠。

[0029] 步骤6：在第一电热绝缘材料层201、水平对置电极层301和相变材料节点层4011暴露的表面上，采用“光刻-薄膜淀积-剥离”的方法制备第三电热材料层203钝化器件，完成器件制备。

[0030] 其中，第三电热材料层203的作用在于对相变材料节点层重新钝化。

[0031] 综上所述，其中，第一、第二和第三电热绝缘材料层201、202和203的材料可以是硅的氮氧化合物、氮化物或氧化物中的任意一种或几种的组合，是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、激光辅助淀积法、原子层淀积法、热氧化法或金属有机物热分解法中的一种制备。

[0032] 其中，水平对置电极层301和电极接触端3012的材料可以是钨、氮化钛、镍、铝、钛、金、银、铜、铂金属单质、及其氧化物中的一种或几种的组合，是通过溅射法、蒸镀法、化学气相淀积法、原子层沉积法、金属有机物热分解法中的一种或者几种制备。

[0033] 其中，相变材料层401和相变材料节点4011的材料可以是GeSbTe系列合金，是通过溅射法、化学气相淀积法、原子层沉积法中的一种或者几种制备。

[0034] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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