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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010855149.3 (22)申请日 2020.08.24 (71)申请人 华东师范大学 地址 200062 上海市普陀区中山北路3663 号 (72)发明人 刘成郑勇辉成岩齐瑞娟 黄荣 (74)专利代理机构 北京恒创益佳知识产权代理 事务所(普通合伙) 11556 代理人 付金豹 (51)Int.Cl. H01L 45/00(2006.01) (54)发明名称 一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储 器件制备方法 (57)摘要 本发明公开了一种具有纳米尺寸的钨塞小 电极相。
2、变存储器件制备方法。 选用预加工的填充 有钨塞的氧化硅衬底， 根据氧化硅与钨塞刻蚀的 速率差异， 采用聚焦离子束刻蚀的方法得到具有 更小的纳米尺寸的钨塞小电极钨塞。 采用物理气 相沉积方法在钨塞上层依次沉积相变材料和电 极材料层， 利用聚焦离子束系统在W塞正上方沉 积更小尺寸钨硬掩膜， 采用反应离子刻蚀方法刻 蚀硬掩模周围的的相变材料和电极材料层， 再沉 积介质层包覆整个器件单元， 沉积电极材料最终 形成极小体积的相变存储器件。 本发明在微纳尺 度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和相 应的极小尺寸的相变存储器件， 可用于构建高密 度、 低功耗新型相变存储器件。 权利要求书1页 说明书4页 。
3、附图3页 CN 112002802 A 2020.11.27 CN 112002802 A 1.一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 步骤1： 选用预加工的填充有钨塞的氧化硅衬底， 根据氧化硅与钨塞刻蚀的速率差异， 刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅， 在钨塞顶端刻蚀出一个上小下大的圆台形尖端， 形成纳米 尺寸的钨塞小电极(1)； 步骤2： 沉积SiOx绝缘层(2)填充所述钨塞小电极(1)周围被刻蚀的区域至高出所述钨 塞小电极(1)； 步骤3： 抛光钨塞小电极(1)周围区域， 去除钨塞小电极周围多余的SiOx绝缘层(2)得到 平整的表面， 使得钨塞小电极1。
4、顶端与SiOx绝缘层(2)表面平齐； 步骤4： 在所述钨塞小电极(1)上方依次沉积相变材料(3)和电极层(4)； 步骤5： 在所述的钨塞小电极(1)正上方沉积钨柱硬掩膜(5)； 步骤6： 刻蚀钨柱硬掩膜(5)周围多余的相变材料(3)和TiNx电极材料(4)露出SiOx绝缘 层(2)， 形成纳米尺寸的相变存储器件； 步骤7： 沉积一圆台形的SiOx包覆层(6)， 完全包覆所述相变存储器件； 步骤8： 刻蚀掉钨柱硬掩模(5)表面的SiOx包覆层(6)， 直至刚好露出钨柱硬掩膜(5)， 形 成清洁的表面； 步骤9： 在所述钨柱硬掩模(5)周围分别依次沉积TiNx顶部电极(7)和钨顶部电极(8)， 将。
5、SiOx包覆层(6)、 SiOx绝缘层(2)全部包覆在内。 2.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤1中， 采用聚焦离子束刻蚀的 方法刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅， 钨塞直径为100-200纳米。 3.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤1中， 圆台形尖端的顶部直径 小于50纳米， 大于钨柱硬掩模(5)的直径。 4.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤2中， 采用物理气相沉积或者 化学气相沉积的方式沉积SiOx绝缘层(2)。 5.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤2中， SiOx绝缘层(2)的厚度 为100-300纳米。 。
6、6.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤3中， 采用化学机械抛光技术 抛光钨塞小电极(1)周围区域。 7.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤4中， 采用物理气相沉积的方 法在所述钨塞小电极(1)上方依次沉积厚度为5-100纳米的Ge2Sb2Te5相变材料(3)和厚度为 5-200纳米的TiN电极层(4)。 8.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤5中， 采用聚焦离子束沉积技 术， 在所述的钨塞小电极(1)正上方沉积厚度为10-100纳米、 直径为5-100纳米的钨柱硬掩 膜(5)。 9.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步。
7、骤6中， 采用反应离子刻蚀技 术， 刻蚀钨柱硬掩膜(5)周围多余的相变材料(3)和TiNx电极材料(4)露出SiOx绝缘层(2)。 10.根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤7中， 采用聚焦离子束沉积 技术， 沉积一层高度为10-300纳米的圆台形的SiOx包覆层(6)。 权利要求书 1/1 页 2 CN 112002802 A 2 一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法 技术领域 0001 本发明属于半导体器件加工领域， 涉及一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储 器件制备方法。 背景技术 0002 相变存储器(Phase Change Random Access 。
8、Memory,PCRAM)因其非易失性、 循环 寿命高、 微缩性好、 与现有的标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS)工艺完美兼容等特点， 是下一代非易失性存储器最有竞争力的候选 者之一， 在存储技术领域受到广泛的关注。 自从1968年S.R.Ovshinsky首次提出具有可逆相 变特性的硫系化合物合金以来， 相关公司和研究机构就已开展对相变存储技术的研究， 但 受限于早期集成电路技术和半导体加工工艺， 相变存储技术发展较缓慢。 随着半导体加工 工艺的日渐成熟， 尺寸节点也从几百纳米突破到几十纳米， 传统的存储器件在。
9、实现集成化、 小型化的实践中面临着尺寸微缩下物理机制失效的严峻挑战， 而相变存储材料具有很好的 可微缩性， 因此基于相变存储材料开发出具有纳米量级存储器件， 达到4F2存储单元尺寸具 有重要的应用价值和意义。 我们从垂直结构的PCRAM出发， 从两方面来实现具有纳米量级的 相变存储器件。 A.Pirovano等人证明在垂直结构的PCRAM中， 操作电流随着接触面积的减小 而降低， 实现了相变存储器件更低功耗的特性。 首先， 采用聚焦离子束(Focus Ion Beam, FIB)技术利用电磁透镜将聚焦离子束经过偏转和聚焦， 形成尺寸极小的锥形离子束轰击到 材料表面， 实现剥离、 切割、 沉积、。
10、 注入和改性等目的， 随着纳米尺度制造业的迅猛发展， 聚 焦离子束的纳米加工能力使其成为纳米制造业的核心， 配合扫描电镜等高倍数电子显微镜 实时监控， 成为纳米量级分析和制造的主要方法， 我们将已预加工的填充有钨塞的氧化硅 衬底在FIB中进行刻蚀， 根据金属钨与氧化硅的刻蚀速率的不同， 在钨塞顶端刻蚀出一个纳 米量级的小尺寸尖端， 减小加热电极的尺寸， 缩小了相变材料与电极的接触面积。 其次， 随 着集成电路对高集成密度、 小特征尺寸的需求， 刻蚀技术是解决特征尺寸的核心技术之一， 我们采用干法刻蚀中的反应离子刻蚀(Reactive Ion Etch,RIE)技术,充分发挥其各项异 性、 高选。
11、择比、 均一性等优点， 刻蚀W塞周围多余的相变存储材料层， 形成极小尺寸的相变存 储器件， 有望实现4F2存储单元尺寸， 实现高密度集成、 降低操作电流、 提高耐久性。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种纳米量级的钨塞小电极相变存储器件制备方法， 通过先 进的聚焦离子束的微区加工能力和反应离子刻蚀技术各项异性、 高选择比等优点， 在微纳 尺度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和相应的极小尺寸的相变存储器件， 可用于 构建高密度、 低功耗新型相变存储器件。 0004 实现本发明目的的具体技术方案： 0005 一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方法， 包括以下步骤： 0006 。
12、步骤1： 选用预加工的填充有钨塞的氧化硅衬底， 根据氧化硅与钨塞刻蚀的速率差 说明书 1/4 页 3 CN 112002802 A 3 异， 刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅， 由于金属钨较氧化硅的刻蚀速率慢， 在钨塞顶端刻蚀出 一个上小下大的圆台形尖端， 形成纳米尺寸的钨塞小电极1； 0007 步骤2： 沉积SiOx绝缘层2填充所述钨塞小电极1周围被刻蚀的区域至高出所述钨 塞小电极1； 0008 步骤3： 抛光钨塞小电极1周围区域， 去除钨塞小电极周围多余的SiOx绝缘层2得到 平整的表面， 使得钨塞小电极1顶端与SiOx绝缘层2表面平齐； 0009 步骤4： 在所述钨塞小电极1上方依次沉积相变材。
13、料3和电极层4； 0010 步骤5： 在所述的钨塞小电极1正上方沉积钨柱硬掩膜5； 0011 步骤6： 刻蚀钨柱硬掩膜5周围多余的相变材料3和TiNx电极材料4露出SiOx绝缘层 2， 形成纳米尺寸的相变存储器件； 0012 步骤7： 沉积一圆台形的SiOx包覆层6， 完全包覆所述相变存储器件； 0013 步骤8： 刻蚀掉钨柱硬掩模5表面的SiOx包覆层6， 直至刚好露出钨柱硬掩膜5， 形成 清洁的表面； 0014 步骤9： 在所述钨柱硬掩模5周围分别依次沉积TiNx顶部电极7和钨顶部电极8， 将 SiOx包覆层6、 SiOx绝缘层2全部包覆在内。 0015 所述的制备方法， 所述步骤1中， 。
14、采用聚焦离子束刻蚀的方法刻蚀钨塞及其周围处 的氧化硅， 钨塞直径为100-200纳米。 0016 所述的制备方法， 所述步骤1中， 圆台形尖端的顶部直径小于50纳米， 大于钨柱硬 掩模5的直径。 0017 所述的制备方法， 所述步骤2中， 采用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式沉积 SiOx绝缘层2。 0018 所述的制备方法， 所述步骤2中， SiOx绝缘层2的厚度为100-300纳米。 0019 所述的制备方法， 所述步骤3中， 采用化学机械抛光技术抛光钨塞小电极1周围区 域。 0020 所述的制备方法， 所述步骤4中， 采用物理气相沉积的方法在所述钨塞小电极1上 方依次沉积厚度为5-10。
15、0纳米的Ge2Sb2Te5相变材料3和厚度为5-200纳米的TiN电极层4。 0021 所述的制备方法， 所述步骤5中， 采用聚焦离子束沉积技术， 在所述的钨塞小电极1 正上方沉积厚度为10-100纳米、 直径为5-100纳米的钨柱硬掩膜5。 0022 所述的制备方法， 所述步骤6中， 采用反应离子刻蚀技术， 刻蚀钨柱硬掩膜5周围多 余的相变材料3和TiNx电极材料4露出SiOx绝缘层2。 0023 根据权利要求1所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤7中， 采用聚焦离子束沉积 技术， 沉积一层高度为10-300纳米的圆台形的SiOx包覆层6。 0024 所述的制备方法， 所述步骤8中， 采。
16、用聚焦离子束刻蚀技术， 刻蚀掉钨柱硬掩模5表 面的SiOx包覆层6。 0025 所述的制备方法， 所述步骤9中， 采用电子束蒸发的工艺， 在所述钨柱硬掩模5周围 分别依次沉积厚度为20纳米的TiNx顶部电极7和厚度为30纳米的钨顶部电极8， 将SiOx包覆 层6、 SiOx绝缘层2全部包覆在内。 0026 所述的制备方法， 所述步骤4中， 所述相变材料3为Ge2Sb2Te5、 Sb2Te3、 GeTe、 Sb2Te 中的一种或至少两种混合或叠加， 厚度5-100纳米。 说明书 2/4 页 4 CN 112002802 A 4 0027 所述的制备方法， 所述步骤4中， 所述电极层4的材料为Ti。
17、Nx、 Al、 W、 Pt、 中的一种， 厚度为5-200纳米。 0028 本发明得到的有益效果是： 采用先进的聚焦离子束的微区加工能力和反应离子刻 蚀技术各项异性、 高选择比等优点， 在微纳尺度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和 相应的纳米尺寸的相变存储器件， 可用于构建高密度、 低功耗新型相变存储器件。 附图说明 0029 图1为本发明填充有直径为180纳米的钨塞的氧化硅衬底； 0030 图2-图10分别为步骤1-9对应的示意图； 0031 1-钨塞小电极 0032 2-SiOx绝缘层 0033 3-Ge2Sb2Te5相变材料 0034 4-TiNx电极层 0035 5-钨柱硬掩模 0。
18、036 6-SiOx包覆层 0037 7-TiNx顶部电极 0038 8-钨顶部电极 具体实施方式 0039 以下结合具体实施例， 对本发明进行详细说明。 0040 参阅图1-图10， 本发明提出一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备方 法， 包括以下步骤： 0041 步骤1： 选用预加工的填充有直径为180纳米的钨塞的氧化硅衬底(图1中黑色区域 为钨塞)， 采用聚焦离子束刻蚀的方法， 刻蚀钨塞及其周围处的氧化硅， 由于金属钨较氧化 硅的刻蚀速率慢， 在钨塞顶端刻蚀出一个顶部直径小于50纳米(例如本实施例为35纳米， 略 大于钨柱硬掩膜5的直径)的上小下大的圆台形尖端， 形成纳米尺寸的钨。
19、塞小电极1(图2)； 0042 步骤2： 如图3所示， 采用物理气相沉积或者化学气相沉积的方式， 沉积厚度为200 纳米的SiOx绝缘层2填充所述钨塞小电极1周围被刻蚀的区域至高出所述钨塞小电极1； 0043 步骤3： 如图4所示， 采用化学机械抛光技术抛光钨塞小电极1周围区域， 去除钨塞 小电极周围多余的SiOx绝缘层2得到平整的表面， 使得钨塞小电极1顶端与SiOx绝缘层2表 面平齐。 0044 步骤4： 如图5所示， 采用物理气相沉积的方法在所述钨塞小电极1上方依次沉积厚 度为40纳米的Ge2Sb2Te5相变材料3和厚度为15纳米的TiN电极层4； 0045 步骤5： 如图6所示， 采用。
20、聚焦离子束沉积技术， 在所述的钨塞小电极1正上方沉积 厚度为40纳米、 直径为30纳米的钨柱硬掩膜5； 0046 步骤6： 如图7所示， 采用反应离子刻蚀技术， 刻蚀钨柱硬掩膜5周围多余的相变材 料3和TiNx电极材料4露出SiOx绝缘层2， 形成纳米尺寸的相变存储器件； 0047 步骤7： 如图8所示， 采用聚焦离子束沉积技术， 沉积一层高度为120纳米的圆台形 的SiOx包覆层6， 完全包覆所述相变存储器件； 说明书 3/4 页 5 CN 112002802 A 5 0048 步骤8： 如图9所示， 采用聚焦离子束刻蚀技术， 刻蚀掉钨柱硬掩模5表面的SiOx包 覆层6， 直至刚好露出钨柱硬。
21、掩膜5， 形成清洁的表面； 0049 步骤9： 如图10所示， 采用电子束蒸发的工艺， 在所述钨柱硬掩模5周围分别依次沉 积厚度为20纳米的TiNx顶部电极7和厚度为30纳米的钨顶部电极8， 将SiOx包覆层6、 SiOx绝 缘层2全部包覆在内； 0050 综上所述， 本实施例中提出了一种具有纳米尺寸的钨塞小电极相变存储器件制备 方法。 采用先进的聚焦离子束的微区加工能力和反应离子刻蚀技术各项异性、 高选择比等 优点， 在微纳尺度上精细加工出具有纳米量级直径的W电极和相应的纳米尺寸的相变存储 器件， 可用于构建高密度、 低功耗新型相变存储器件。 0051 应当理解的是， 对本领域普通技术人员来说， 可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 112002802 A 6 图1 图2 图3 图4 说明书附图 1/3 页 7 CN 112002802 A 7 图5 图6 图7 说明书附图 2/3 页 8 CN 112002802 A 8 图8 图9 图10 说明书附图 3/3 页 9 CN 112002802 A 9 。