专利名称：一种纳米硫系化合物相变存储器的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，属于微电子学中的制造工艺。
背景技术：
存储器主要以速度、功耗、价格、循环寿命和非挥发等指标衡量其水平。目前已有多种半导体存储技术，包括常规的易失性存储技术，如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存储器(DRAM)，和非易失性存储技术，如电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器(FLASH)。虽然这些技术已经可以满足一系列的应用，但目前还没有一种理想的，基于硅材料的半导体工艺，可以用来大量生产出具DRAM的高容量低成本、SRAM的高速度、闪存的数据非易失性、同时可靠性高、操作电压低、功耗有小的存储器。而这些特性，恰恰是3C融合和移动应用类产品所需要的。因此，很多厂商和机构已经开始探索超越目前硅材料半导体工艺的存储技术，同时要求新技术采用的工艺和设备尽量和当前的半导体平面生产工艺兼容。
现在市场上的主流产品是DRAM和FLASH。DRAM具有高容量低成本的特性，但由于其是易失性存储器，在供电电源关闭后数据不能保存，另外DRAM的特征尺寸正在接近极限。FLASH是一种非易失性的存储技术，具有成本低密度大的特点。但是，缺点也很致命擦写耗时、功耗大、抗辐照能力差、循环寿命短、尺寸缩小困难。
目前新一代的存储器发展方向主要有磁阻随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FeRAM)和硫系化合物随机存取存储器(CRAM)等。其中，CRAM被认为最有可能取代目前的FLASH而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件，主要的原因是CRAM在高密度存储上的优势。另外，CRAM还可具有与常规工艺相兼容、抗强震动、抗辐射以及多级存储的特点，其在未来移动通讯、消费类电子产品、工业设备的智能终端、智能移动存储卡、航空航天领域等必将获得广泛的应用。但是目前CRAM存储器的器件尺寸有待进一步缩小，从而进一步降低器件的功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米硫系化合物相变存储器的制备方法。其特征在于通过生长硫系化合物纳米点的方法，提供一种纳米硫系化合物相变存储器的新方法，以降低器件的功率和器件的尺寸。具体的工艺步骤是(1)在(100)取向的硅片上，生长一层SiO2，厚度为100nm～1μm。
(2)在SiO2上面沉积一层电极做底电极，所述的电极为Au、Pt或W的一种。电极的厚度为50～200nm；常用的是W电极。
(3)在电极上面，惰性保护气氛下，均匀生长相变纳米点，所述相变纳米点的直径和高度均为10～100nm；具体地说，相变纳米点的组成为Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb4Te7等中的一种。纳米点的尺寸大小和分布密度可由退火时间、保温时间及气氛种类和大小控制。
(4)再在纳米点上沉积一层相变薄膜，相变薄膜的厚度介于10～100nm之间。
(5)在步骤(4)所述的相变薄膜沉积后，在非氧化性气氛保护下，采用快速热处理方法，将基体加热到400～600℃，保温5～10min，使纳米点的高度变大。
(6)接着在相变薄膜上沉积一层SiO2层，其厚度为100nm～1μm，使器件的结构更加坚固稳定。最后用化学机械抛光(CMP)进行抛光使其平整，并使纳米点的顶端恰好暴露。
(7)在抛光平坦后的SiO2层上，沉积一层电极材料作顶电极，其厚度为50～200nm，然后对其进行掩膜和曝光，使每个纳米点上均有电极覆盖；所述的顶电极为Au、Pt或W中的一种。
在上述工艺步骤中，为使底电极与硅片上的热氧化SiO2层接触良好，可在SiO2层上先生长一层20~50nm的Ti膜，然后再蒸发Au、Pt或W中的一种作电极膜。
在上述工艺步骤中，所述的Ge2Sb2Te5纳米点是先在电极上用热蒸发的方法均匀制备Ge的纳米点，接着降低温度继续采用热蒸发的方法，使纳米点逐渐变成Ge2Sb2Te5纳米点。
在上述工艺步骤中，所述的Sb2Te3纳米点的制备是在底电极上直接用热蒸发方法制备的。
在上述工艺步骤中，采用CMP抛光，使纳米点的顶端正好露出相变薄膜，最后用电子束曝光技术刻蚀顶电极，使每个纳米点分隔开来。
最后施加脉冲信号，并测量其I-V特性，电阻率有较大的变化。
图1生长有SiO2的硅基片图2沉有底电极的氧化硅片图3在电极片均匀生长相变纳米点图4在电极片沉积有相变薄膜图5退火处理后具有较高纳米点的电极片图6沉积SiO2后的电极片图7CMP平坦化后的基底图8沉积顶电极后的基底图中1-SiO2热氧化层；2-底电极；3-硫系化合物纳米点；4-相变薄膜；5-退火后高度变大的纳米点；6-沉积SiO2层后的电极片；7-顶电极。
具体实施例方式
实施例1含Ge2Sb2Te5纳米点的相变存储器的制备，其步骤为步骤1底电极的制备在直径为3英寸的(100)取向的Si片上，用热氧化的方法生长一层1μm厚SiO2(图1)。采用超高真空电子束蒸发或磁控溅射制备W电极。此时，衬底温度是室温，薄膜的生长速率控制在0.1nm/s左右。首先控制电子枪对Ti源蒸发，得到20nm厚的Ti膜，然后用电子枪蒸发W源，得到100nm厚的W膜(图2)。
步骤2Ge2Sb2Te5纳米点的制备在高纯N2的保护气氛下，用热蒸发的方法，先在W底电极上均匀制备Ge的纳米点。接着降低温度，继续采用热蒸发的方法。使Ge纳米点逐渐转变为Ge2Sb2Te5纳米点。相变纳米点的直径和高度均控制在100nm左右(图3)。然后采用磁控溅射法，衬底温度为室温，在纳米点上沉积一层100-150nm厚的Ge2Sb2Te5薄膜(图4)。采用快速热处理炉进行快速热退火处理，在高纯N2(99.99％)的保护气氛下，升温到490~500℃，保温10min。此时，电极上已形成高度较大的纳米点(图5)。
步骤3底电极的制备用磁控溅射的方法，在纳米点上沉积一层SiO2(图6)。接着采用化学机械抛光技术进行抛光，使纳米点的顶端正好露出(图7)。用超高真空电子束蒸发或磁控溅射在上面沉积W电极。用电子束曝光技术刻蚀电极，使每个纳米点分隔开来，且每个Ge2Sb2Te5纳米点上均有电极覆盖(图8)。
实施例2含Sb2Te3纳米点的相变存储器的制备，其步骤为步骤1与实施例1中的(1)相同。
步骤2在高纯Ar(99.99％)的保护气氛下，用热蒸发的方法，先在W底电极上均匀制备Sb2Te3纳米点。相变纳米点的直径和高度均控制在50nm左右。然后采用磁控溅射法，衬底温度为室温，在纳米点上沉积一层50-60nm厚的Sb2Te3薄膜。采用快速热处理炉进行快速热退火处理，在高纯Ar的保护气氛下，升温到560~600℃，保温5min。此时，电极上已形成高度较大的纳米点。
步骤3与实施例1中的(1)相同。
实施例3含Sb2Te3纳米点的相变存储器的制备，其步骤为步骤1与实施例1中的(1)相同。
步骤2在高纯Ar(99.99％)的保护气氛下，用热蒸发的方法，先在W底电极上均匀制备Ge2Sb4Te7纳米点。相变纳米点的直径和高度均控制在20nm左右。然后采用磁控溅射法，衬底温度为室温，在纳米点上沉积一层20-30nm厚的Ge2Sb4Te7薄膜。采用快速热处理炉进行快速热退火处理，在高纯Ar的保护气氛下，升温到570~600℃，保温5min。此时，电极上已形成高度较大的纳米点。
步骤3与实施例1中的(1)相同。
上述实施将有助有理解本发明，但并不限制本发明的内容。
权利要求
1.一种纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于具体工艺步骤依次为(a)在(100)取向的硅片上，生长一层SiO2；(b)在SiO2上面沉积一层电极作底电极；(c)在电极上面，惰性保护气氛下，生长相变纳米点；纳米点的尺寸大小和分布密度可由退火时间、保温时间及气氛种类和大小控制；(d)再在纳米点上沉积一层相变薄膜；(e)在步骤(d)所述的相变薄膜沉积后，在非氧化性气氛保护下，采用热处理方法，使纳米点的高度变大；(f)接着在相变薄膜上再沉积一层SiO2层，且用化学机械抛光进行抛光使其平整，并使纳米点的顶端暴露。(g)在抛光平坦后的SiO2层上，沉积一层电极材料作顶电极，然后对其进行掩膜和曝光，使每个纳米点上均有电极覆盖。
2.按权利要求1纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于在硅基片上生长的SiO2厚度为100nm至1μm。
3.按权利要求1纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于SiO2生长完成后，再在其上沉积的电极为Au、Pt和W中一种；电极的厚度为50至200nm。
4.按权利要求3所述的纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于沉积的电极为W电极。
5.按权利要求1纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于生长的相变纳米点的直径和高度均为10至100nm；相变纳米点的组成为Ge2Sb2Te5、Sb2Te3、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb4Te7中一种。
6.按权利要求1纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于沉积相变薄膜的厚度为10至100nm。
7.按权利要求1纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于相变薄膜沉积之后，退火处理是将基底加热到400至600度之间，保持5-10min，形成高度变大的纳米点。
8.按权利要求1纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于在纳米点上沉积一层SiO2，厚度为100nm～1μm。
9.按权利要求1纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，其特征在于平坦化之后，再在其上沉积一层Au、Pt或W电极；电极的厚度为50至200nm。
全文摘要
本发明涉及一种纳米硫系化合物相变存储器的制备方法，属于微电子领域。本发明的特征在于，在硅基片上，先生长一层SiO
文档编号H01L45/00GK1780012SQ20051003063
公开日2006年5月31日 申请日期2005年10月19日 优先权日2005年10月19日
发明者宋志棠, 马友鹏, 封松林, 陈邦明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所