专利名称：用硅湿法刻蚀和键合工艺制备相变存储器的方法
技术领域：
本发明涉及一种相变存储器的制作方法，确切地说涉及一种湿法刻蚀和低温键合工艺制备相变存储器的方法。属于微电子学中的微电子工艺。
背景技术：
相变薄膜材料随机存储器(PRAM)与目前的动态随机存储器(DRAM)、闪存(FLASH)相比有明显的优势它体积小，驱动电压低，功耗小，读写速度较快，非挥发。相变存储器不仅是非挥发性存储器，而且有可能制成多级存储，并实用于超低温和高温环境，抗辐照、抗振动，因此不仅将被广泛应用到日常的便携式电子产品，而且在航空航天等领域有巨大的潜在应用。尤其，在便携式电子产品中它的高速、非挥发性正好弥补了闪存(FLASH)和铁电存储器(FeRAM)的不足。Intel公司就曾预言相变存储器将取代FLASH、DARM和静态随机存储器(SRAM)芯片将很快进入市场。国际半导体联合会在它2001年的路线图中，同样把相变存储器预测为可以最先实现商业化的存储器之一。这种情况下，研制相变薄膜材料随机存储单元器件就显得更加迫切，相变存储器单元器件在纳米量级下，有利于可逆相变薄膜材料的快速相变，同时有利于存储器集成度提高低压、低功耗和高速。因此相变器件结构的纳米量级制备和电学和光学性能的研究显得由为重要。
为了在低压、低功耗下实现快速相变，提高存储速度，体现出比现存存储技术更大的优越性，对相变薄膜材料制备相变存储单元，制作成二维或三维的纳米尺度，与电极构成纳米存储单元显得尤为重要。当今半导体的工艺技术为0.09，0.13和0.18μm。现采用光学曝光和刻蚀的技术，制备纳电子器件难度较大，成本较高。采用间隔图形工艺(spacer)虽可以制备出二维或三维的纳米尺度的器件，但从二维到三维需经过较复杂的制备工艺。从刻蚀选择比在1∶100左右的结构纳米材料制备，并通过多次的曝光、刻蚀和抛光工艺才可实现，而且每步工艺都具有一定的难度。因此存在成本高、工艺周期长、优化工艺等不利因素。采用电子束曝光，通过离子束刻蚀，可以实现二维或三维的纳米结构。但针对不同的材料，光刻胶的选择及厚度的选择需大量的实验才能实现，加工出的纳米结构器件的误差控制就显得非常的重要。通过成熟的硅刻蚀工艺，控制热氧化时间，来实现纳米结构来制备相变存储器单元器件，有望探索出一条低成本实现相变存储器的制备途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用硅湿法刻蚀和低温键合工艺制作相变存储器，旨在克服相变存储器的其他制作工艺的高成本和制作过程的复杂性，寻找性能优越且成熟的单晶硅湿法刻蚀工艺，用硅湿法刻蚀工艺，通过控制时间来控制器件的尺寸，同时利用干氧氧化，通过控制时间，从而控制氧化层的厚度，使微米量级的尺寸变成纳米量级的结构。
本发明是涉及用低温键合和硅湿法刻蚀工艺来制作相变随机存储器(PCRAM)。其工艺步骤为(1)清洗氧化硅片，依次沉积20～50nm Ti或TiN和100nm的Pt或Au。(2)将(100)硅片清洗干净，然后再与步骤(1)中的Pt或Au键合，再将键合之后的(100)硅片进行减薄和抛光。(3)在抛光后的硅片上热氧化出SiO2，在SiO2上光刻成图形然后刻蚀掉图形下SiO2。(4)用刻蚀液对(100)硅片刻蚀，形成V型结构。(5)对形成的V型干氧氧化。(6)沉积相变材料，用化学机械抛光去除V型结构以外的相变材料。(7)再次光刻，沉积顶电极。
所述的步骤(1)中的氧化硅片为热氧化硅片，热氧化条件为800～1000℃，生成的氧化层为300～500nm。Ti或者TiN，Pt或Au用磁控溅射沉积。沉积Pt或Au在步骤(4)中抗腐蚀，在步骤(5)中抗氧化。
所述的步骤(2)中的硅片为(100)硅片。(100)硅片先用减薄机减薄，然后用化学机械抛光的方法进行抛光。减薄机的型号为英国Logtech公司的PM5，化学机械抛光机为CETR CP-4。首先用减薄机硬砂轮把硅片快速减薄到100～150um左右，然后用软砂轮继续减薄到5～10um，最后用化学机械抛光进行减薄抛光到400～600nm。化学机械抛光所用的抛光液的组成是1～10wt％二氧化硅磨料，0.05～0.5wt％活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，0.1～1wt％抗蚀剂并苯三唑(BTA)，PH为9～12，余量为去离子水。
所述的步骤(3)中热氧化的SiO2的厚度400～800nm，用湿法刻蚀液刻蚀SiO2，湿法刻蚀液是HF，NH4F和H2O，其摩尔比为3∶6∶10，刻蚀时间为3～5分钟。用于做工艺步骤(4)的掩模。
所述的步骤(4)中的硅刻蚀液为KOH，其浓度为20～60wt％，温度为20～60℃。由于刻蚀液在<100>晶向的刻蚀速率比<111>晶向快100倍，形成与表面成54.7°角的V型图形，通过刻蚀时间来控制V型图形的刻蚀深度。V型的斜坡有利于磁控溅射薄膜的沉积。
所述的步骤(5)中的对刻蚀后的硅氧化，形成的氧化硅介质层，起到了器件直接绝热的作用。同时可以通过氧化时间来控制厚度，可以使孔变小，达到纳米尺寸，其尺寸范围为50～500nm。
所述的步骤(6)中的沉积相变材料为硫系化合物GexSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0≤y≤1且x+y＜1；或者为SixSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0≤y≤0.6，且x+y＜1；或者为由于相变而引起电阻大的变化的氧化物材料。通过纳米机械抛光去除纳米孔径以外介质层上的相变材料。
所述的步骤(7)中的顶电极是钨，钼或钛中的一种材料。所沉积的顶电极的厚度为100～500nm。
由此可见，本发明提供的相变存储器的制作是将硅湿法刻蚀和低温键合工艺相结合，在微米级的加工工艺条件下，实现了纳米相变存储器的单元器件的制作，测试结果表明，单元器件的阈值电压达到了可逆相变的要求。
图1、本发明提供的一种制作相变存储器工艺流程。
图2为图1工艺流程中沉积底电极示意图。
图3为图1工艺流程中低温键合及键合层减薄和抛光示意图。
图4为图1工艺流程中热氧化SiO2刻蚀出图形结构示意图。
图5为图1工艺流程中形成V型结构示意图。
图6为图1工艺流程中对形成的V型干氧氧化示意图。
图7为图1工艺流程中沉积相变材料并抛光示意图。
图8为图1工艺流程中沉积顶电极示意图。
图9为实施实例中硅湿法刻蚀情况。
图中1、硅衬底；2、氧化硅；3、TiN；4、Pt；5、<100>硅；6、相变材料；7、顶电极材料。
具体实施例方式
下面通过具体实施例的介绍，以进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步。
实施例1、本发明提供的相变随机存储器的制作工艺如图1所示。具体步骤描述如下步骤1、清洗氧化硅片，用磁控溅射依次沉积30nm TiN和100nm的Pt(图2)；步骤2、将(100)硅片清洗干净，然后再与步骤(1)中的Pt键合，再将键合之后的(100)硅片进行背面减薄和抛光。抛光用的抛光液为自制抛光液，抛光液的组成为5wt％二氧化硅磨料，1wt％活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，0.5wt％抗蚀剂并苯三唑(BTA)，PH为11，余量为去离子水(图3)；步骤3、在抛光后的硅片上热氧化出SiO2，在SiO2上光刻成图形然后刻蚀掉图形下SiO2(图4)；
步骤4、用刻蚀液对(100)硅片刻蚀，形成V型结构(图5)。由于有斜坡的存在，有利于薄膜的溅射沉积。刻蚀液的浓度为50Wt％，刻蚀时间为30min，刻蚀效果如附图9；步骤5、对刻蚀后的样品在氧化炉中进行干氧氧化(图6)；步骤6、沉积相变材料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，用化学机械抛光的方法去除上面的多余的相变材料。化学机械抛光抛光中所用的抛光液组成为4wt％二氧化硅磨料，0.5wt％活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，0.5wt％抗蚀剂并苯三唑(BTA)，抛光液的余量为去离子水，PH为10(图7)；步骤7、再次光刻，沉积顶电极W(图8)。
权利要求
1.一种用硅湿法刻蚀和健合工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于制作的工艺步骤为(1)清洗氧化硅片，依次沉积20～50nm Ti或TiN和100nm的Pt或Au；(2)将硅片清洗干净，然后再与步骤(1)中的Pt或Au键合，再将键合之后的(100)硅片先进行减薄，然后化学机械抛光；(3)在抛光后的硅片上热氧化出SiO2，在SiO2上光刻成图形然后刻蚀掉图形下SiO2；(4)用刻蚀液对(100)硅片刻蚀，形成V型结构；(5)对形成的V型干氧氧化；(6)沉积相变材料，用化学机械抛光去除V型结构以外的相变材料；(7)再次光刻，沉积顶电极。
2.按权利要求1所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于所述的步骤(1)中的氧化硅片为热氧化硅片，热氧化条件为800～1000℃，生成的氧化层为300～500nm。Ti或者TiN，Pt或Au用磁控溅射沉积。
3.按权利要求1所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于所述的步骤(2)中的硅片为(100)硅片，所使用的减薄机的型号为英国Logtech公司的PM5，化学机械抛光机为CETR CP-4；具体是首先用减薄机硬砂轮把硅片快速减薄到100～150um左右，然后用软砂轮继续减薄到5～10um，最后用化学机械抛光进行减薄抛光到400～600nm。
4.按权利要求1或3所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于化学机械抛光所用的抛光液的组成是1～10wt％二氧化硅磨料，0.05～0.5wt％活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，0.1～1wt％抗蚀剂为并苯三唑，余量为去离子水，化学抛光液PH为9～12。
5.按权利要求1所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于所述的步骤(3)中热氧化的SiO2的厚度400～800nm，用湿法刻蚀液刻蚀SiO2，湿法刻蚀液由HF，NH4F和H2O组成，其摩尔比为3∶6∶10，刻蚀时间为3～5分钟。
6.按权利要求1所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于所述的步骤(4)中的硅刻蚀液为KOH，其浓度为20～60wt％，温度为20～60℃，形成与表面成54.7°角的V型图形，V型的斜坡有利于磁控溅射薄膜的沉积。
7.按权利要求1所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于所述的步骤(5)中的对刻蚀后的硅氧化，形成的氧化硅介质层，起到了器件直接绝热的作用；同时通过氧化时间来控制厚度，其尺寸范围为50～500nm。
8.按权利要求1所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征在于所述的步骤(6)中的沉积相变材料为硫系化合物GexSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.5，0≤y≤1且x+y＜1；或者为SixSbyTe(1-x-y)，其中0≤x≤0.8，0≤y≤0.6且x+y＜1；或者为由于相变而引起电阻大的变化的氧化物材料。
9.按权利要求1所述的用硅湿法刻蚀和工艺制作相变随机存储器的方法，其特征所述的步骤(7)中的项电极是钨，钼和钛中的一种，所沉积的顶电极的厚度为100～500nm。
全文摘要
本发明涉及一种用低温键合和硅湿法刻蚀工艺制作相变随机存储器，其工艺步骤为(1)清洗氧化硅片，依次沉积30nm Ti或TiN，100nm的Pt或Au。(2)将(100)硅片清洗干净，然后再与步骤(1)中的Pt或Au键合，再将键合之后的(100)硅片进行减薄和抛光。(3)在硅片上热氧化出SiO
文档编号H01L21/00GK1858922SQ200610027008
公开日2006年11月8日 申请日期2006年5月26日 优先权日2006年5月26日
发明者宋志棠, 刘奇斌, 封松林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所