专利名称：相变存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子制造技术领域，特别涉及一种相变存储器的制作方法，一种采 用无电化学镀方法制备插塞电极的相变存储器制备方法，避免了溅射、电镀、CVD等传统小 孔填充方法的小孔填充质量不好、成本高等缺陷，且采用无电化学镀方法制备插塞电极时 电极层不用敏化活化等前期处理，而是把基材用化学刻蚀或氮气等离子体处理除去表面氧 化层后，直接放入化学镀液中镀，从而简化工艺降低成本。
背景技术：
相变存储器 PRAM (phase change random access memory, PRAM)是一种新兴的半 导体存储器，与目前已有的多种半导体存储技术相比，包括常规的易失性技术和非易失性 技术，具有元件尺寸小、功耗低、可多级存储、循环寿命长、高速读取、抗辐照、耐高低温、抗 电子干扰和制造工艺简单(能和现在的集成电路工艺很好的相匹配)等优点。被认为最有 可能取代目前的SRAM、DRAM和FLASH等当今主流产品而成为未来存储器主流产品和最先成 为商用产品的下一代半导体存储器件。PRAM是以硫系化合物为存储介质，利用电能使相变材料在非晶态(高阻)与晶态 (低阻)之间的相互转换实现信息的写入与擦除，进而实现存储功能的。目前PRAM存在操 作电流过大以至CMOS电路无法很好地起到驱动作用的问题，可采用制备小尺寸插塞电极 的方法，减小GST材料与电极的接触面积，以减小操作电流。这就涉及到纳米尺寸小孔的金 属填充问题。目前，小孔填充的方法，主要有磁控溅射、电镀、CVD等，但是它们或多或少存在一 些不足，比如磁控溅射以及其它溅射方法的小孔填充能力不强，CVD方法成本较高；电镀方 法尽管成本低，但需要首先使用溅射方法制备一层金属种子层，而当小孔孔径缩小到一定 尺度后，溅射制备的金属种子层难以达到均勻覆盖，进而会导致电镀结果不佳。为了克服这 些纳米尺寸金属插塞电极制备的不足，本发明中采用无电化学镀方法制备金属插塞电极。化学镀是一种不同于一般电镀的沉积方法，它主要是利用氧化还原反应使金属离 子被还原而沉积在基板表面.其主要特点有能够在非金属材料、陶瓷材料、高分子材料等 非导体表面沉积，不需要种子层；能够沉积在任何形状的镀件表面，沉积速率均勻，且不受 镀件的形状、尺寸的影响；设备简单低廉，反应条件温和，易于控制，大大降低了产品的成 本。本发明用简单而低成本的无电化学镀方法制备纳米尺寸金属插塞电极，并将其运用于 PRAM器件单元的制备中。一般基板在进行化学镀前要进行敏化活化处理，而本发明作为基板的金属层不用 进行活化敏化等前处理，而是先把基材用化学刻蚀或氮气等离子体处理除去表面薄氧化层 后，直接放入化学镀液中镀，从而简化工艺降低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相变存储器的制作方法——本发明提出了一种采用
3无电化学镀方法制备插塞电极的相变存储器制备方法，且采用无电化学镀方法制备插塞电 极时电极层不用敏化活化等前期处理，而是把基材用化学刻蚀或氮气等离子体处理除去表 面氧化层后，直接放入化学镀液中镀，从而简化工艺降低成本。为达到上述目的，本发明提供一种相变存储器的制作方法，该方法包括步骤1 在衬底上淀积一层第一绝缘材料层；步骤2 在第一绝缘材料层上淀积一层金属层，作为相变存储器的下电极；步骤3 在金属层上制备一层第二绝缘材料层；步骤4 在第二绝缘材料层上采用微纳加工技术制备金属插塞电极的小孔；步骤5 采用无电化学镀的方法在小孔内填充金属作为插塞电极；步骤6 在第二绝缘材料层上淀积一层相变材料；步骤7 在相变材料上淀积一层金属材料，作为相变存储器的上电极；步骤8 在金属材料上淀积一层第三绝缘材料层；步骤9 在第三绝缘材料层上钝化开孔；步骤10 在第三绝缘材料层上和钝化开孔内，再淀积一层金属电极层，完成相变 存储器的制作。其中所述衬底是半导体材料衬底，或者是包括由CMOS、三极管或二极管构成相变 存储器驱动电路的衬底。其中所述衬底上淀积的第一、第二和第三绝缘材料层是二氧化硅或氮化硅；第一、 第二和第三绝缘材料层的制备是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积 法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法或热氧化方法中的任一种。其中所述作为下电极的金属层和金属材料是氮化钽、氮化钨、氮化钛、钨、镍、铝、 钛、铜、银、金或钼中的一种。其中所述金属层和金属材料是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的任一种 制备的。其中所述相变材料层是Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4, Sb2Te3、GeTe, Si2Sb2Te5 或 Sb 具有存 储功能的材料。其中所述金属插塞电极小孔是用光刻和干法刻蚀方法制备的，该小孔的直径小于 200nm。其中所述在金属插塞电极小孔填充的金属是用无电化学镀方法直接镀的镍、铜、 钴、锡、金、银、钼或及其合金材料。本发明提供的这种相变存储器的制作方法，采用薄膜工艺、光刻工艺、无电化学镀 小孔填充等工艺制备了纳米尺寸的金属插塞电极，且采用无电化学镀方法制备插塞电极时 电极层不用敏化活化等前期处理，而是把基材用化学刻蚀或氮气等离子体处理除去表面氧 化层后，直接放入化学镀液中镀，这种插塞电极阵列制备方法的特点在于小孔填充质量 好，成本低，密度高，制备方便，避免了使用溅射、电镀、CVD等技术小孔填充质量不好和成本 高等不足，同时金属层避免了敏化活化前处理，直接镀，方法简单，成本低廉。
为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其
4中图1是本发明提供的相变存储器的制备方法的流程图；图2-图10是相变存储器器件制备方法的结构示意图。
具体实施例方式请参阅图1至图10所示，本发明介绍一种相变存储器的制备方法，包括如下步 骤步骤1 在衬底101上淀积一层第一绝缘材料层102。所述衬底101是半导体材料 衬底硅片，或者是包括由CMOS、三极管或二极管构成相变存储器驱动电路的衬底；所述的 第一绝缘材料层102，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的 至少两种构成的混合物中的任一种；所述在衬底上生长的第一绝缘材料层102，可以是采 用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助 淀积法和热氧化方法中的一种实现的(如图2所示)；所述的第一绝缘材料层102的厚度 为 0-500nm ；步骤2 在第一绝缘材料层102上淀积一层金属层103，作为相变存储器的下电极； 所述作为下电极的金属层103，可以是氮化钽，氮化钨、氮化钛、钨、镍、铝、钛、铜、银、金、钼 或其它金属中的一种；所述金属层103，可以是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的 一种制备的；若衬底为由CMOS、三极管或二极管构成相变存储器驱动电路的衬底，则第一 绝缘材料层102需做出相应孔与驱动电路连接(如图3所示)；所述作为下电极的金属层 103的厚度为0-500nm ；步骤3 在金属层103上制备一层第二绝缘材料层104 ；所述第二绝缘材料层104， 可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合 物中的任一种；所述第二绝缘材料层104，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积 法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的 (如图4所示)；所述第二绝缘材料层104的厚度为0-500nm ；步骤4 在第二绝缘材料层104上采用微纳加工技术制备金属插塞电极的小孔 105 ；所述金属插塞电极的小孔105是用微纳加工技术制备的且小孔直径在200nm以下(如 图5所示)；所述金属插塞电极的小孔105的深度与所述第二绝缘材料层104的厚度相同；步骤5 采用无电化学镀的方法在小孔105内填充金属106作为插塞电极；所述在 金属插塞电极阵列小孔内填充的金属106是镍、铜、钴、锡、金、银、钼等其它贵金属以及合 金材料(如图6所示)；所述在金属插塞电极阵列小孔内填充的金属106的厚度不大于小 孔105的深度；所述的无电化学镀的具体方法为若基材金属表面有薄氧化层，先用化学刻 蚀或氮气等离子体处理除去表面薄氧化层后，放入化学镀液中镀；若基材金属表面没有薄 氧化层，则直接放入化学镀液中镀；镀液温度范围为30-90°C。步骤6 在第二绝缘材料层104上用薄膜淀积工艺淀积一层相变材料层107 ； 所述相变材料层107是具有存储功能的相变材料，如Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Sb2Te3> GeTe, Si2Sb2Te5, Sb等(如图7所示)；所述相变材料层107的厚度为0-500nm ；步骤7 在相变材料层107上淀积一层金属材料108，作为相变存储器的上电极； 所述作为上电极的金属材料108，可以是钨、镍、铝、钛、氮化钛、铜、银、金、钼等金属材料中
5的一种；所述金属材料108，可以是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备的 (如图8所示)；所述作为上电极的金属材料108的厚度为0-500nm ；步骤8 在金属材料108上淀积一层第三绝缘材料层109 ；所述的第三绝缘材料 层109，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成 的混合物中的任一种；所述在衬底上生长的第三绝缘材料层109，可以是采用溅射法、蒸发 法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧 化方法中的一种实现的(如图9所示)；所述的第三绝缘材料层109的厚度为0-500nm ；步骤9 在第三绝缘材料层109上钝化开孔110，在第三绝缘材料层109上和钝化 开孔110内，再淀积一层金属电极层111，完成相变存储器的制作。所述金属电极层111可 以是钨、镍、铝、钛、氮化钛、铜、银、金、钼等金属材料中的一种(如图10所示)。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
一种相变存储器的制作方法，该方法包括步骤1在衬底上淀积一层第一绝缘材料层；步骤2在第一绝缘材料层上淀积一层金属层，作为相变存储器的下电极；步骤3在金属层上制备一层第二绝缘材料层；步骤4在第二绝缘材料层上采用微纳加工技术制备金属插塞电极的小孔；步骤5采用无电化学镀的方法在小孔内填充金属作为插塞电极；步骤6在第二绝缘材料层上淀积一层相变材料；步骤7在相变材料上淀积一层金属材料，作为相变存储器的上电极；步骤8在金属材料上淀积一层第三绝缘材料层；步骤9在第三绝缘材料层上钝化开孔；步骤10在第三绝缘材料层上和钝化开孔内，再淀积一层金属电极层，完成相变存储器的制作。
2.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其中所述衬底是半导体材料衬底， 或者是包括由CMOS、三极管或二极管构成相变存储器驱动电路的衬底。
3.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其中所述衬底上淀积的第一、第二 和第三绝缘材料层是二氧化硅或氮化硅；第一、第二和第三绝缘材料层的制备是采用溅射 法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法 或热氧化方法中的任一种。
4.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其中所述作为下电极的金属层和金 属材料是氮化钽、氮化钨、氮化钛、钨、镍、铝、钛、铜、银、金或钼中的一种。
5.根据权利要求1或4所述的相变存储器的制作方法，其中所述金属层和金属材料是 采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的任一种制备的。
6.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其中所述相变材料层是Ge2Sb2Te5、 Ge1Sb2Te4、Sb2Te3、GeTe、Si2Sb2Te5 或 Sb 具有存储功能的材料。
7.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其中所述金属插塞电极小孔是用光 刻和干法刻蚀方法制备的，该小孔的直径小于200nm。
8.根据权利要求1所述的相变存储器的制作方法，其中所述在金属插塞电极小孔填充 的金属是用无电化学镀方法直接镀的镍、铜、钴、锡、金、银、钼或及其合金材料。
全文摘要
一种相变存储器的制作方法，该方法包括步骤1在衬底上淀积一层第一绝缘材料层；步骤2在第一绝缘材料层上淀积一层金属层，作为相变存储器的下电极；步骤3在金属层上制备一层第二绝缘材料层；步骤4在第二绝缘材料层上采用微纳加工技术制备金属插塞电极的小孔；步骤5采用无电化学镀的方法在小孔内填充金属作为插塞电极；步骤6在第二绝缘材料层上淀积一层相变材料；步骤7在相变材料上淀积一层金属材料，作为相变存储器的上电极；步骤8在金属材料上淀积一层第三绝缘材料层；步骤9在第三绝缘材料层上钝化开孔；步骤10在第三绝缘材料层上和钝化开孔内，再淀积一层金属电极层，完成相变存储器的制作。
文档编号H01L45/00GK101976726SQ20101026308
公开日2011年2月16日 申请日期2010年8月25日 优先权日2010年8月25日
发明者季安, 张加勇, 杨富华, 王晓东, 王晓峰, 程凯芳, 马慧莉 申请人:中国科学院半导体研究所