一种纳电子相变存储器的制备方法.pdf

本发明涉及一种纳电子器件的制备方法。特征在于：首先在衬底材料上沉积一层下电极材料W，然后依次沉积一层Al和一层SiO2。通过曝光、刻蚀，在SiO2上刻蚀出孔，使下层Al暴露出来，然后通过阳极氧化法在暴露出的部分形成多孔氧化铝，同时对每个孔进行进一步的加工，可以形成唯一的一个纳米尺度的氧化铝小孔，或形成孔径一致，分布均匀纳米孔阵列，或形成孔径分散而分布均匀纳米孔阵列。再用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积薄膜，实现纳米孔的W填充，通过纳米抛光技术实现纳米孔顶端的平坦化，然后沉积相变材料与电极材料，引线，封装，实现纳米存储单元。

1.  一种纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于制备的工艺步骤是：
(a)在衬底材料上先沉积下电极材料，然后依次沉积一层Al和一层SiO₂；
(b)通过先掩膜曝光、刻蚀，在SiO₂上刻蚀出孔，使下层Al暴露出来；
(c)通过阳极氧化法在暴露出部分形成多孔Al₂O₃，使每个SiO₂孔内只生成一个Al₂O₃小孔，或孔径分散而分布均匀的纳米孔阵列；
(d)在Al₂O₃孔内沉积W电极，表面化学机械方法抛光，除去SiO₂层；
(e)刻蚀掉未被氧化的Al，沉积相变材料及上电极，引线封装制备成纳米级相变存储器。

2.  按权利要求1所述纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于所述的下电极材料为W，厚度100-500nm。

3.  按权利要求1或2所述纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于所述的下电极是用磁控溅射方法沉积，溅射的本底真空为4×10^-4τ，真空度为0.10Pa。

4.  按权利要求1或2所述纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于所述的Al层厚度50-500nm。

5.  按权利要求1所述纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于曝光刻蚀SiO₂孔隙的孔径为0.8-10μm，间距为100-500μm。

6.  按权利要求1所述纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于所述的SiO₂形状为圆形、正方形或长方形中任意一种。

7.  按权利要求1所述纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于阳极氧化使用浓度5-15％的草酸盐溶液，电流密度1-5mA/cm²。

8.  按权利要求1所述纳电子相变存储器的制备方法，其特征在于采用等离子体方向性好的强场磁控溅射或等离子体增强化学气相沉积方法在多孔Al₂O₃内沉积W。

一种纳电子相变存储器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳电子相变存储器的制备方法。属于微电子学中的纳米材料的制造工艺。
应用背景
半导体行业可以说是二十世纪发展最快，对人类影响最大而且在二十一世纪具有无限潜力的行业之一。而过去的半个世纪以来，半导体工业一直按照摩尔定律来发展，即按每三年特征尺寸较小0.7倍的规律发展。发展到目前其最小尺寸是美国英特尔公司宣布的90nm，比较成熟的是0.18um技术；然而也是intel在2003年底宣布，摩尔定律将在二十年内遭遇极限。目前要获得比较小的尺寸方法，主要有电子束曝光(EB)，聚焦离子束曝光(FIB)，spacer技术等[(1)J.Kedzierski，P.Xuan，E.Anderson，J.Bokor，T.-J.King，and C.Hu，Complementary silicde source/drain thin-bodyMOSFET’s for the 20 nm gate length regime，in IEDM Tech.Dig.，2000.pp.57-60；(2)Yang-Kyu Choi，Tsu-Jae King，Member，IEEE，and ChenmingHu，Fellow，IEEE，IEEE Transactions On Electron Devices，Vol.49 No.3，436。它们也是各有利弊，或是成本太高，或是工艺太复杂。为探索和发展纳电子器件，一种获得小尺寸孔径，并在此基础上制备纳电子器件的方法已成为本领域广大科技人员共同关心的生长点。
发明内容
本发明目的在于提供一种获得小尺寸孔径，并在此基础上制备纳电子器件的方法。首先在衬底材料上沉积一层下电极材料，然后依次沉积一层Al和一层SiO₂。通过光掩膜曝光、刻蚀，在SiO₂上刻蚀出孔，使下层Al暴露出来，然后通过阳极氧化法在暴露出的部分形成多孔氧化铝，通过改变工艺条件能够在每个孔中只有一个Al₂O₃小孔，或孔径分散而分布均匀地纳米孔陈列，且均匀性较好。这样就可以得到纳米量级的孔，向孔内沉积W电极，表面用化学机械抛光(CMP)方法磨去SiO₂层，刻蚀掉未被氧化的Al，再使用一般的半导体工艺手段就可以出制备纳电子器件。
所述的下电极材料一般为W，厚度100-500nm，他们通常是用磁控溅射方法沉积的，溅射的本底真空为溅射的本底真空为4×10^-4τ，溅射真空度为0.10Pa。所述的Al层厚度在50-500nm范围且可控，沉积的SiO₂厚度为20-50nm。通过先掩膜曝光、刻蚀，在SiO₂上刻蚀出孔，孔径为0.8-10μm，间距为100-500μm，使下层铝暴露出来，通过阳极氧化法在暴露出部分形成多孔Al₂O₃，使每个SiO₂孔内只生成一个Al₂O₃小孔，或孔径分散而分布均匀的纳米孔阵列；且SiO₂形状为圆形、正方形或长方形中任意一种。SiO₂孔的作用是作为掩膜来控制氧化下层铝的范围，通过改变SiO₂孔的大小以及氧化条件从而得到孔径不一的多孔氧化铝。在Al₂O₃孔内沉积W是利用W底电极作为子晶层具有择优成核生长的条件，它是通过等离子体方向性好强场磁控溅射的薄膜沉积手段，或阶梯覆盖效果好的等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)法实现纳米孔的W填充，刻蚀掉未被氧化的Al，沉积相变材料及上电极，引线封装制备成纳米级相变存储器。利用不同孔径的W纳米柱导致电流密度不同，所擦写电流也不同从而实现多级存储。本发明提供的纳电子相变存储器，本发明是所沉积的相变材料为GeTesb硫系化合物。本发明提供的纳电子相变存储器，尤其孔径不同的W纳米柱，其电阻不同，会导致与相变材料接触处的电场分布不同。在相变操作过程中随着电压脉冲的脉高与延迟时间的不同会导致不同的相变点和相变区域，因此而实现多级存储。
图1为新型纳电子器件制备过程示意图
(a)为在衬底材料上沉积电极
(b)为沉积铝
(c)为沉积二氧化硅
(d)为刻蚀二氧化硅层
(e)为阳极氧化，形成孔状氧化铝
(f)为向氧化铝孔内沉积功能材料，表面平坦化，除去二氧化硅层
(g)为刻蚀掉未被氧化的铝
图1中  1为衬底；2为下电极；3为铝层
       4为二氧化硅；5为氧化铝；6为相变材料。
下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。但本发明决不仅限于实施例。
实施例1：纳米级相变存储器的制备，其步骤为：
(1)在已清洗好的Si、SiO₂衬底上用磁控溅射沉积下电极材料W，厚度在100nm，功率为300W，本底真空为4×10^-6torr，溅射真空为0.10Pa。
(2)依次沉积铝和二氧化硅，铝厚度为100nm，二氧化硅厚度50nm。
(3)用光掩膜版光刻，腐蚀二氧化硅层，形成孔状阵列。孔的上径为2um，下径要更小些，间距为50um。
(4)使用阳极氧化法，在10％浓度草酸溶液，3mA/cm²条件下得到多孔氧化铝。且每个二氧化硅孔内只有一个氧化铝孔，孔径为40nm。深度为铝膜厚度100nm。
(5)用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)法向孔内沉积W。
(6)用CMP法磨去上层二氧化硅，然后腐蚀掉未被氧化的铝。
(7)沉积介电层氮化硅，厚度为300nm，表面平坦化，曝光刻蚀孔，孔径0.5um。露出W。
(8)孔内沉积GeTeSb，然后沉积上电极，引线封装即制成纳米级相变存储器。
实施例2：
本实施例与实施例1相比较其他条件保持不变，仅改变步骤(4)中阳极氧化的条件，其条件是15％草酸溶液2mA/cm²电流密度条件下，在孔中得到大小不一的小孔，孔径在40nm-200nm范围。利用不同孔径W纳米柱导致电流密度不同，擦写电流也不同，从而为探索多级存储进行了有益尝试。
实施例3：
本实施例1-4步骤同实施例1，步骤(5)采用磁控溅射向孔内添充GeTeSb，然后再进行(6)、(7)、(8)的步骤。
上述实施将有助有理解本发明，但并不限制本发明的内容。