[发明专利]一种纳米级相变存储单元阵列制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米级相变存储单元阵列制备方法，属于微纳电子学领域。

技术背景

相变存储器(PCRAM)是一种利用相变材料在非晶和多晶两种状态下具有不同电阻值的特性实现信号存储的新型存储器件，PCRAM具有体积小、驱动电压低、功耗小、读写速度快，非易挥发的特点，与目前常用的闪存(FLASH)、动态随机存储器(DRAM)及铁点存储器(FeRAM)相比，竞争优势明显，同时具有耐高低温、抗辐射、抗振动的特性，因此，PCRAM无论是在民用领域还是在国防领域都将有广阔的应用前景，成为研发热点。

然而目前相变存储器研发面临的一个主要问题，就是如何进一步减小其工作电流，减小工作电流有利于降低功耗并与目前CMOS工艺匹配。

对此，业界提出了通过减小电极点和相变存储单元结构来减小工作电流的多种方案，但制备方法主要采用传统的光刻技术，工艺复杂、加工成本高。本发明是针对纳米级相变存储单元阵列制备而提出的一种简便方法，具有工艺简单、加工成本低的突出优点。这种加工方法适合于相变存储器件的产业化批量生产，在纳米级多层结构加工领域具有实质性特点和显著的进步。

发明内容

本发明目的在于提出一种纳米级相变存储单元阵列制备方法，以满足相变存储器件纳米级存储单元制备的需要。用这种方法加工纳米级相变材料阵列结构，一次成型多次填充，既可以保证相变材料与电极之间的纳米级接触，又避免了复杂的对准工序，具有工艺简便、加工精度高、成本低廉、阵列结构一致性好、重复性好的优点，对于性能与接触参数关系密切的高密度相变存储器件制备尤为重要。

本发明的制备过程如下：首先设计“倒塔”型纳米级相变存储单元多阶凹孔阵列，并将该多阶凹孔阵列按照凹凸相反的规则对应定义在透明的固态面板上，在固态面板上形成“塔”型多阶凸台阵列；然后在沉积有绝缘材料、金属材料、过渡材料、绝缘材料，涂覆有图形转移介质的多层膜基底表面，通过印刻法将固态面板上的多阶凸台阵列一次性定义在图形转移介质层上形成“倒塔”型多阶凹孔阵列；接着通过刻蚀将该多阶凹孔阵列再转移到位于过渡材料层上面和图形转移介质层下面的绝缘材料层上，在过渡材料层上面的绝缘材料层上一次性制作出纳米级相变存储单元多阶凹孔阵列，并且可以重复使用多次成型；最后通过多层膜沉积工艺给过渡材料层上面的绝缘材料层上的多阶凹孔依次填充一定厚度的相变材料、过渡材料、金属材料，从而得到所需的纳米级相变存储单元阵列。

本发明的具体制备过程是：

(1)“倒塔”型纳米级相变存储单元多阶凹孔结构阵列设计：在下电极表面的过渡材料层上覆盖一层绝缘材料，厚度必须大于多阶凸台结构的总的高度2nm以上，整个“倒塔”型多阶凹孔结构阵列完全嵌入在绝缘材料层中(图1)。所述“倒塔”型是指含有两层或两层以上的倒立塔型结构，塔中每一层都是圆柱体或圆锥体结构。其中塔顶一层是圆锥体形，层高20nm～200nm，锥顶直接与过渡材料相连，锥顶端面积在1～3000nm²之间，锥底端面积在100nm²以上；塔底一层高100nm～1000nm，底层端面积在400nm²以上；当所述“倒塔”型结构包含两层以上时，中间层高度在20nm～1000nm之间，从塔的顶层到底层横截面积逐渐增大，即塔中相邻两层的接触端面面积上一层小于或等于下一层。所述纳米级多台阶结构一次性加工成型。

(2)将所述的多阶凹孔阵列按照凹凸相反的规则对应定义在透明的固态面板上，在固态面板上形成“塔”型多阶凸台阵列(图2)。所述对应是指固态面板上凸台部分与所设计的纳米级多阶凹孔存储单元结构凹孔部分凹凸相反。该固态面板材料透紫外光，表面平整度误差不超过10nm，厚度在200μm～20mm之间，材质是石英玻璃、或是聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS)、或是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中任意一种。多阶凸台阵列是通过电子束光刻法、聚焦离子束刻蚀法、电子束曝光、光学光刻法、x射线法、母模转移中任意一种微加工法定义在透明的固态面板上的。在定义好的固态面板结构上做表面修饰处理以降低表面能。表面修饰剂为F基化合物，修饰方法为修饰剂气相沉积、或液相浸泡、或离心旋涂。