第5期 微细加工技术 N.5 年10月 MICROF ABRICATION TECHNOLOGY Oct.,2008 文章编号:1003-8213(2008)05-0005-04 利用压印技术制备大面积相变材料阵列 刘彦伯2,钮晓鸣,宋志棠2,闵国全1,万永中1,张静,周伟民2,李小丽1,张挺2,张剑平1 (1.上海市纳米科技与产业发展促进中心纳米加工技术实验室,上海200237 2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米技术研究室,上海200050) 摘要:采用高效、低成本的紫外压印技术(UV-IL)在2in.Si/SiO2基Ti/TiN/Si2Sb2Te(SST)多层膜表面制备了密 度为3.8M/mn2的 AMONIL点阵结构,并通过反应离子刻蚀得到相变材料SST阵列;电阻与脉冲宽度特性测得 SST基 PCRAM存储单元ST/ RESET电阻值变化约30倍,IV特性表明,阈值电压为1.18V。此外,时间分辨 ⅹRD原位加热情况下SST薄膜结构变化说明,SST材料的相变发生在200℃-300℃之间。 关键词:UV-IL;SsT阵列; PCRAM;存储单元 中图分类号:TN305 文献标识码:A 体系和 PCRAM开发提供实验依据。 1引言 2实验 围绕低压、低功耗、高速和高密度存储器件商业化进程, UvIL制作相变材料SsT阵列工艺流程如图1所示。 相变存储器( phase change random access memory, PCRAM)必首先在两块覆盖SO(经热氧化法生成)的硅片表面用溅射 须减小相变区域,提高集成密度,而相变材料(PCM)高密度法分别沉积T,TN和SST,厚度分别是100mm,40mm和 阵列一致性制备是一个核心问题。当器件结构进入纳米尺度150 nm,SST薄膜用Si,$b和Te单靶溅射,然后在其中一块 后采用电子束曝光聚焦离子束和光学曝光等常规微细加工上再沉积100m厚的W作UV用(如图1a)。为防止脱 技术的开发成本急剧增加,尤其是新材料和新结构为稳定性模过程中模版和压印胶粘连,压印前用碳氟化合物对石英模 能要优化参数,致使开发成本更高所以新材料筛选和新结构版表面进行气相法处理45min后150℃下退火1h,在模版 研究正面临高成本和低效率的困境。而紫外压印(UV结构表面形成一层类似Teon性质的自组装单分子膜,以减 imprint lithography,vL)技术可以廉价地在大面积基片上小表面能、降低其与压印胶之间的粘附力,处理过程是在氮 重复、大批量的制备各种图形结构,具有精度高、效率高、成 环境中进行的。接着在样品表面旋涂一层粘合剂和380mm 低、尺寸一致性易于控制的综合优势-5,正好满足新材料筛紫外压印胶 AMONIL MMS4(AMO,CmbH,德国),如图tb, 选和新结构加工研究需要,这将大大加速新相变材料和新存涂覆粘合剂和压印胶后的样品分别置于电热板上100℃热烘 储结构的开发进程。目前这项技术的最高水平已达5mm。1min最后,用2in.石英模版在Ev620( EV Group,奥地 Le等人研究了UVL制作C2sb2Tes网架结构2,Ymg利)上完成紫外压印工艺,压印力和曝光时间分别为70kP KY等人研究了UVL制作Ce2Sb2T点阵结构6。而在和300如图1c和1d。压印后,用反应离子刻蚀(RE)优化 新材料探索方面, Zhang T等人8的研究表明,Si2Sb2Te工艺首先去除残留胶,然后用不同工艺依次刻蚀W,ST和 (SsT)比Ge2Sb2Tes具有更好的数据保持力和稳定性、更宽的TN层,如图1e和1f所示,实验在MS350(RoTH&RAU, 禁带宽度和更低的阈值电流; Zhang Y等人报道,Si掺杂德国)上进行。 Sh2Te3薄膜比Ge2Sb2Tes薄膜具有更低的融化温度和更高的 加热过程中ST的结构变化规律和阵列单元特征尺寸 晶态电阻。这些成果反映出SSbe材料体系在高密度存储以及 PCRAM存储单元的电学特性分别通过XRD(X'Pert 领域的潜能优势。因此,本文利用UV-IL制备大面积新相变 PRO MPD, Panalytical,荷兰)和SEM(S4800, Hitachi,日本) 材料SsT阵列,构筑 PCRAM存储单元,为加速新相变材料以及脉冲信号发生器( Agilent81104A)表征。 收稿日期:2008-07-22;修订日期:2008-08-20 基金项目:国家重大科学研究计划资助项目(200℃CB935400);上海市科学技术委员会科研发展计划资助项目(0652nm052; 0752mmO13;0752m014);上海市博士后重点科学基金资助项目(07R214204);中国博士后科学基金资助项目(20070420105) 作者简介:刘彦伯(1968-),男,陕西府谷人,副教授,博士,从事微纳加工技术及其在微电子器件中的应用研究 通讯作者第 5期 2008年 10月 微细加工技术 M ICR0FABRICATION TECHNOLOGY No．5 Oct．，2008 文章 编号 ：1003．8213(2008)05．0005—04 利用压 印技术制备大面积相变材料阵列 刘彦伯 ，钮晓鸣 ，宋志棠 ，闵国全 ，万永 中 ，张 静 ，周伟民 一，李小丽 ，张 挺 ，张剑平 (1．上海 市纳米科 技与产业发展促进 中心 纳米加工技术实验室 ，上海 200237； 2．中国科学 院上海微 系统与信息技术研究所 纳米技术研究室 ，上海 200050) 摘要：采用高效、低成本的紫外压印技术(uv—IL)在 2in．Si／SiO2基 Ti／TiN／Si2Sb2Te5(SST)多层膜表面制备 了密 度为 3．8M／In 的 AMONIL点阵结构 ，并通过反 应 离子刻 蚀得 到相 变材料 SST阵列 ；电阻与脉 冲 宽度特 性测得 SST基 PCRAM存储单元 SET／RESET电阻值 变化约 30倍，I—v特性表明，阈值 电压为 1．18v。此外，时间分辨 XRD原位加热情况下 SST薄膜结构变化说明，SST材料的相变发生在 200℃～300℃之间。 关 键 词：UV—IL；SST阵列 ；PCRAM；存储单元 中图分类号 ：TN305 文献标识码 ：A 1 引言 围绕低压、低功耗、高速和高密度存储器件商业化进程 ， 相变存储器 (Dhasechang。random accessmemory，PCRAM)必 须减小相变区域 ，提高 集成 密度 ，而相 变材 料 (PCM)高密 度 阵列一致性制备是一个核心 问题 。当器件结构进入纳米尺 度 后 ，采用 电子束 曝光 、聚焦离子束 和光学曝光等常规微细加 工 技术的开发成本急剧增 加 ，尤其 是新材 料和新 结构 为稳定性 能要优化参数 ，致使 开发成本更高 ，所以新材料筛选和新结 构 研 究 正 面 临 高 成 本 和 低 效 率 的 困境 。 而 紫 外 压 印 (uv imprintlithographv，UV—IL)技术 可 以廉价地 在大 面积基 片上 重复、大批量的制备各种图形结构，具有精度高、效率高、成本 低 、尺寸一致性易于控制的综合优势l】-5J，正好满足新材料筛 选 和新结构加工研究 需要 ，这将 大 大加速新 相变 材料 和新存 储结构 的开发 进程 。 目前 这 项技 术 的最高 水平 已达 5nm。 LeeH等人研究了 uv—IL制作 Ge~Sb2Te网架结构l ，Yang K—Y等 人研 究 了 uV—IL制作 Ge2Sb2Te5点 阵结构 _6J。而在 新材 料探 索 方 面 ，ZhangT等人 I7 J的研 究 表 明 ，Si2Sb2Te5 (SST)比Ge，Sb2Te5具有更好的数据保持力和稳定性 、更宽的 禁带宽度和 更低 的 阈值 电流 ；ZhangY等 人_9报 道 ，si掺 杂 Sb2Te3薄膜 比 Ge2Sb2Te 薄膜具有更低 的融化温 度和更 高的 晶态电阻。这些成果反映出 SiSbTe材料体系在高密度存储 领域的潜能优势。因此，本文利用 uv—IL制备大面积新相变 材料 SST阵列，构筑 PCRAM存储单元，为加速新相变材料 体系和 PCRAM开发提供实验依据。 2 实验 UV—IL制作相 变 材料 SST阵 列 工艺 流 程 如 图 1所 示 。 首先在两块覆 盖 SiO，(经 热氧 化法 生 成 )的硅片 表面用 溅 射 法分别沉 积 Ti，TiN 和 SST，厚度 分 别 是 100nm，40nm 和 150nm，SST薄膜用 si，sb和 Te单靶溅 射 ，然后 在其 中一块 上再沉积 100nm厚 的 w 作 uv—IL用 (如 图 1a)。为 防止脱 模过程 中模版 和压 印胶粘 连 ，压 印前用 碳氟化 合物对 石英模 版表面进行气 相法处理 45rain后 150℃下退 火 1h，在模版 结构 表面形成一层类似 Teflon性质 的 自组 装单分 子膜 ，以减 小表面能 、降低其 与压印胶之 间的粘附力 ，处理过程是在氮气 环境 中进行的 。接着 在样 品表 面旋 涂一层 粘合 剂和 380nm 紫外压印胶 AMONILMMS4(AMO，GmbH，德国)，如图 1b， 涂覆粘合剂和压 印胶后 的样 品分 别置于电热板上 100℃热烘 1min。最后 ，用 2in．石 英 模 版 在 EVG620(EV Group，奥 地 利 )上完成紫外 压 印工艺 ，压 印力 和 曝光 时 间分别 为 70kPa 和 300S，如图 1c和 1d。压印后 ，用反应离 子刻蚀 (RIE)优 化 工艺首先 去除残 留胶 ，然后 用 不 同工艺 依次 刻蚀 W ，SST和 TiN层 ，如 图 1e和 1f所示 ，实 验在 MS一350(ROTH & RAU， 德 国)上进行 。 加热过程 中 SST的结 构变 化规 律 和阵 列单 元特 征尺 寸 以及 PCRAM 存 储 单元 的 电学 特 性分 别 通 过 XRD(X’Pert PROMPD，PanMytical，荷 兰 )和 SEM(S-4800，Hitachi，日本 ) 以及脉 冲信号 发生器(Agilent81104A)表 征。 收稿 日期 ：2008—07—22；修订 日期 ：2008．08—20 基金项目：国家重大科学研究计划资助项 目(2007CB935400)；上海市科学技术委员会科研发展计划资助项 目(0652nm052； 0752nmO13；0752nm014)；上海市博士后重点科学基金资助项目(07R214204)；中国博士后科学基金资助项 目(20070420105) 作者简介：刘彦伯(1968一)，男 ，陕西府谷人 ，副教授，博士，从事微纳加工技术及其在微电子器件中的应用研究。 *通讯作者