一种基于多层掩膜套刻的面内岛状铁电阻变存储器单元结构及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于多层掩膜套刻的面内岛状铁电阻变存储器单元结构及其制备方法，包括：铁电单晶薄膜，所述铁电单晶薄膜的下部设置有过渡层且过渡层的下部设有硅基外围电路，所述铁电单晶薄膜覆盖在过渡层表面且铁电单晶薄膜的上部形成互联金属，所述互联金属的内部形成通孔且通孔内设置有通孔金属，所述互联金属之间设置有铁电阻变存储器单元凸起。本发明工艺流程与工艺设备结合，本方法的多层套刻步骤流程化，操作简单方便，安全可靠，且在套刻过程中设置测量和定位步骤，增加了识别标记的准确性，提高了生产质量；本方法通过调节，可以得到畴壁稳定的面内岛状铁电阻变存储器单元。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体为一种基于多层掩膜套刻的面内岛状铁电阻变存储器单元结构及其制备方法。

背景技术

随着5G通信、新基建、车联网等新一代信息基础设施的规模化建设，存储器被应用于人类社会经济活动的各个角落，同时每天都在产生海量数据。当前的闪存等非易失性存储器由于高功耗、有限擦写次数等技术问题，已难以满足未来低功耗、高速数据信息存储的应用需求。近年，国际顶尖科学家发现了铁电单量内部的电畴畴壁具有导电现象，基于该导电机理可以制作新型铁电阻变存储器，从而解决传统铁电存储器虽然高速、低功耗，但难以微缩化，导致容量密度难以提升的技术瓶颈。

铁电阻变存储器通过铁电单晶薄膜内部的畴壁的形成和消失，分别得到高低两个阻态，从而实现信息的存储与读取。但是目前报道的铁电阻变存储器单元的工艺制作方法难以实现较大的畴壁导电电流，并且畴壁保持状态不够稳定，不能满足存储器应用的技术指标要求，制约了这种新型存储器的产业化。因此优化并完善铁电阻变存储器工艺制备特性的基础上，开发稳定的铁电阻变存储器件单元具有重要技术市场化意义。因此，需要提供一种新的技术方案给予解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多层掩膜套刻的面内岛状铁电阻变存储器单元结构及其制备方法，解决了新型铁电阻变存储器由于新技术理论导致的传统制造工艺无法简单复制应用的技术难点，提供了适用于新型铁电阻变存储器功能特性的制造工艺及成本问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多层掩膜套刻的面内岛状铁电阻变存储器单元结构及其制备方法，包括：铁电单晶薄膜，所述铁电单晶薄膜的下部设置有过渡层且过渡层的下部设有硅基外围电路，所述铁电单晶薄膜覆盖在过渡层表面且铁电单晶薄膜的上部形成互联金属，所述互联金属的内部形成通孔且通孔内设置有通孔金属，所述互联金属之间设置有铁电阻变存储器单元凸起。

作为本发明的一种优选实施方式，所述铁电单晶薄膜为铌酸锂、铁酸铋、掺杂氧化铪的铁电晶体材料中的一种。

作为本发明的一种优选实施方式，所述过渡层为二氧化硅、氮化硅中的一种制成的薄膜材料。

作为本发明的一种优选实施方式，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1：化学清洗硅基衬底上的铁电单晶薄膜基底；

步骤2：套刻的识别标记精度测量；

步骤3：套刻的识别标记的定位；

步骤4：制备用于套刻的识别标记；

步骤5：在铁电单晶薄膜表面用电子束光刻技术光刻出铁电凸块图形；

步骤6：沉积铬金属薄层，用金属剥离工艺制备铬型硬掩膜；

步骤7：采用反应离子刻蚀铁电单晶薄膜，而后去除铬型硬掩模；

步骤8：生长沉积互联金属电极；

步骤9：采用电子束光刻技术光刻出互联通孔图形；

步骤10：电镀沉积镍金属，用金属剥离工艺制备互联通孔镍型硬掩膜；

步骤11：采用反应离子刻蚀铁电单晶薄膜和过渡层形成通孔；

步骤12：在通孔中沉积通孔金属；

步骤13：采用电子束光刻技术光刻出铁电单晶存储单元电极图形；

步骤14：沉积铬金属薄层，用金属剥离工艺制备铬型硬掩膜；

步骤15：采用反应离子刻蚀互联金属，而后去除铬型硬掩模，完成制备流程。

作为本发明的一种优选实施方式，所述化学清洗的步骤包括：

S1：铁电单晶薄膜基底置于成分比为H2SO4:H2O2＝4:1的酸性液中，在120℃温度下，清洗10分钟；然后取出铁电单晶薄膜基底，并用超纯水冲洗1分钟。

S2：铁电单晶薄膜基底置于成分比为H2O:H2O2:NH4OH＝5:1:1的碱性液中，在80℃温度下，清洗10分钟；然后取出铁电单晶薄膜基底，并用超纯水冲洗1分钟。

S3：铁电单晶薄膜基底置于成分比为H2O:H2O2:HCL＝6:1:1的酸性液中，在80℃温度下，清洗10分钟；然后取出铁电单晶薄膜基底，并用超纯水冲洗1分钟，最后甩干。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤2的套刻的识别标记精度测量方法包括如下步骤：

S1：在铁电单晶薄膜基底的上部设置用于对准的多个X标记及多个Y标记；

S2：X标记位于掩膜版的上方和下方,Y标记位于掩膜版的左侧和右侧,X标记和Y标记之间相互独立；

S3：X标记包括多个平行设置的纵向线段用于测量套刻精度在X方向的偏移，多个纵向线段的长度小于所述多个纵向线段的间距，Y标记包括多个平行设置的横向线段用于测量套刻精度在Y方向的偏移，多个横向线段的长度小于所述多个横向线段的间距；

S4：测量当层和前层的X标记的中心偏移量；以及测量当层和前层的Y标记的中心偏移量。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤3中识别标记的定位方式为当层的X标记与前层的X标记的中心重合时，表示当层和前层在X方向套刻精确,当层的Y标记与前层的Y标记的中心重合时，表示当层和前层在Y方向套刻精确。

作为本发明的一种优选实施方式，所述的识别标记为十字型、长条型、X型、圆形、菱形中的一种。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤6和步骤14中的沉积铬金属薄层采用热氧化法、物理气相沉积或化学气相沉积中的一种。

作为本发明的一种优选实施方式，步骤8的互联金属和步骤12的通孔金属可为铂金属、铜金属、铝金属中的一种。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤8和步骤12中沉积互联金属和通孔金属电极在铁电单晶薄膜基底为200℃-350℃温度范围内，采用物理气相沉积法沉积生长。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明工艺流程与工艺设备结合，本方法的多层套刻步骤流程化，操作简单方便，安全可靠，且在套刻过程中设置测量和定位步骤，增加了识别标记的准确性，提高了生产质量；本方法通过调节，可以得到畴壁稳定的面内岛状铁电阻变存储器单元。

附图说明

图1为本发明铁电单晶薄膜基底的结构示意图；

图2为本发明多层掩膜套刻形成面内岛状铁电阻变存储器单元的制备工艺流程图；

图3为本发明铁电阻变存储器单元结构示意图。

图中：1、铁电单晶薄膜；2、过渡层；3、硅基外围电路；4、通孔金属；5、互联金属；6、铁电阻变存储器单元凸起。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种基于多层掩膜套刻的面内岛状铁电阻变存储器单元结构及其制备方法，包括：铁电单晶薄膜1，所述铁电单晶薄膜1的下部设置有过渡层2且过渡层2的下部设有硅基外围电路3，所述铁电单晶薄膜1覆盖在过渡层2表面且铁电单晶薄膜1的上部形成互联金属5，所述互联金属5的内部形成通孔且通孔内设置有铂金属4，所述互联金属5之间设置有铁电阻变存储器单元凸起6。

进一步改进的，如图1所示：所述铁电单晶薄膜1为铌酸锂、铁酸铋、掺杂氧化铪的铁电晶体材料中的一种。

进一步改进的，如图1所示：所述过渡层2为二氧化硅、氮化硅中的一种制成的薄膜材料。

进一步改进的，如图3所示：所述制备方法包括以下步骤：

步骤1：化学清洗硅基衬底上的铁电单晶薄膜基底，首先化学清洗硅基衬底上的铁电单晶薄膜基底，具体为将铁电单晶薄膜基底置于成分比为H2SO4:H2O2＝4:1的酸性液中，在120℃温度下，清洗10分钟；然后取出铁电单晶薄膜基底，并用超纯水冲洗1分钟。其后，铁电单晶薄膜基底置于成分比为H2O:H2O2:NH4OH＝5:1:1的碱性液中，在80℃温度下，清洗10分钟；然后取出铁电单晶薄膜基底，并用超纯水冲洗1分钟。随后，铁电单晶薄膜基底置于成分比为H2O:H2O2:HCL＝6:1:1的酸性液中，在80℃温度下，清洗10分钟；然后取出铁电单晶薄膜基底，并用超纯水冲洗1分钟，最后甩干；

步骤2：套刻的识别标记精度测量，识别标记精度测量方法包括如下步骤：

S1：在铁电单晶薄膜基底的上部设置用于对准的多个X标记及多个Y标记；

S2：X标记位于掩膜版的上方和下方,Y标记位于掩膜版的左侧和右侧,X标记和Y标记之间相互独立；

S3：X标记包括多个平行设置的纵向线段用于测量套刻精度在X方向的偏移，多个纵向线段的长度小于所述多个纵向线段的间距，Y标记包括多个平行设置的横向线段用于测量套刻精度在Y方向的偏移，多个横向线段的长度小于所述多个横向线段的间距；

S4：测量当层和前层的X标记的中心偏移量；以及测量当层和前层的Y标记的中心偏移量；

步骤3：套刻的识别标记的定位，当层的X标记与前层的X标记的中心重合时，表示当层和前层在X方向套刻精确,当层的Y标记与前层的Y标记的中心重合时，表示当层和前层在Y方向套刻精确；

步骤4：制备用于套刻的识别标记，制备出多次套刻用的识别标记；

步骤5：在铁电单晶薄膜表面用电子束光刻技术光刻出铁电凸块图形；

步骤6：采用热氧化法，沉积50nm厚的铬金属薄层，用金属剥离工艺制备铬型硬掩膜；

步骤7：采用反应离子刻蚀铁电单晶薄膜，而后去除铬型硬掩模；

步骤8：采用物理气相沉积法，在铁电单晶薄膜衬底300℃温度下，生长沉积铂金属电极；

步骤9：采用电子束光刻技术光刻出互联通孔图形；

步骤10：采用电镀法沉积镍金属，用金属剥离工艺制备互联通孔镍型硬掩膜；

步骤11：采用反应离子刻蚀铁电单晶薄膜和过渡层形成500nm深度、100nm正方形宽度的通孔；

步骤12：在通孔中，采用物理气相沉积法，在在铁电单晶薄膜衬底300℃温度下，沉积通孔铂金属；

步骤13：采用电子束光刻技术光刻出铁电单晶存储单元电极图形；

步骤14：采用热氧化法，沉积50nm厚的铬金属薄层，用金属剥离工艺制备铬型硬掩膜；

步骤15：采用反应离子刻蚀铂金属，而后去除铬型硬掩模，完成制备流程。

本发明工艺流程与工艺设备结合，本方法的多层套刻步骤流程化，操作简单方便，安全可靠，且在套刻过程中设置测量和定位步骤，增加了识别标记的准确性，提高了生产质量；本方法通过调节，可以得到畴壁稳定的面内岛状铁电阻变存储器单元。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。