[发明专利]实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种存储芯片的工艺方法，尤其涉及一种实现三维立 体结构相变存储芯片的工艺方法。

背景技术

随着半导体工业的制备技术和工艺达到深亚微米甚至是纳米尺度，相变存储器(PCRAM) 充分体现出其优越性，具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、高速读取等优点，被认为 是最有可能取代目前的SRAM、DRAM和FLASH等产品而成为未来存储器主流产品。

随着相变存储器存储容量的不断加大，存储单元的不断减小，其外围电路也日趋复杂， 所占面积不断增加，导致存储芯片整体面积将有一大部分耗费在外围电路上，这不仅不利于 高密度高容量相变存储器的制备，更对外围电路的设计提出了面积上的更为苛刻的要求。利 用键合工艺可以制作出三维立体结构相变存储芯片，将外围电路埋藏在存储阵列下面。这样 就使得外围电路的面积不会影响到整体芯片的面积。

在三维立体结构PCRAM的工艺实现方面应该确保外围电路性能不受影响，因此后续工艺 的温度不能高于400℃。传统的硅片键合工艺通常需要1000℃的高温退火来加强硅片键合强 度，等离子体活化键合技术使得经过等离子体活化处理的硅片表面吸附更多的氢氧根，从而 能够在低于400℃的退火温度下即获得较高的键合强度。在pn结外延层转移方面，化学腐蚀 自停止减薄技术和背面机械研磨、注氢剥离技术相比，具有以下优点：转移薄膜的均匀性优 于背面机械研磨，同时不会在外延层引入机械损伤和离子注入损伤，有利于实现高开关比单 晶硅二极管。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种采用室温等离子体活化键合和腐蚀自停止技术 实现三维立体结构存储器芯片的工艺方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提出了一种实现三维立体结构相变存储芯片的工艺方法，其包括如下步骤：

A、将有外围电路的硅片与外延了pn结的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)片键 合；

B、在150℃-400℃下低温退火，以加强键合强度；

C、采用SOI片中的埋氧层作为腐蚀停止层实现pn结硅外延层的转移；

D、在转移过来的硅外延层上沉积相变材料；

E、用反应离子刻蚀将相变材料和外延硅图形化；

F、通过反应离子刻蚀得到垂直单晶硅二极管驱动PCRAM存储芯片结构。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤A为：采用室温等离子体活化键合技术将有外围 电路的硅片与外延了pn结的SOI片键合。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤B低温退火过程中用相同的温度加热，或者，在 不同时间段用不同的温度加热。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤B低温退火过程中，在150℃的温度下加热一小时， 在300℃的温度下加热一小时。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤F中，外围电路全部埋置于存储芯片的存储阵列 下面，存储阵列布满整个存储芯片。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤C包括：腐蚀掉SOI片的体硅部分，并且腐蚀自 动停止在埋氧层；用稀释的HF酸溶液漂掉埋氧层，使pn结外延层转移到有外围电路的硅片 上，在硅外延层上沉积阻挡层、相变材料。

作为本发明的一种优选方案，所述腐蚀为湿法腐蚀；湿法腐蚀前，对有电路图形的硅片 背面进行保护，保护层为SiO2或Si3N4层、且足够致密；腐蚀剂选择40％的KOH溶液，腐蚀 温度在40℃-70℃之间。

作为本发明的一种优选方案，所述外围电路所用的字线材料为一种满足电学性能要求的 金属硅化物，即金属硅化物同时充当键合介质和电极材料的角色；通过改变金属与硅的比例 调节此材料的电阻率以及和硅的接触电阻，从而满足电极材料的要求，并且此金属硅化物中 的硅原子能够与SOI片顶层硅原子实现室温键合。

作为本发明的一种优选方案，SOI片的选择应保证顶层硅的均匀性。

作为本发明的一种优选方案，通过重复步骤A至步骤F，得到多层存储阵列结构。