Ge2Sb2Te5抛光液的电化学及其化学机械抛光研究

Ge2Sb2Te5抛光液的电化学及其化学机械抛光研究

摘要：

Ge2Sb2Te5目前被公认为在相变存储器(PCRAM)中最好的材料。本文主要是从电化学角度考查Ge2Sb2Te5薄膜在化学机械抛光液中作用。我们研究了Ge2Sb2Te5薄膜在不同的PH值和H202浓度下的电化学特性。在实验中我们用的电化学设各是Solartron SI1287，主要测试了Ge2Sb2Te5薄膜在溶液中的开路电位，动电位扫描。开路电位结果显示在PH值等于10时，出现钝化行为，当PH等于II时，钝化开始向活化转变，当PH为12时，薄膜一直处于活化状态。在动电位扫描过程中，在不同的PH值和H202浓度下，薄膜的扫描曲线形状是相似的，变化也不大，说明薄膜腐蚀的反应机理是相同的。利用电化学实验结果，配置出GST抛光液，用于相变存储器的结构制作过程中。

关键词：Ge2Sb2Te5，相变存储器，化学机械抛光，电化学

1．引言

   早在1968年，S．R．Ovshinsky就观察到了硫系合金的相变现象，通过控制所加的温度和时问，就可以实现合金的相变。合金发生相变，其电阻也随之变化，于是提出了相变存储器( PCRAM)概念。随着器件尺寸的减少，存储器要求的密度也原来越高，相变存储器被认为是比较理想的下一代非易失性存储器。相变存储器的关键材料是Ge-Sb-Te合金系列，目前大家公认为最好的材料是Ge2Sb2Te5，简称GST。

   随着集成电路制造技术的发展，器件尺寸原来越小。为了满足光刻工艺平坦化要求，化学机械抛光(CMP)技术就应运而生了。目前，CMP已经广泛地用于芯片制造中的深亚微米多层互连技术。高性能的PCRAM器件需要更小的特征尺寸，因此CMP就成为其制造过程中的关键工艺。另外在IC制作过程中的镶嵌工艺就是利用CMP技术的结果。在PCRAM的制作过程中，要制作相变存储器纳电子结构，就是用到镶嵌工艺，所以就要对GST进行抛光。虽然文献上对GST的物理性能和材料性能研究很多，但是对GST的化学机械抛光的文献几乎没有，所以研究GST的化学机械抛光对于制造PCRAM器件来说具有重要的意义。本文主要用电化学的方法来研究GST薄膜在抛光液中的各种成分对GST作用的影响，这将是配置抛光液溶液的化学基础。同时通过电化学实验结果，指导配置GST抛光液，对GST进行了化学机械抛光，制作了相变存储器器件结构。

2、实验过程

   在我们的实验中，首先用磁控射频溅射方法在室温下将Ge2Sb2Te5薄膜沉积在Si (100)衬底上，Ge2Sb2Te5薄膜厚度大约是200nm。

在做电化学测试之前，将硅片分割成lcm×lcm大小的样品，将样品首先放在酒精和丙酮中去除污渍，然后在超净水中清洗干净，再用氮气吹干。电化学测试是在KOH抛光液中进行的，并且使用了常规的三电极电位仪。电化学测试电池也是三电极系统：Ge2Sb2Te5薄膜是工作电极，铂电极为对电极和通过Luggin毛细管连接的Ag/AgCI参比电极。开路电位( OCP)和动电位扫描是用电化学工作站(Solartron，model 1287A)通过微机控制测量。

   在进行极化扫描之前，工作电极在抛光液中浸泡将近3小时，以保证测量开路电位的稳定性。从开始浸泡的时候计算时间，测定工作电极的开路电位，观察开路电位随着时间的变化。动电位扫描的速率是ImVs-1。

   根据电化学实验的结果，配置适合GST抛光的抛光液，制作相变存储器器件结构。抛光液的PH值10，H202的浓度为1%，所用的抛光磨料是Si02。抛光片是3英寸的硅片上沉积的GST薄膜，化学机械抛光是CETR公司型号为CP-4的抛光机上进行的。抛光过程中的抛光压力是4psi，抛光时间是5min。

3、实验结果与分析

3.1开路电位(OCP)

   图1  (a)表示了Ge2Sb2Te5在室温条件KOH溶液中随着PH值从10到12变化，开路电位的变化情况。从图中可以看出，当PH值等于10时，OCP值随着时间的增加，向正电位方向漂移。这种电位的升高表明，薄膜在这种溶液中表面氧化层的厚度在增加，从而阻止了Ge2Sb2Te5薄膜进一步溶解，所以薄膜在此溶液中有被钝化的趋势。当溶液的PH值为11时，OCP曲线在放入溶液初期是往上漂移的，随着时间的变化，曲线往正方向漂移到一定程度的时候，接着往负电位的方向漂移。在此PH值条件下，薄膜比较难形成比较稳定的双电层。说明薄膜在碱性溶液中形成的表面氧化膜溶液被破坏，从而加速薄膜的溶解。当溶液的PH值为12时，OCP曲线朝负电位方向漂移，说明表面的氧化层放入溶液中就遭到破坏，薄膜在溶液中不稳定。从开路电位随PH值关系看来，随着PH值的升高，碱性增强，薄膜容易被溶液腐蚀。

   图l  (b)表示了Ge2Sb2Te5薄膜在室温条件下PH为10的条件下，随着H2O2浓度变化，开路电位的变化情况。从图中可以看出，在H202浓度为1%时，由于H202的氧化作用，氧化层来不及形成就被溶液腐蚀，所以OCP值向负电位方向漂移，表现越来越容易被腐蚀。在浓度为3%，5%和10%溶液中，虽然薄膜浸泡溶液之初，由于溶液的氧化作用，开路电位往负电位方向漂移。但是随着时间的增加，氧化层的增加，降低了薄膜与溶液的反应速率，所以开路电位向正的电位方向漂移，最后形成稳定电位，说明薄膜在这些溶液中越来越呈被钝化的趋势。而且，随着氧化剂的浓度的增加，到达稳定所用的时间越短。但是由于10%

的H202浓度太高，从而有破坏氧化层的趋势，是开路电位降低。

3.9线性极化扫描研究

   线性极化扫描是在室温条件下测定的。图2 (a)表明，在H202为5%浓度下，极化曲线的变化随着PH值的变化。从图中可以看出，PH值从10到12，电流密度是逐渐增大的，说明腐蚀速率是也是增加的。从阴极曲线上看，阴极曲线形状是相似的，说明化学反应也是相同的。但是在阳极曲线上，在PH=II和12时，出现了明显的钝化现象。

   图2 (b)中，可以看到在PH= 10时，不同的H202浓度的极化曲线。随着H202浓度从1%到5%的增加，电流密度是降低，说明腐蚀速率也是下降的。这是由于氧化剂的增加，在表面形成了氧化膜，阻止了反应的进一步进行。从曲线上来看，曲线的形状也是相似的，说明反应也是相同的，没有出现钝化现象。但是在H202为10%下，由于氧化剂浓度高，破坏了氧化层，从而反应加快，电位降低，在其阳极反应出现了钝化现象。

3.3．Ge2Sb2Te5化学机械抛光的研究

   通过电化学实验，配置了用于GST化学机械抛光的抛光液，对带有一定版图结构进行化学机械抛光。图3 (a)是化学机械抛光之后的单元器件SEM图片。图3(b)和(c)是对结构内外进行的能谱EDS分析。从图(h)中看出，结构内被填进去了GST材料，从元素分析看出，仍然是Ge2Sb2Te5，并未因为化学机械抛光过程而产生成分偏析。从图(c)中，结构外的Ge2Sb2Tes被充分的去除，剩下的是Si02材料。

四、结论

   本文从抛光液的不同组分对Ge2Sb2Te5腐蚀的电化学实验，到配置的抛光液对GST进行化学机械抛光，可以得出以下结论：

1、不同随着PH的增加，腐蚀速率的增加的。从而表明，PH是GST抛光液的重要的因素。

2、H202的浓度变化对GST的腐蚀速率影响很大的，但是反应机理比较复杂。起初随着H202浓度的增加，反应速率是降低，但是在10%下，腐蚀速率增加了。

3、从抛光液的电化学性质出发，配置出适合GST的抛光液。从结果上来看，这种抛光工艺能够很好地制作出相变存储器结构。

更多相关阅读

九朋新材料纳米超细系列畅销全球超细氧化物及分散液：氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化硅、稀土氧化物、抗静电剂等

纳米防腐涂料：耐强酸强碱、耐高温、耐油、耐候、盐水，适合化工设备、海洋设备、电镀、烟囱，具有使用寿命长、使用成本低，用于旧防腐设备延寿，新防腐设备定制，上门涂装服务。     联系：搜jiupengap九朋新材料