科学家发现更高效蚀刻 3D NAND 内存的方法

为了改进数据存储，研究人员正在完善三维 NAND 闪存，这种闪存将单元堆叠起来，以最大限度地利用空间。研究人员发现了一种更快、更高效的方法，可利用先进的等离子体工艺在 3D NAND 闪存中蚀刻深孔。 通过调整化学成分，他们将蚀刻速度提高了一倍，并改善了精度，为实现更密集、更大容量的内存存储奠定了基础。

随着电子设备不断缩小，而处理的数据量却与日俱增，改进数字存储器的制造方法变得至关重要。 公私合作伙伴关系的研究人员正在探索以原子尺度制造数字存储器的新方法，旨在满足日益增长的高密度数据存储需求。

其中一个重点是改进三维 NAND 闪存的生产工艺，这种技术可以垂直堆叠数据，从而最大限度地提高存储容量。 Journal of Vacuum Science & Technology A上发表的一项最新研究发现，使用等离子体和其他关键材料的正确组合，可以将这种存储器所必需的深窄孔蚀刻速度提高一倍。 这项研究由来自 Lam Research、科罗拉多大学博尔德分校和美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家通过模拟和实验完成。

NAND 闪存是一种非易失性存储，这意味着即使断电，它也能保留数据。

"大多数人都熟悉 NAND 闪存，因为数码相机和优盘的存储卡中就有这种闪存。 它也用于电脑和手机。 随着人工智能的使用，我们对数据存储的需求也在不断增长，因此，让这种存储器变得更密集--从而在相同的占地面积内容纳更多数据--将变得越来越重要，"PPPL首席研究物理学家伊戈尔-卡加诺维奇（Igor Kaganovich）说。

艺术家绘制的利用等离子体在氧化硅和氮化硅交替层上蚀刻出的孔，用于制造 3D NAND 闪存。 研究人员希望改进制作这些孔的方法，使每个孔都深、窄、垂直，两侧光滑。 图片来源：Kyle Palmer / PPPL 通讯部

数字存储器以称为单元的单位保存信息。 数据以单元的状态保存，每个单元要么处于打开状态，要么处于关闭状态。 在传统的 NAND 闪存中，单元是单层排列的。 在 3D NAND 闪存中，许多存储单元堆叠在一起，以便在更小的空间内容纳更多的数据。 这就好比用 10 层楼高的公寓取代平房，以容纳更多的住户。

制造这些堆栈的一个关键步骤是在氧化硅和氮化硅交替层上刻孔。 将分层材料暴露在等离子体（部分电离气体）形式的化学物质中，可以蚀刻出孔。 等离子体中的原子与分层材料中的原子相互作用，从而刻出孔洞。

研究人员希望改进这些孔的制作方法，使每个孔都深、窄、垂直，两侧光滑。 要使配方恰到好处非常困难，因此科学家们不断测试新的成分和温度。

二氧化硅和氮化硅层（左）交替蚀刻，形成一个垂直的深孔（右）。 图片来源：Thorsten Lill / Lam Research

现供职于 Lam Research 公司的前 PPPL 研究员 Yuri Barsukov 说："这些工艺利用等离子体作为高能离子源。 使用等离子体中的带电粒子是制造微电子学所需的极小但很深的圆形孔洞的最简单方法。 然而，这种被称为反应离子蚀刻的工艺还不完全成熟，有待改进。 "

最近的一项发展涉及将晶片--待处理的半导体材料薄片--保持在低温状态。 这种新兴方法被称为低温蚀刻。

传统的低温蚀刻工艺使用单独的氢气和氟气来制造孔洞。 研究人员将这种工艺的结果与使用氟化氢气体产生等离子体的更先进的低温蚀刻工艺进行了比较。

Lam Research 公司的 Thorsten Lill 说："使用氟化氢等离子体的低温蚀刻工艺与以前的低温蚀刻工艺相比，蚀刻速率有了显著提高，因为以前的低温蚀刻工艺使用的是单独的氟源和氢源。 "

Lam Research 公司总部位于加利福尼亚州弗里蒙特，为芯片制造商提供晶圆制造设备和服务。

采用新方法使蚀刻率翻番

在分别测试氮化硅和氧化硅时，使用氟化氢等离子体而不是单独的氢气和氟气，氮化层和氧化层的蚀刻速率都有所提高。 虽然对氮化硅的影响比对氧化硅的影响更明显，但同时蚀刻这两种材料所产生的蚀刻率提高最为显著。 事实上，氧化硅层和氮化硅层交替蚀刻的速率增加了一倍多，从每分钟 310 纳米增加到每分钟 640 纳米（人的头发宽度大约为 9 万纳米）。

Lill说："蚀刻的质量似乎也有所提高，这一点意义重大。"

研究人员还研究了三氟化磷的影响，三氟化磷是蚀刻二氧化硅时不可或缺的重要成分。 虽然三氟化磷以前也被使用过，但研究人员希望更好地了解和量化它的影响。 他们发现，加入三氟化磷后，二氧化硅的蚀刻速率提高了四倍，但氮化硅的蚀刻速率仅略有提高。

研究人员研究的另一种化合物是氟硅酸铵，它是在蚀刻过程中氮化硅与氟化氢反应时形成的。 研究表明，氟硅酸铵可以减缓蚀刻速度，但水可以抵消这种影响。 根据Barsukov的模拟，水会削弱氟硅酸铵键。有水存在时，盐会在较低温度下分解，从而加速蚀刻。

这项研究之所以重要，还因为它展示了工业界、学术界和国家实验室的科学家们如何合作回答微电子领域的重要问题。 它还汇集了实验人员和理论人员收集的信息。

"我们正在为更广泛的社区搭建桥梁。这是大家更好地了解半导体制造工艺的重要一步"。Lill说，他很欣赏与PPPL在半导体制造研究方面的合作，因为PPPL的研究在微电子等离子体模拟方面提供了一系列能力。

编译自/ScitechDaily