科學家發現更有效率蝕刻3D NAND 記憶體的方法
為了改進資料存儲,研究人員正在完善三維NAND 閃存,這種閃存將單元堆疊起來,以最大限度地利用空間。研究人員發現了一種更快、更有效率的方法,可利用先進的等離子體製程在3D NAND 快閃記憶體中蝕刻深孔。透過調整化學成分,他們將蝕刻速度提高了一倍,並改善了精度,為實現更密集、更大容量的記憶體儲存奠定了基礎。

隨著電子設備不斷縮小,而處理的資料量卻與日俱增,改進數位記憶體的製造方法變得至關重要。公私合作夥伴關係的研究人員正在探索以原子尺度製造數位記憶體的新方法,旨在滿足日益增長的高密度資料儲存需求。
其中一個重點是改進三維NAND 快閃記憶體的生產工藝,這種技術可以垂直堆疊數據,從而最大限度地提高儲存容量。 Journal of Vacuum Science & Technology A上發表的一項最新研究發現,使用等離子體和其他關鍵材料的正確組合,可以將這種記憶體所需的深窄孔蝕刻速度提高一倍。這項研究由Lam Research、科羅拉多大學博爾德分校和美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的科學家透過模擬和實驗完成。
NAND 快閃記憶體是一種非揮發性存儲,這意味著即使斷電,它也能保留資料。
“大多數人都熟悉NAND 閃存,因為數位相機和優盤的記憶卡中就有這種閃存。 它也用於電腦和手機。 隨著人工智慧的使用,我們對資料儲存的需求也在不斷增長,因此,讓這種記憶體變得更密集–從而在相同的佔地面積內容納更多數據–將變得越來越重要,”PPPL首席研究物理學家伊戈爾-卡加諾維奇(Igor Kaganovich)說。

藝術家繪製的利用等離子體在氧化矽和氮化矽交替層上蝕刻出的孔,用於製造3D NAND 快閃記憶體。研究人員希望改進製作這些孔的方法,使每個孔都深、窄、垂直,兩側光滑。圖片來源:Kyle Palmer / PPPL 通訊部
數位記憶體以稱為單元的單位保存資訊。資料以單元的狀態保存,每個單元要麼處於開啟狀態,要麼處於關閉狀態。在傳統的NAND 快閃記憶體中,單元是單層排列的。在3D NAND 快閃記憶體中,許多儲存單元堆疊在一起,以便在更小的空間內容納更多的資料。這就好比用10 層樓高的公寓取代平房,以容納更多的住戶。
製造這些堆疊的關鍵步驟是在氧化矽和氮化矽交替層上刻孔。將分層材料暴露在等離子體(部分電離氣體)形式的化學物質中,可以蝕刻出孔。等離子體中的原子與分層材料中的原子相互作用,從而刻出孔洞。
研究人員希望改進這些孔的製作方法,使每個孔都深、窄、垂直,兩側光滑。要讓配方恰到好處非常困難,因此科學家們不斷測試新的成分和溫度。

二氧化矽和氮化矽層(左)交替蝕刻,形成一個垂直的深孔(右)。圖片來源:Thorsten Lill / Lam Research
現任職於Lam Research 公司的前PPPL 研究員Yuri Barsukov 說:「這些製程利用等離子體作為高能離子源。 使用等離子體中的帶電粒子是製造微電子學所需的極小但很深的圓形孔洞的最簡單方法。
最近的一項發展涉及將晶片–待處理的半導體材料薄片–保持在低溫狀態。這種新興方法被稱為低溫蝕刻。
傳統的低溫蝕刻製程使用單獨的氫氣和氟氣來製造孔洞。研究人員將這種製程的結果與使用氟化氫氣體產生等離子體的更先進的低溫蝕刻製程進行了比較。
Lam Research 公司的Thorsten Lill 說:”使用氟化氫等離子體的低溫蝕刻製程與以前的低溫蝕刻製程相比,蝕刻速率有了顯著提高,因為以前的低溫蝕刻製程使用的是單獨的氟源和氫源。 “
Lam Research 公司總部位於加州弗里蒙特,為晶片製造商提供晶圓製造設備和服務。
採用新方法使蝕刻率翻番
在分別測試氮化矽和氧化矽時,使用氟化氫等離子體而不是單獨的氫氣和氟氣,氮化層和氧化層的蝕刻速率都有所提高。雖然對氮化矽的影響比對氧化矽的影響更明顯,但同時蝕刻這兩種材料所產生的蝕刻率提高最為顯著。事實上,氧化矽層和氮化矽層交替蝕刻的速率增加了一倍多,從每分鐘310 奈米增加到每分鐘640 奈米(人類的頭髮寬度約為9 萬奈米)。
Lill說:”蝕刻的品質似乎也有所提高,這一點意義重大。”
研究人員也研究了三氟化磷的影響,而三氟化磷是蝕刻二氧化矽時不可或缺的重要成分。雖然三氟化磷以前也被使用過,但研究人員希望能更好地了解和量化它的影響。他們發現,加入三氟化磷後,二氧化矽的蝕刻速率提高了四倍,但氮化矽的蝕刻速率僅略有增加。
研究人員研究的另一種化合物是氟矽酸銨,它是在蝕刻過程中氮化矽與氟化氫反應時形成的。研究表明,氟矽酸銨可以減緩蝕刻速度,但水可以抵消這種影響。根據Barsukov的模擬,水會削弱氟矽酸銨鍵。當水存在時,鹽會在較低溫度下分解,加速蝕刻。
這項研究之所以重要,也因為它展示了工業界、學術界和國家實驗室的科學家如何合作回答微電子領域的重要問題。它也匯集了實驗人員和理論人員收集的資訊。
“我們正在為更廣泛的社區搭建橋樑。這是大家更了解半導體製造流程的重要一步”。 Lill說,他很欣賞與PPPL在半導體製造研究方面的合作,因為PPPL的研究在微電子等離子體模擬方面提供了一系列能力。
編譯自/ ScitechDaily