83 / 2021-11-02 12:55:05

相变薄膜材料的高深宽比刻蚀工艺研究

刻蚀,高深宽比,相变薄膜材料,3D PCM

相变存储器（PCM）由于其操作功耗低、读写速度快、非易失性、高密度、以及与CMOS工艺兼容等优点，被认为是最有潜力的下一代存储器之一。随着微电子工艺技术节点不断向前推进，PCM的尺寸微缩变得越来越困难，开发三维堆叠的三维相变存储器（3D PCM）成为提升器件存储密度的重要手段。在3D PCM制备过程中，器件深宽比随着堆叠层数的增加而不断增大，通过光刻剥离工艺对每层结构分别制备的方 式十分繁琐并且对套刻精度要求较高，如何实现高深宽比刻蚀成为3D PCM工艺的关键挑战，但目前有关相变材料刻蚀工艺的研究极其匮乏，还面临高选择性掩膜材料缺失、刻蚀形貌质量较差等问题。刻蚀的效果对器件的性能有着显著影响，垂直的侧壁形貌更利于提高刻蚀深宽比与存储密度，并且刻蚀表面的质量决定着成品的质量，粗糙的刻蚀表面会导致高的接触电阻，化学计量成分也需要保持以实现高速相变和高循环能力。我们以最典型的相变材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）为例，对其刻蚀工艺展开了系统研究，通过掩膜材料设计和工艺参数优化，实现了GST薄膜的高深宽比刻蚀，并对其机理进行了分析。

首先设计了基于光栅图形的电感耦合等离子体刻蚀工艺，以便于刻蚀后截面形貌进行观察，优选可精确控制气压的电感耦合等离子体刻蚀工艺；实验进一步发现，采用常用的光刻胶作为掩膜，其与GST刻蚀选择比较小，难以实现足够深度的刻蚀，因此提出了基于硬掩膜的GST刻蚀方案，遴选出与GST刻蚀选择比较高的硬掩膜材料，实现了高深宽比的刻蚀效果。在此基础上

    ——优化了GST的感应耦合等离子体刻蚀工艺参数，尝试了不同气体对GST刻蚀的效果，探究了刻蚀过程中气体流量、功率、气压、刻蚀时间和线宽尺寸对刻蚀效果的影响，深入分析了刻蚀机理及化学残留，通过优化刻蚀条件实现刻蚀高深宽比，优良表面状况的刻蚀形貌，这为后续3D PCM制备工艺的开发提供了重要参考。