低温刻蚀如何改进 NAND 制造工艺？

发布时间：2026-04-12来源：半导体盒

来源：PPPL。

合适的工艺配方能以两倍的速度制造出高密度数据存储所需的窄深孔

本文介绍了发表在《Journal of Vacuum Science & Technology A》上的一项研究，只要配备合适的等离子体和其他关键成分，这类存储器所需的窄深孔刻蚀速度可提升一倍。该研究由Lam Research、 University of Colorado Boulder 以及美国能源部下属的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。

一幅艺术效果图，展示了利用等离子体在氧化硅与氮化硅交替堆叠的薄膜层中刻蚀出的孔洞，该工艺用于制造 3D NAND 闪存。研究人员希望优化这类孔洞的制备工艺，使每个孔洞既深又窄、保持垂直，且孔壁光滑。

（Kyle Palmer / PPPL Communications Department）

NAND 闪存是一种非易失性数据存储设备，这意味着即使设备断电，它也能保留数据。“大多数人都熟悉 NAND 闪存，因为它常见于数码相机的存储卡和U盘之中。它还应用于计算机和移动电话中。随着人工智能的应用使我们的数据存储需求不断增长，进一步提高这种存储器的存储密度——从而在相同的物理空间内存储更多数据——将变得愈发重要。” 普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的首席研究物理学家Igor Kaganovich 表示。

堆叠存储单元以节省空间

数字存储器以单元为单位存储信息。数据以单元的状态存储，每个单元只有开或关两种状态。传统的 NAND 闪存中，单元呈单层排列。而 3D NAND 闪存则将大量存储单元层层堆叠，从而在更小的空间内容纳更多数据。这就好比用一栋 10 层的公寓楼替代平房，以容纳更多的人。

Lam Research | 拿什么造1000层的3D NAND？

制造这些堆叠结构的一个关键步骤是在交替排列的氧化硅和氮化硅层上刻出孔洞。通过将层状材料暴露于等离子体（部分电离的气体）形式的化学物质中，即可对孔洞进行刻蚀。等离子体中的原子会与层状材料中的原子发生相互作用，从而刻出这些孔洞。

研究人员希望优化这些孔洞的制作工艺，使每个孔洞都深、窄且垂直，同时侧壁光滑。要精准掌握制作配方一直颇具难度，因此科学家们一直在持续测试新的原料和温度。

交替层的二氧化硅和氮化硅（左）被刻蚀以形成一个深的垂直孔（右）。

利用等离子体制造深窄通道

“这些工艺利用等离子体作为高能离子源，”前普林斯顿等离子体物理实验室研究员、现任职于 Lam Research 的 Yuri Barsukov 说。他表示，利用等离子体中的带电粒子，是制造微电子所需的微小但深邃的圆形孔洞的最简单方法。然而，这种被称为反应离子刻蚀的工艺尚未被完全理解，仍有改进空间。近期的一项进展是将晶圆——即待加工的半导体材料片——保持在低温状态。这种新兴工艺被称为低温刻蚀。

反应器装置。a) CCP；b) ICP；c) 带质谱的粉末热刻蚀反应器

传统上，冷冻刻蚀技术使用单独的氢气和氟气来制造孔洞。研究人员将这一工艺的结果与一种更先进的冷冻刻蚀工艺进行了对比，后者使用氟化氢气体来产生等离子体。

“采用氟化氢等离子体的低温刻蚀工艺，与以往使用独立氟源和氢源的低温刻蚀工艺相比，刻蚀速率有了显著提升，” Lam Research 的 Thorsten Lill 表示。

刻蚀速率翻倍

当分别测试氮化硅和氧化硅时，相较于单独使用氢气和氟气，采用氟化氢等离子体处理后，氮化硅和氧化硅层的刻蚀速率均有所提升。尽管氮化硅的刻蚀效果提升比氧化硅更为显著，但同时刻蚀两种材料带来的增幅最为明显。实际上，交替排列的氧化硅和氮化硅层的刻蚀速率提高了一倍以上，从每分钟 310 nm 提升至每分钟 640 nm。（一根人类头发的宽度约为 90000 nm。）

“刻蚀的质量似乎也有所提升，这一点意义重大，” Lill 说。

研究人员还研究了三氟化磷的影响，三氟化磷是在任何显著程度下刻蚀二氧化硅时的一种关键成分。尽管此前已使用过该物质，但研究人员希望更好地理解并量化其影响。他们发现，添加三氟化磷可使二氧化硅的刻蚀速率提高三倍，而对氮化硅的刻蚀速率仅产生小幅提升。

研究人员研究的另一种化合物是氟硅酸铵，它是在刻蚀过程中氮化硅与氟化氢发生反应时生成的。研究表明，氟硅酸铵会减缓刻蚀速度，但水可以抵消这一效应。根据 Barsukov 的模拟结果，水会削弱氟硅酸铵的化学键。Barsukov 表示：“在有水存在的情况下，这种盐会在更低的温度下分解，从而加速刻蚀过程。”

参考文献：

Low-temperature etching of silicon oxide and silicon nitride with hydrogen fluoride