为了提高数据存储量，研究人员正在完善3D NAND闪存，该闪存通过堆叠存储单元实现空间最大化。
研究人员发现了一种使用先进等离子体工艺在3D NAND闪存中蚀刻深孔的更快、更高效的方法。通过调整化学性质，他们将蚀刻速度提高了一倍，并提高了精确度，为更密集、容量更高的存储器存储奠定了基础。
探索数据存储的未来
随着电子设备持续缩小，而需要处理的数据量却不断增长，改进数字存储器制造方法变得至关重要。一家公私合作机构的研究人员正在探索在原子尺度上创建数字存储器的新方法，以满足日益增长的更高密度数据存储需求。
其中一个主要焦点是完善3D NAND闪存的生产工艺，该技术将数据垂直堆叠，以最大限度地提高存储容量。近期，《真空科学与技术杂志A》发表了一项研究，该研究发现，正确使用等离子体和其他关键材料的组合可以使该存储器所需的深窄孔的蚀刻速度翻倍。该研究由Lam Research公司、科罗拉多大学博尔德分校和美国能源部普林斯顿等离子物理实验室 (PPPL) 的科学家通过模拟和实验进行。
NAND闪存是一种非易失性存储器，意味着即使断电也能保留数据。普林斯顿等离子体物理实验室的首席研究物理学家伊戈尔·卡加诺维奇说：“大多数人都很熟悉NAND闪存，因为它是数码相机存储卡和U盘中所使用的存储器类型。电脑和手机中也使用了这种存储器。随着人工智能的使用，我们的数据存储需求越来越大，让这种类型的存储器更加密集（即在相同面积内存储更多数据）将变得越来越重要。”
堆叠存储单元以节省空间
数字存储器以称为“单元”的单位保存信息。数据保存为单元的状态，每个单元为开启或关闭状态。在传统的NAND闪存中，单元是单层排列的。在3D NAND闪存中，许多存储单元相互堆叠，可在更小的空间内存储更多数据。这好比用一座10层公寓取代平房，以容纳更多人。
制造这些堆叠结构的关键步骤之一，就是在二氧化硅和氮化硅的交替层上刻蚀出孔洞。可以通过将分层材料暴露在等离子体（部分电离的气体）形态的化学物质中，来刻蚀出这些孔洞。等离子体中的原子与分层材料中的原子相互作用，从而刻蚀出孔洞。
研究人员想要完善打孔的工艺，使每个孔都能又深又窄又垂直，并且孔壁光滑。要得到恰到好处的打孔工艺并非易事，因此科学家们一直在继续测试新的材料和温度。
利用等离子体创建深而窄的通道
“这些工艺使用等离子体作为高能离子的来源，”尤里·巴尔苏科夫（Yuri Barsukov）说道。他曾是普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员，目前就职于Lam Research公司。他表示，利用等离子体中的带电粒子是最容易的方式，可以制造出微电子领域所需的非常小但很深的圆形孔洞。然而，这一被称为反应离子刻蚀的工艺尚未完全被人们了解，仍有改进空间。近期的一项进展是在低温下保持晶片（待加工的半导体材料片）的温度。这种新兴的方法被称为冷冻刻蚀。
传统上，冷冻蚀刻使用单独的氢气和氟气来打孔。研究人员将这一工艺的结果与使用氟化氢气体产生等离子体的更先进的冷冻蚀刻工艺进行了比较。
泛林研究（Lam Research）的托尔斯滕·利尔（Thorsten Lill）表示：“与之前使用单独的氟源和氢源的冷冻蚀刻工艺相比，采用氢氟酸等离子体的冷冻蚀刻工艺的蚀刻速率显著提高。”泛林研究总部位于加利福尼亚州费利蒙市，为芯片制造商提供晶圆制造设备和服务。
采用新方法使蚀刻速率加倍
当分别测试氮化硅和二氧化硅时，与使用单独的氢气和氟气相比，使用氟化氢等离子体时氮化物和氧化层的蚀刻速率有所增加。虽然氮化硅的蚀刻效果比二氧化硅更为明显，但同时蚀刻这两种材料带来的蚀刻速率增幅最大。事实上，交替的二氧化硅和氮化硅层的蚀刻速率增长了一倍多，从每分钟310纳米增加到每分钟640纳米。（一根人类头发的宽度大约为90,000纳米。）
“蚀刻的质量似乎也有所提高，这一点非常重要，”利尔说。
研究人员还研究了三氟化磷的影响，三氟化磷是在任何较大程度上蚀刻二氧化硅时必不可少的成分。虽然之前已经使用过三氟化磷，但研究人员希望更深入地了解和量化其影响。他们发现，添加三氟化磷会使二氧化硅的蚀刻速率提高到原来的四倍，尽管它只使氮化硅的蚀刻速率略有增加。
研究人员研究的另一种化合物是氟硅酸铵，它在氮化硅与氟化氢发生反应的蚀刻过程中形成。研究表明，氟硅酸铵可以减缓蚀刻速度，但水可以抵消这一效果。根据巴苏科夫的模拟结果，水削弱了氟硅酸铵键。“水存在时，盐在较低温度下就能分解，从而加速蚀刻，”巴苏科夫说。
为未来研究奠定基础
卡甘诺维奇表示，这项研究之所以重要，还因为它表明了产业界、学术界和国家实验室的科学家们是如何携手合作，解答微电子领域的重要问题的。该研究还将实验学家和理论家收集的信息汇集在了一起。
“我们正在为更广大的群体搭建桥梁，”他说，“这是每个人更好地了解半导体制造流程的关键一步。”
利尔（Lill）说，他很高兴能与普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）合作进行半导体制造研究，因为普林斯顿等离子体物理实验室的研究为微电子领域提供了一系列等离子体模拟功能。
参考文献：“使用氟化氢对二氧化硅和氮化硅进行低温蚀刻”，作者：托尔斯坦·利尔、王明美、吴东俊、吴尹镇（Youn-Jin Oh）、金大元（Tae Won Kim）、马克·威尔科克森、哈米特·辛格、瓦希德·戈德西、史蒂文·M·乔治、尤里·巴尔苏科夫和伊戈尔·卡加诺维奇，发表于2024年11月18日，《真空科学与技术杂志A辑》。DOI：10.1116/6.0004019
该研究由普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的实验室定向研究与开发计划提供资金。
