基于相变存储器的新型相变材料的刻蚀工艺研究开题报告

1. 研究目的与意义

相变存储器（pcram）是基于相变材料的可逆相变，利用其非晶态时的半导体高阻特性与多晶态时的半金属低阻特性实现存储。pcram具有非易失性、循环寿命长、高数据保持力、高速、元件尺寸小、功耗低、多级存储、与现有集成电路工艺兼容等优点，被认为是最具潜力的下一代存储器，在嵌入式存储、类脑存储与计算和存储级芯片（scm, storage-class memory）等方面具有广阔的商用前景。全球各大半导体公司，包括英特尔、美光、三星、海力士、ibm等都投入到pcram技术的研发中。2010年4月，恒忆公司（英特尔、意法半导体、美光公司的合资公司）和三星公司先后宣布相变存储芯片（128-512mb）的正式量产，美光于2012年11月宣布量产45 nm节点1gb pcram，供nokia asha系列智能手机使用。2015年英特尔和美光联合研制出128gb的3d x-point相变内存芯片并于2017年实现量产和应用。

在相变存储器从研究阶段到产业化的发展过程中，器件的制备工艺是其中的关键技术之一，而相变材料的刻蚀工艺优劣直接影响器件的可靠性、一致性和重复性等性能。因此，研究相变材料的刻蚀工艺对相变存储器的产业化发展具有重要意义。

本课题为《基于相变存储器的新型相变材料的刻蚀工艺研究》，旨在研究新型cr掺杂sb₂te相变薄膜的刻蚀工艺，即采用激光直写技术对cr掺杂sb₂te相变薄膜进行曝光使其发生相变，再通过反应离子刻蚀技术对曝光的相变薄膜进行刻蚀，从而在相变薄膜上得到微纳结构。相比于传统的光刻与刻蚀工艺，本课题提出的方案无需旋涂光刻胶薄膜、光刻胶烘烤、光刻胶显影、去胶等步骤，极大地简化了器件制备工艺。本课题为相变存储器的制备提供新的工艺选择。

2. 研究内容和预期目标

本课题主要研究cr掺杂sb₂te相变薄膜刻蚀工艺，具体内容包括：

1、研究不同cr掺杂sb₂te薄膜（晶态与非晶态）的刻蚀选择性（固定刻蚀条件），选择最优组分（刻蚀选择性最好的样品组成）；

2、研究刻蚀气压、刻蚀气体种类与流量比、刻蚀功率对cr-sb₂te薄膜（晶态与非晶态）的刻蚀选择性影响，选择最佳刻蚀条件；

3. 研究的方法与步骤

刻蚀工艺是超大规模集成电路中实现图形转换必不可少的一道关键工艺步骤。本实验中采用的是oxford80plus反应离子刻蚀机。主要包括一个刻蚀主机台、气体流量控制阀、机械泵、分子泵、冷却循环水、软件控制使用的配置电脑等。刻蚀工艺主要在反应腔中完成，腔壁及顶部是用铝合金制作，而载片台是用石墨制作，最大容量可以放置4英寸硅片，并连接一个最大输出功率为600 w的rf电源，它是用he恒温控制冷却。刻蚀气体是通过反应腔顶部的喷洒头进入，流量是由流量控制阀设定，其最大流量为100 sccm，并且有4个管道。反应腔的真空度是由分子泵控制，其最小气压可以达到1×10^-4 pa。反应离子刻蚀一起主要配置的刻蚀气体有：cf₄、chf₃、sf₆、ar、o₂等。

反应离子刻蚀最关键的一步是反应生成物的脱附问题，即：生成物呈气态被真空泵带出。而相变材料是cr，sb，te不同成分组成的合金材料，这些组分对应氟化物的饱和蒸汽压分别为：crf₃ (130 ℃)、sbf₃ (345 ℃)和tef₄ (195 ℃)，这些非挥发性生成物需要借助物理轰击来去除。

首先研究最常用的cf₄ ar、chf₃ o₂不同组分对刻蚀速度以及刻蚀表面的影响。另外，气压和功率也是影响刻蚀条件的一个重要因数。接着，为了满足pcram器件制备的需要，研究cr掺杂sb₂te₁与介质材料（如sio₂、si）之间的刻蚀选择比。利用扫描电子显微镜（sem）和原子力显微镜（afm）观察刻蚀图形的形貌，以此反馈工艺优化，不断改善工艺参数，直到获得满足器件单元制备要求的图形形貌。

4. 参考文献

[1]w. wang, b. liu, q. jin, y. xia, q. wang, d. yao, s. song, z. song, x. guo, h. zheng, s. feng. etching characteristics and mechanisms of ti-sb-te phase change material in chf₃/o₂/ar plasma for nano-devices[j]. ecs j. solid state sc., 2016, 5: 499-502.

[2]g. feng, b. liu, z., song, s. lv, l. wu, s. feng, b. chen. dry etching of nanosized ge₁sb₂te₄patterns using tin hard mask for high density phase-change memory[j]. j. nanosci. nanotechnol., 2009, 9: 1526-1529.

[3]z. zhang, s. song, z. song, y. cheng, m. zhu, x. li, y. zhu, x. guo, w. yin, l.wu, b. liu, s. feng, d. zhou. etching of new phase change material ti_0.5sb₂te₃by cl₂/ar and cf₄/ar inductively coupled plasmas[j]. appl. surf. sci., 2014, 311: 68-73.

5. 计划与进度安排

1、2022年2月25日—2022年3月31日：查阅文献，了解相变存储器的研究进展、相变存储器的制备工艺、相变材料的刻蚀工艺等相关内容；翻译相变材料刻蚀工艺相关英文文献1篇；撰写毕业论文的文献综述。

2、2022年4月1日—2022年4月30日：做实验，采用磁控溅射镀膜设备制备不同cr含量掺杂的sb₂te薄膜；采用激光直写装置在cr掺杂的sb₂te薄膜上制备光栅及网格图形；采用反应离子刻蚀系统刻蚀制备的光栅与网格图形；通过xrd、afm、sem等方法研究不同刻蚀条件（刻蚀气压、刻蚀功率、刻蚀气体种类等参数）对图形结构的影响规律与刻蚀机理。

3、2022年5月1日—2022年5月31日：整理实验数据，撰写毕业论文，准备毕业答辩。