科學家發現革新性3D NAND記憶體蝕刻方法

為了提升資料儲存能力，研究人員正致力於完善3D NAND快閃記憶體技術，該技術透過堆疊記憶體單元來最大化空間利用。近期，研究人員發現了一種更快、更高效的方法，能利用先進的電漿（Plasma）製程在3D NAND快閃記憶體中蝕刻深孔。電漿是物質的四種基本狀態之一，與固體、液體和氣體並列，它是一種由正離子和自由電子組成的電離氣體，在1920年代由化學家歐文·蘭米爾首次描述。研究人員透過微調化學反應，將蝕刻速度提高了一倍，並提升了精準度，為更密集、高容量的記憶體儲存奠定了基礎。

隨著電子裝置不斷縮小，同時要處理的資料量卻日益增長，改善數位記憶體的製造方式變得至關重要。一個由公私部門合作的研究團隊正在探索在原子尺度創造數位記憶體的新方法，以滿足對更密集資料儲存不斷增長的需求。

其中一個主要研究方向是最佳化3D NAND快閃記憶體的生產過程。這項技術透過垂直堆疊資料來最大化儲存容量。發表在《真空科學與技術期刊A》（Journal of Vacuum Science & Technology A）上的一項最新研究發現，使用適當的電漿和其他關鍵材料組合，可以將蝕刻這種記憶體所需的深而窄的孔洞的速度提高一倍。這項研究是由泛林集團（Lam Research）、科羅拉多大學波德分校（University of Colorado Boulder）和美國能源部普林斯頓電漿物理實驗室（PPPL）的科學家透過模擬和實驗完成的。

NAND快閃記憶體是一種非揮發性儲存裝置，即使斷電也能保留資料。大多數人對NAND快閃記憶體都很熟悉，因為它被用於數位相機的記憶卡和隨身碟中，同時也應用於電腦和行動電話。普林斯頓電漿物理實驗室的首席研究物理學家伊戈爾·卡加諾維奇（Igor Kaganovich）表示，隨著人工智慧（Artificial Intelligence）的應用使我們對資料儲存的需求不斷增長，進一步提高這種記憶體的密度，以便在相同的空間內儲存更多資料，將變得越來越重要。

數位記憶體以稱為單元的單位儲存資訊，資料以單元的狀態（開或關）儲存。傳統的NAND快閃記憶體中，單元排列成單層，而在3D NAND快閃記憶體中，許多記憶體單元相互堆疊，以便在更小的空間內容納更多資料，這就好比用一座十層公寓取代平房，以容納更多人。

建立這些堆疊的一個關鍵步驟是在氧化矽和氮化矽的交替層中雕刻孔洞。這些孔洞可以透過將層狀材料暴露於電漿（部分電離的氣體）形式的化學物質中進行蝕刻。電漿中的原子與層狀材料中的原子相互作用，從而雕刻出孔洞。

研究人員希望最佳化蝕刻這些孔洞的方法，使每個孔洞都深、窄且垂直，並具有光滑的側壁。找到合適的方法並不容易，因此科學家們一直在測試新的化學成分和溫度。

前普林斯頓電漿物理實驗室研究人員、現任職於泛林集團的尤里·巴爾蘇科夫（Yuri Barsukov）表示，這些過程使用電漿作為高能離子的來源。使用電漿中的帶電粒子是建立微電子所需的非常小但深的圓形孔洞的最簡單方法。然而，這種稱為反應性離子蝕刻的過程尚未被完全理解，仍有改進的空間。近期的一項發展是將待處理的半導體材料薄片（晶圓）保持在低溫下，這種新興方法稱為冷凍蝕刻（cryo etching）。

傳統上，冷凍蝕刻使用分開的氫氣和氟氣來製造孔洞。研究人員將這種方法的結果與一種更先進的冷凍蝕刻過程進行了比較，後者使用氟化氫氣體來產生電漿。泛林集團的託爾斯滕·利爾（Thorsten Lill）表示：「與以前使用分開的氟和氫源的冷凍蝕刻過程相比，使用氟化氫電漿的冷凍蝕刻顯著提高了蝕刻速率。」泛林集團總部位於加州弗裡蒙特，為晶片製造商提供晶圓製造裝置和服務。

當分別對氮化矽和氧化矽進行測試時，使用氟化氫電漿而非分開的氫氣和氟氣，氮化矽和氧化矽層的蝕刻速率都有所提高。雖然氮化矽的效果比氧化矽更明顯，但同時蝕刻這兩種材料時，蝕刻速率的提升最為顯著。事實上，氧化矽和氮化矽交替層的蝕刻速率提高了一倍多，從每分鐘310奈米增加到640奈米（人類頭髮的寬度約為90,000奈米）。

利爾表示，蝕刻的質量似乎也有所改善，這一點非常重要。研究人員還研究了三氟化磷的影響，它是在顯著程度上蝕刻二氧化矽時的一種重要成分。雖然之前已經使用過，但研究人員希望更好地理解和量化其影響。他們發現，新增三氟化磷使二氧化矽的蝕刻速率提高了四倍，而對氮化矽的蝕刻速率僅有輕微提升。

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形成的。研究表明，氟矽酸銨會減慢蝕刻速度，但水可以抵消這種影響。根據巴爾蘇科夫的模擬，水會削弱氟矽酸銨的鍵結。巴爾蘇科夫表示，當有水存在時，這種鹽可以在較低的溫度下分解，從而加速蝕刻。

卡加諾維奇表示，這項研究也很重要，因為它展示了工業界、學術界和國家實驗室的科學家如何共同合作，解答微電子領域的重要問題，同時也整合了實驗人員和理論家的研究成果。他說：「我們正在與更廣泛的社群建立橋樑，這是讓每個人更好地理解半導體製造過程的重要一步。」利爾表示，他很感激能與普林斯頓電漿物理實驗室合作進行半導體製造研究，因為該實驗室在微電子電漿模擬方面提供了一系列的能力。

參考文獻：Thorsten Lill、Mingmei Wang、Dongjun Wu、Youn - Jin Oh、Tae Won Kim、Mark Wilcoxson、Harmeet Singh、Vahid Ghodsi、Steven M. George、Yuri Barsukov和Igor Kaganovich所著的《使用氟化氫低溫蝕刻氧化矽和氮化矽》（Low - temperature etching of silicon oxide and silicon nitride with hydrogen fluoride），發表於2024年11月18日的《真空科學與技術期刊A》（Journal of Vacuum Science & Technology A），DOI: 10.1116/6.0004019。這項研究的資金由普林斯頓電漿物理實驗室的實驗室定向研究與發展計劃提供。