相變存儲器（PCM）建設(shè)項目工藝技術(shù)及設(shè)備配置淺談

韓敏娟

（信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計研究院科技工程股份有限公司上海分公司，上海市 200233）

【摘 要】集成電路產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代社會的主要推動力之一。今天許多與生活密切相關(guān)的事物，均歸功于先進的半導(dǎo)體技術(shù)與器件。大多數(shù)電子系統(tǒng)的功能是處理及存儲數(shù)據(jù)，而這一功能通常以內(nèi)存作為主要載體來實現(xiàn)。在許多新興的內(nèi)存技術(shù)中，相變存儲器（Phase Change Memory，PCM）是其中唯一接近大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)。它同時具有高性能與非易失的特性，也可能是唯一全面兼容CMOS工藝、并能在近年內(nèi)迅速量產(chǎn)的技術(shù)。本文詳細表述PCM項目的生產(chǎn)工藝技術(shù)特點以及工藝設(shè)備配備需求。

【關(guān)鍵詞】集成電路；PCM制程；相變存儲器；金屬化制程

隨著集成電路技術(shù)的持續(xù)進步，新的內(nèi)存技術(shù)也繼續(xù)強化現(xiàn)有的系統(tǒng)或創(chuàng)造全新的應(yīng)用。在許多新興的內(nèi)存技術(shù)中，相變存儲器（Phase Change Memory，PCM）是其中唯一接近大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)。它同時具有高性能與非易失的特性，也可能是唯一全面兼容CMOS工藝、并能在近年內(nèi)迅速量產(chǎn)的技術(shù)。預(yù)期相變存儲器將對現(xiàn)代電子產(chǎn)品與市場產(chǎn)生非常巨大而深遠的影響。相變存儲器擁有非常廣闊的應(yīng)用前景，整個市場潛能非常好。

一、項目建設(shè)的必要性

雖然中國是全球最大的芯片消費國，但是中國的半導(dǎo)體技術(shù)還遠遠落后，關(guān)鍵芯片仍需依賴進口，相變存儲器是未來中國取得全球半導(dǎo)體技術(shù)與電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先地位的最佳選擇。根據(jù)半導(dǎo)體發(fā)展的經(jīng)驗，新技術(shù)能早期推出者將獲得最高的市場利益，后來者將面臨激烈的市場競爭。相變存儲器技術(shù)對于未來電子系統(tǒng)架構(gòu)有很大的影響，也是中國電子產(chǎn)業(yè)邁入下一階段必要獲得的技術(shù)。相變存儲器預(yù)計會有大量的市場需求，所以目前是大力發(fā)展相變存儲器的最佳時機。

二、工藝技術(shù)

（一）PCM簡介

相變存儲器（phase change memory），簡稱PCM，利用硫族化合物在晶態(tài)和非晶態(tài)巨大的導(dǎo)電性差異來存儲數(shù)據(jù)的。是基于奧弗辛斯基在20世紀60年代末提出的奧弗辛斯基電子效應(yīng)的存儲器。

奧弗辛斯基電子效應(yīng)是指材料由非晶體狀態(tài)變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的反光特性和電阻特性，因此可以利用非晶態(tài)和晶態(tài)分別代表“0”和“1”來存儲數(shù)據(jù)。

相變存儲器（PCM或PCRAM）作為下一代存儲技術(shù)的領(lǐng)先候選者。它不僅能取代閃存的應(yīng)用，而且能夠擴展非揮發(fā)性內(nèi)存（NVM）到主流內(nèi)存的應(yīng)用（低功耗DRAM）、汽車（耐高溫）、航空電子設(shè)備和軍事設(shè)備（抗核電磁輻射爆炸）、關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域（低功耗以及實時）、甚至到計算機硬盤。

（二）PCM工作原理

在非晶態(tài)下，GST材料具有短距離的原子能級和較低的自由電子密度，使得其具有較高的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在RESET操作之后，我們一般稱其為RESET狀態(tài)，在RESET操作中DUT的溫度上升到略高于熔點溫度，然后突然對GST淬火將其冷卻。冷卻的速度對于非晶層的形成至關(guān)重要。非晶層的電阻通?？沙^1兆歐。

在晶態(tài)下，GST材料具有長距離的原子能級和較高的自由電子密度，從而具有較低的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在SET操作之后，我們一般稱其為SET狀態(tài)，在SET操作中，材料的溫度上升高于再結(jié)晶溫度但是低于熔點溫度，然后緩慢冷卻使得晶粒形成整層。晶態(tài)的電阻范圍通常從1千歐到10千歐。晶態(tài)是一種低能態(tài)；因此，當對非晶態(tài)下的材料加熱，溫度接近結(jié)晶溫度時，它就會自然地轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。

（三）工藝技術(shù)方案

本項目相變儲存器（PCM）芯片集成工藝，是在NMOS管的漏端上制作專有的PCM制程（GST制程）及多層金屬化制程，其在電路上表現(xiàn)為串聯(lián)連接。NMOS管作為選通串聯(lián)著的相變材料的開關(guān)器件，控制這對相變材料的擦操作和寫操作，從而實現(xiàn)信息儲存。

1、加熱電極（Φ130nm）制備

·化學(xué)氣相沉積（CVD）

本項目采用CVD的方式在外購NMOS半成品芯片上，依次沉積SiO2-Si3N4-SiO2層。

·加熱電極光刻

·加熱電極干法刻蝕

·去膠

·清洗

·W加熱電極濺射沉積

·化學(xué)機械拋光（CMP）

2、通孔層電極（Φ260nm）制備

通孔層電極制備工藝主要流程為Si3N4、SiO2沉積→通孔層光刻→通孔層干法刻蝕→去膠→清洗→Ti/TiN黏附層沉積→通孔層W電極沉積→化學(xué)機械拋光（CMP），其中Si3N4、SiO2沉積、通孔層光刻、通孔層干法刻蝕、去膠、清洗、通孔層W電極沉積及化學(xué)機械拋光（CMP）工藝同加熱電極（Φ130nm）制備。

3、GST（鍺、銻、碲）層制備

GST（鍺、銻、碲）層制備工藝主要流程為GST層光刻→GST層干法刻蝕→去膠→清洗→濺射沉積GST→化學(xué)機械拋光（CMP）→TiN濺射沉積。

4、Cu制程制備

Cu制程制備工藝主要流程為Si3N4、SiO2沉積→Cu制程光刻→Cu制程干法刻蝕→去膠→清洗→濺射沉積Cu→化學(xué)機械拋光（CMP）。

5、Al制程制備

Al制程制備工藝主要流程為濺射沉積→Al制程光刻→Al制程濕法刻蝕→去膠→清洗→化學(xué)機械拋光（CMP）。

6、鈍化層（Si3N4）制備

鈍化層（Si3N4）制備工藝主要流程為鈍化層（Si3N4）沉積→鈍化層光刻→鈍化層干法刻蝕→去膠→清洗。

7、背面磨削減?。˙G）

芯片背面減薄工藝是在晶片表面電路制作完成后，對芯片背面硅材料進行磨削減薄，使其達到所需的厚度。

8、電學(xué)測試

主要通過電學(xué)測試設(shè)備，對產(chǎn)品進行電性測試、然后進行包裝入庫。

（四）主要工藝設(shè)備配備

本項目主要工藝設(shè)備配備見表。