3D-NAND-Prozess

0021-35869 DUSCHKOPF

TIN-Kammerbaugruppe

3D-NANDPProzess

Im heutigen digitalen Zeitalter steigt der Bedarf an Datenspeicherung und auch die Leistungsanforderungen an Speichergeräte steigen. Als fortschrittliche nichtflüchtige Speichertechnologie wird 3D-NAND aufgrund seiner hohen Dichte, großen Kapazität und langen Lebensdauer häufig in Mobilgeräten, Personalcomputern und sogar in Rechenzentren eingesetzt. In diesem Artikel wird der Herstellungsprozess von 3D NAND kurz vorgestellt.

Als Substrat werden Siliziumwafer mit einer bestimmten Kristallorientierung ausgewählt‍‍‍‍‍‍

The fabrication of 3D NAND begins with the selection of a high-quality monocrystalline silicon wafer with a specific crystal orientation, such as < 100 > or < 110 >. Die Wahl der richtigen Waferausrichtung ist für nachfolgende Prozessschritte von entscheidender Bedeutung, da sie sich direkt auf die Leistung und Zuverlässigkeit des Transistors auswirkt.

CVD wird verwendet, um mehrschichtige Dünnfilme abwechselnd abzuscheiden

Anschließend werden mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) abwechselnd mehrere Schichten auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden, bis die gewünschte Anzahl an Schichten erreicht ist. Die beiden häufigsten Materialkombinationen sind Oxid-Nitrid und Oxid-Polysilizium, wobei Samsung Siliziumnitrid und Siliziumdioxid als Materialsystem für seine 3D-NAND-Produkte wählt. Die Herausforderung dieses Prozesses besteht darin, sicherzustellen, dass Folien mit hoher Stapelzahl eine präzise Dicke und gute Gleichmäßigkeit aufweisen, was für die Aufrechterhaltung der Konsistenz und Zuverlässigkeit der Geräteleistung von entscheidender Bedeutung ist.

Eine Hartmaske zum Abscheidekanalätzen

Um die anschließende Feinstrukturierung zu erreichen, muss eine Hartmaske auf den Mehrschichtfilm aufgebracht werden, bei dem es sich in der Regel um einen amorphen Kohlenstofffilm mit hoher Ätzbeständigkeit handelt. Diese Maskenschicht schützt die Teile, die nicht geätzt werden müssen, und leitet den anschließenden Grabenätzprozess. Die im Ätzprozess verwendeten Gase sind hauptsächlich Sauerstoff (O2), ergänzt durch Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2), um den Ätzeffekt zu optimieren.

Durch Ätzen wird die Hartmaske geöffnet

Nachdem der zu ätzende Bereich mithilfe der Fotolithographie auf der Hartmaske definiert wurde, wird die Hartmaske an der angegebenen Position durch Trockenätzen entfernt, wodurch der darunter liegende Mehrschichtfilm freigelegt wird. Dieser Schritt ist der Schlüssel zur genauen Steuerung der Größe und Form des Geräts.

Grabendurchätzung

Anschließend werden die Kanaldurchkontaktierungen mit fluorhaltigen Gasen wie SF6 oder CF4 geätzt. Dieser Prozess erfordert eine sehr hohe Präzision, um sicherzustellen, dass jedes Durchgangsloch alle Schichten präzise durchdringt und das Siliziumsubstrat an der Unterseite erreicht.

Stufenätzung

Anschließend erfolgt eine Stufenätzung, bei der mit verschiedenen Gaskombinationen für Siliziumoxid (z. B. CF4/CHF3) bzw. Nitrid (z. B. CH2F2) behandelt wird, um die gewünschte Struktur zu bilden.

Schlitzätzung

Die Schlitzätzung dient zur weiteren Verfeinerung der Struktur als Vorbereitung für die spätere Bildung der Zeichenlinie. Auch dieser Prozess erfordert ein hohes Maß an Präzision und Kontrolle.

Ätzen von SiNx, um eine Zeichenlinie zu bilden

Nach dem Schlitzätzen wird Siliziumnitrid (SiNx) mit einem speziellen Verfahren geätzt, um eine Zeichenlinie zu bilden, die ein wichtiger Bestandteil der Verbindung der einzelnen Speicherzellen ist.

Füllen von Wortleitungen und Füllen von Kanälen durch Löcher

Nachdem die Leitungen gebildet wurden, werden sie nacheinander mit leitfähigen Materialien wie Titannitrid (TiN) und Wolfram (W) gefüllt, um eine gute elektrische Verbindung zu erreichen. Gleichzeitig müssen die Kanaldurchkontaktierungen gefüllt werden, um sicherzustellen, dass jede Speicherzelle effektiv mit der externen Schaltung verbunden werden kann.

Kanal-Durchgangslochfüllung‍

Es ist mit einer Vielzahl von Materialien gefüllt, darunter Gate-Oxid, Floating-Gate, Tunneloxid, aktives Polysilizium und zentrales SiO.

Kontaktlochätzung

Durch das Ätzen der Kontaktlöcher wird die Verbindung von der obersten Metallschicht zur Speicherzelle hergestellt. Auch das Ätzen von Kontaktlöchern erfordert hohe Präzision und Kontrolle.

Kontaktlochfüllung

Abschließend werden die Kontaktlöcher mit leitfähigen Materialien wie Aluminium oder Kupfer gefüllt, was einen geringen Widerstand und stabile elektrische Eigenschaften gewährleistet.

Die Herstellung von 3D-NAND ist ein komplexer und anspruchsvoller Prozess, der mehrere kritische Schritte und Technologien umfasst. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wird erwartet, dass 3D-NAND in Zukunft eine höhere Speicherdichte, schnellere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten für Daten sowie einen geringeren Energieverbrauch erreichen und die Entwicklung der Informationsspeichertechnologie weiter vorantreiben wird.