韓敏娟

（信息產業(yè)電子第十一設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】集成電路產業(yè)是現代高科技的基礎，也是現代社會的主要推動力之一。今天許多與生活密切相關的事物，均歸功于先進的半導體技術與器件。大多數電子系統的功能是處理及存儲數據，而這一功能通常以內存作為主要載體來實現。在許多新興的內存技術中，相變存儲器（Phase Change Memory，PCM）是其中唯一接近大規(guī)模量產的技術。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、并能在近年內迅速量產的技術。本文詳細表述PCM項目的生產工藝技術特點以及工藝設備配備需求。

【關鍵詞】集成電路；PCM制程；相變存儲器；金屬化制程

隨著集成電路技術的持續(xù)進步，新的內存技術也繼續(xù)強化現有的系統或創(chuàng)造全新的應用。在許多新興的內存技術中，相變存儲器（Phase Change Memory，PCM）是其中唯一接近大規(guī)模量產的技術。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、并能在近年內迅速量產的技術。預期相變存儲器將對現代電子產品與市場產生非常巨大而深遠的影響。相變存儲器擁有非常廣闊的應用前景，整個市場潛能非常好。

一、項目建設的必要性

雖然中國是全球最大的芯片消費國，但是中國的半導體技術還遠遠落后，關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體技術與電子產業(yè)領先地位的最佳選擇。根據半導體發(fā)展的經驗，新技術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。相變存儲器技術對于未來電子系統架構有很大的影響，也是中國電子產業(yè)邁入下一階段必要獲得的技術。相變存儲器預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

（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)巨大的導電性差異來存儲數據的。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的存儲器。

奧弗辛斯基電子效應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”來存儲數據。

相變存儲器（PCM或PCRAM）作為下一代存儲技術的領先候選者。它不僅能取代閃存的應用，而且能夠擴展非揮發(fā)性內存（NVM）到主流內存的應用（低功耗DRAM）、汽車（耐高溫）、航空電子設備和軍事設備（抗核電磁輻射爆炸）、關鍵任務領域（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，溫度接近結晶溫度時，它就會自然地轉變?yōu)榫B(tài)。

（三）工藝技術方案

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，其在電路上表現為串聯連接。NMOS管作為選通串聯著的相變材料的開關器件，控制這對相變材料的擦操作和寫操作，從而實現信息儲存。

1、加熱電極（Φ130nm）制備

·化學氣相沉積（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、背面磨削減薄（BG）

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、電學測試

主要通過電學測試設備，對產品進行電性測試、然后進行包裝入庫。

（四）主要工藝設備配備

本項目主要工藝設備配備見表。