相变存储器（PCM）建设项目工艺技术及设备配置浅谈

韩敏娟

（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司上海分公司，上海市 200233）

【摘 要】集成电路产业是现代高科技的基础，也是现代社会的主要推动力之一。今天许多与生活密切相关的事物，均归功于先进的半导体技术与器件。大多数电子系统的功能是处理及存储数据，而这一功能通常以内存作为主要载体来实现。在许多新兴的内存技术中，相变存储器（Phase Change Memory，PCM）是其中唯一接近大规模量产的技术。它同时具有高性能与非易失的特性，也可能是唯一全面兼容CMOS工艺、并能在近年内迅速量产的技术。本文详细表述PCM项目的生产工艺技术特点以及工艺设备配备需求。

【关键词】集成电路；PCM制程；相变存储器；金属化制程

随着集成电路技术的持续进步，新的内存技术也继续强化现有的系统或创造全新的应用。在许多新兴的内存技术中，相变存储器（Phase Change Memory，PCM）是其中唯一接近大规模量产的技术。它同时具有高性能与非易失的特性，也可能是唯一全面兼容CMOS工艺、并能在近年内迅速量产的技术。预期相变存储器将对现代电子产品与市场产生非常巨大而深远的影响。相变存储器拥有非常广阔的应用前景，整个市场潜能非常好。

一、項目建设的必要性

虽然中国是全球最大的芯片消费国，但是中国的半导体技术还远远落后，关键芯片仍需依赖进口，相变存储器是未来中国取得全球半导体技术与电子产业领先地位的最佳选择。根据半导体发展的经验，新技术能早期推出者将获得最高的市场利益，后来者将面临激烈的市场竞争。相变存储器技术对于未来电子系统架构有很大的影响，也是中国电子产业迈入下一阶段必要获得的技术。相变存储器预计会有大量的市场需求，所以目前是大力发展相变存储器的最佳时机。

二、工艺技术

（一）PCM简介

相变存储器（phase change memory），简称PCM，利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。是基于奥弗辛斯基在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电子效应的存储器。

奥弗辛斯基电子效应是指材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据。

相变存储器（PCM或PCRAM）作为下一代存储技术的领先候选者。它不仅能取代闪存的应用，而且能够扩展非挥发性内存（NVM）到主流内存的应用（低功耗DRAM）、汽车（耐高温）、航空电子设备和军事设备（抗核电磁辐射爆炸）、关键任务领域（低功耗以及实时）、甚至到计算机硬盘。

（二）PCM工作原理

在非晶态下，GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出现在RESET操作之后，我们一般称其为RESET状态，在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度，然后突然对GST淬火将其冷却。冷却的速度对于非晶层的形成至关重要。非晶层的电阻通常可超过1兆欧。

在晶态下，GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在SET操作之后，我们一般称其为SET状态，在SET操作中，材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度，然后缓慢冷却使得晶粒形成整层。晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。晶态是一种低能态；因此，当对非晶态下的材料加热，温度接近结晶温度时，它就会自然地转变为晶态。

（三）工艺技术方案

本项目相变储存器（PCM）芯片集成工艺，是在NMOS管的漏端上制作专有的PCM制程（GST制程）及多层金属化制程，其在电路上表现为串联连接。NMOS管作为选通串联着的相变材料的开关器件，控制这对相变材料的擦操作和写操作，从而实现信息储存。

1、加热电极（Φ130nm）制备

·化学气相沉积（CVD）

本项目采用CVD的方式在外购NMOS半成品芯片上，依次沉积SiO2-Si3N4-SiO2层。

·加热电极光刻

·加热电极干法刻蚀

·去胶

·清洗

·W加热电极溅射沉积

·化学机械抛光（CMP）

2、通孔层电极（Φ260nm）制备

通孔层电极制备工艺主要流程为Si3N4、SiO2沉积→通孔层光刻→通孔层干法刻蚀→去胶→清洗→Ti/TiN黏附层沉积→通孔层W电极沉积→化学机械抛光（CMP），其中Si3N4、SiO2沉积、通孔层光刻、通孔层干法刻蚀、去胶、清洗、通孔层W电极沉积及化学机械抛光（CMP）工艺同加热电极（Φ130nm）制备。

3、GST（锗、锑、碲）层制备

GST（锗、锑、碲）层制备工艺主要流程为GST层光刻→GST层干法刻蚀→去胶→清洗→溅射沉积GST→化学机械抛光（CMP）→TiN溅射沉积。

4、Cu制程制备

Cu制程制备工艺主要流程为Si3N4、SiO2沉积→Cu制程光刻→Cu制程干法刻蚀→去胶→清洗→溅射沉积Cu→化学机械抛光（CMP）。

5、Al制程制备

Al制程制备工艺主要流程为溅射沉积→Al制程光刻→Al制程湿法刻蚀→去胶→清洗→化学机械抛光（CMP）。

6、钝化层（Si3N4）制备

钝化层（Si3N4）制备工艺主要流程为钝化层（Si3N4）沉积→钝化层光刻→钝化层干法刻蚀→去胶→清洗。

7、背面磨削减薄（BG）

芯片背面减薄工艺是在晶片表面电路制作完成后，对芯片背面硅材料进行磨削减薄，使其达到所需的厚度。

8、电学测试

主要通过电学测试设备，对产品进行电性测试、然后进行包装入库。

（四）主要工艺设备配备

本项目主要工艺设备配备见表。