原文出自 Nanomaterials 期刊

Zhang, J.; Fang, W.; Wang, R.; Li, C.; Zheng, J.; Zou, X.; Song, S.; Song, Z.; Zhou, X. Nanoscale Phase Change Material Array by Sub-Resolution Assist Feature for Storage Class Memory Application. Nanomaterials 2023, 13, 1050. https://doi.org/10.3390/nano13061050

文章导读

相变存储器中相变材料阵列的尺寸微缩和功耗控制是其在存储级内存中应用的关键。大规模高密度的相变材料阵列制造对关键尺寸与工艺稳定性提出了极高的要求。然而光刻工艺中的光学邻近效应 (Optical Proximity Effect, OPE) 和刻蚀工艺中的微负载效应是在 12 寸晶圆上制备均匀的小尺寸相变材料阵列的主要挑战。

亚分辨率辅助图形 (Sub-Resolution Assist Feature, SRAF) 是光刻工艺中一种典型的分辨率增强技术，通过在掩膜版上图形两侧插入尺寸小于分辨率极限的图形以改良其邻近环境，增强工艺稳定性。中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员团队在 Nanomaterials 期刊发表了研究论文，将 SRAF 设置在图形阵列边缘，成功地制备了均匀的光刻胶图形阵列。又通过对刻蚀参数的调整，很好地控制了阵列边缘的微负载效应和刻蚀损伤。作者在 12 寸晶圆上成功地制备了半周期为 70 nm 的均匀相变材料阵列，为大规模高密度相变存储器的制备提供了工艺方案。

研究过程和结果

作者通过聚焦-能量矩阵实验，确定了制备 70 nm 半周期的最佳曝光条件为 34 mJ/cm² 的曝光能量与 0 μm 的聚焦值，并研究了不同 SRAF 对 OPE 的修正作用。修正效果最好的 SRAF 被采用，其光刻结果如图 1所示。结果表明，SRAF 的放置有效削弱了 OPE，增大了阵列边缘线条的线宽，阵列内和阵列间线宽均匀性得到了显著改善，其中没有检测到图形间的重大缺陷。通过使用 SRAF 修正 OPE，在光刻后获得均匀的线条阵列。

图 1. 显影后不同阵列边缘线条的 SEM 图片。光刻工艺在掩模版上主要图形边缘附加的SRAF的条件下进行。阵列类型被标记在图片上方，被选定的 E/F 参数：26/0，34/0 和 38/0 分别被标记在顶部、中部和底部的周期线图形上；阵列边缘线条的 CD 标注在图片下方。

基于光刻后的均匀线条阵列，作者在刻蚀过程中降低了耦合功率并提高了偏置电压，刻蚀结果如图 2 所示。优化后的等离子体刻蚀工艺成功地抑制了阵列上的微负载效应，减少了等离子体刻蚀损伤，使得薄膜的图形得到了很好的保留。刻蚀后的阵列边缘的白色线条是典型的微负载效应引起的 SiO₂ 过度刻蚀所致。

图 2. SRAF 光刻以及等离子体刻蚀后不同阵列边缘线条的 SEM 图像。阵列类型被标记在图片上方，被选定的 E/F 参数：26/0，34/0 和 38/0 分别被标记在顶部、中部和底部的周期线图形上。边缘的白色条纹是因为微负载效应造成的 SiO₂ 过刻。

图 3 展示了光刻与刻蚀工艺协同优化后制备的周期线条阵列。可以看到，作者成功制备了 7.4×6.9 μm² 的均匀且无缺陷的周期线条阵列。图 3 (b~d) 所示的 TEM 结果展示了周期线阵列刻蚀后的横截面图。薄膜被成功刻蚀成均匀线条阵列，阵列边缘的线宽与其余线宽近似，阵列底部的 SiO₂ 过刻蚀程度适中。此外，相变材料的刻蚀损伤也被控制在最小，如图 4 的 STEM 和 EDS 分析所示。Ge、Sb、Te、Ti 和 N 原子的元素谱图表明了在薄膜中没有原子扩散，元素均匀分布。

图 3. SRAF 光刻与等离子体刻蚀后 TiN/GSTC 周期线阵列的图片，E/F 参数为 34/0。周期线阵列的 (a) 俯视图，(b) 横截面 TEM 图片；阵列 (c) 边缘和 (d) 中心区域的放大横截 TEM 图片。

图 4. 在 SRAF 光刻与等离子体刻蚀后周期线阵列 TiN/GSTC 叠层横截面的 STEM 和对应的元素映射分析。(a) STEM 图像；(b) Ti、(c) N、(d) Ge、(e) Sb 以及 (f) Te 的 EDS 图，比例尺为 200 nm。

文章总结

本文研究了光刻中的 OPE 和等离子体蚀刻中的微负载效应对相变材料阵列形貌的影响。通过添加优化的 SRAF 结构有效地减小了光刻过程中的 OPE，从而提高了阵列线宽的均匀性。在 12 英寸晶圆上成功地制备了多种 70 nm 半周期阵列。采用优化等离子体刻蚀技术和 SRAF 光刻技术相结合，在线条阵列中实现了较高的均匀性与极小的刻蚀损伤。该研究在不增加工艺复杂度的前提下为高密度、高可靠性存储阵列的制造提供了新的方案。

Nanomaterials 期刊介绍

主编：Shirley Chiang, University of California Davis, USA

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2022 Impact Factor：5.3

2022 CiteScore：7.4

Time to First Decision：12.7 Days

Time to Publication：33 Days