文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介紹了3D NAND閃存制造中的Channel Hole（溝道通孔）。

Channel Hole（溝道通孔）是3D NAND閃存制造中的核心工藝步驟。它是指在垂直堆疊的多層?xùn)艠O或介質(zhì)層中，刻蝕出貫穿整個(gè)堆疊結(jié)構(gòu)的細(xì)長通孔。這些通孔從頂層延伸至底層，垂直于晶圓表面，穿過上百層存儲(chǔ)單元。

該孔洞是后續(xù)形成存儲(chǔ)單元串的物理基礎(chǔ)。在孔內(nèi)將依次沉積電荷存儲(chǔ)層、溝道材料（通常為多晶硅）以及核心填充介質(zhì)?？妆谏系拿總€(gè)柵極層與溝道相交的區(qū)域構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)晶體管，一個(gè)孔貫穿所有層即形成一個(gè)完整的NAND串。通孔的深度與堆疊層數(shù)直接相關(guān)，若層數(shù)超過400層，深度可達(dá)10微米左右，而直徑僅為100納米左右，屬于高深寬比結(jié)構(gòu)。

刻蝕工藝步驟

Channel Hole刻蝕通常分為三步進(jìn)行。首先，需要沉積一層無定形碳膜。由于碳具有很高的耐刻蝕性能，在刻蝕高深寬比通孔時(shí)，碳掩模能夠抵抗刻蝕過程中的化學(xué)氣體，保護(hù)下方的疊層結(jié)構(gòu)不被刻蝕。其次，采用電感耦合等離子體刻蝕設(shè)備（ICP-RIE），以氧氣為主的氣體對無定形碳膜進(jìn)行刻蝕，形成掩模圖形。最后，采用電容耦合等離子體刻蝕設(shè)備（CCP-RIE），以含氟氣體為主對通孔進(jìn)行最終刻蝕，穿透整個(gè)堆疊層到達(dá)底部襯底。

主要挑戰(zhàn)與難點(diǎn)

隨著3D NAND層數(shù)不斷增加，Channel Hole工藝的難度呈指數(shù)級上升。當(dāng)堆疊層數(shù)突破232層時(shí)，通孔深度達(dá)到10至12微米，而直徑僅幾十納米，深寬比已遠(yuǎn)超40:1。在此條件下，刻蝕方向性要求達(dá)到極限，容易出現(xiàn)刻偏、彎曲、瓶頸或刻不穿等問題。

刻蝕輪廓控制是另一大難題。由于物理化學(xué)限制，孔壁難以做到絕對垂直，會(huì)形成一定錐度。即使微小的傾斜也會(huì)導(dǎo)致孔頂與孔底直徑出現(xiàn)顯著差異，進(jìn)而引起不同層存儲(chǔ)單元的電氣特性不一致。此外，工藝中還可能出現(xiàn)彎曲、扭曲、底部刻蝕不完全、側(cè)壁弓形凹陷等復(fù)雜形變。

關(guān)鍵尺寸均勻性同樣面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在同一晶圓上需要刻蝕數(shù)萬億個(gè)通孔，并保證所有孔的直徑和形狀高度一致。晶圓中心與邊緣的刻蝕條件差異、孔內(nèi)頂部與底部的反應(yīng)物傳輸不均，都會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵尺寸的波動(dòng)，進(jìn)而影響存儲(chǔ)單元的電流和閾值電壓，降低良率。

微加載效應(yīng)在高層數(shù)下被顯著放大。密集區(qū)域刻蝕慢而稀疏區(qū)域刻蝕快，這種差異會(huì)導(dǎo)致上寬下窄、上窄下寬或中間瓶頸等形貌不一致現(xiàn)象，是通孔刻蝕最難控制的情況之一。

此外，高深寬比刻蝕會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，容易在孔內(nèi)再沉積或污染晶圓載體?？涛g過程中還需及時(shí)排除通孔底部的生成物，并防止掩模被過度侵蝕、通孔因應(yīng)力而發(fā)生畸變（如彎曲、扭曲、傾斜）。

關(guān)鍵工藝技術(shù)與氣體

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，業(yè)界在設(shè)備、材料和工藝上進(jìn)行了大量創(chuàng)新。高深寬比刻蝕設(shè)備是核心裝備，工藝上需要原子級的精確控制同時(shí)實(shí)現(xiàn)微米級的刻蝕深度。由于光刻膠無法承受長時(shí)間刻蝕，需先刻蝕一層硬掩模（通常為無定形碳），但隨著深寬比提升，業(yè)界正研究摻雜無定形碳或新型硬掩模材料。

刻蝕氣體方面，主要使用含氟氣體（如SF?、NF?）提供氟原子以刻蝕硅、多晶硅和氧化物。同時(shí)使用C?F?或C?F?等氫氟烴類氣體，在刻蝕過程中于側(cè)壁原位生成聚合物保護(hù)層，抑制橫向刻蝕并防止塌陷。氧氣用于調(diào)節(jié)聚合物厚度以保持刻蝕方向性，氬氣或氦氣則用于穩(wěn)定等離子體、提升方向性。隨著層數(shù)增加至232層以上，這些氣體的用量均有大幅提升，其中側(cè)壁保護(hù)氣體的用量增長最快，可達(dá)70%至100%。

Channel Hole工藝是3D NAND技術(shù)的核心瓶頸。它從物理上定義了存儲(chǔ)單元，其質(zhì)量直接決定了產(chǎn)品的存儲(chǔ)密度、性能均勻性、可靠性和最終成本。通孔刻蝕決定了能否實(shí)現(xiàn)高層數(shù)堆疊、良率能否提升、工藝能否穩(wěn)定量產(chǎn)。隨著行業(yè)向300層、500層邁進(jìn)，通孔刻蝕將成為NAND制程中最關(guān)鍵的技術(shù)戰(zhàn)場。