孔洞和Te原子在快速可逆相变过程中起重要作用日前Gartner发布的2017年全球半导体市场初步统计显示，三星去年在全球半导体市场的份额达到14.6%，首次超越英特尔公司成为全球最大芯片制造商。

去年全球半导体收入为4197亿美元，同比增长22.2%。

供应不足局面推动存储芯片收入增长64%，它在半导体总收入中的占比达到31%。

除了三星首度登上全球第一大半导体厂，SK海力士跃居全球第3，美光排名也跃升至第4位。

供应不足引发的价格上涨成为了推动存储芯片收入增长的关键动力。

在半导体存储器中，市场主导的三种存储器技术为动态随机存储器(DRAM)、闪存(Flash)和静态随机存储器(SRAM)。

随着工艺技术节点推进至45nm 以下，目前这三种存储器技术都已经接近各自的基本物理极限，DRAM的进一步发展对光刻精度提出了巨大挑战；Flash中电容变得异常的高和薄，为了延伸进一步提升密度，Flash 的栅介质必须选用高k值的材料；而SRAM 则随着工艺的演进开始面临信噪比和故障率方面的挑战。

相变存储器就是基于O v s h i n s k y效应的元件，被命名为O v s h i n s k y电效应统一存储器.(O v s h i n s k y[3]首次描述了基于相变理论的存储器，材料在非晶态—晶态—非晶态相变过程中，其非晶态和晶态呈现不同的光学和电学特性，因此可以用非晶态代表“0”，晶态代表“1”实现信息存储，这被称为O v s h i n s k y电子效应。

)相变存储器利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读取、写入和擦除，工作原理是将数据的写入和读取分为3个过程——分别是“设置（Set ）”、“重置（Res et ）”和“读取（Re ad）”。

“Se t”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到晶化温度T x以上、熔点温度T m以下，相变材料形核并结晶，此时相变材料的电阻较低，代表数据“1”。

“R e s e t”过程就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到熔点温度T m以上，随后经过一个快速冷却的淬火过程（降温速率＞ 109K / s），相变材料从晶态转变成为非晶态，此时相变材料的电阻很高，代表数据“0”。

“Re ad”过程则是在器件2端施加低电压，如果存储的数据是“0”，那么器件的电阻较高，因而产生的电流较小，所以系统检测到较小的电流回馈时就判断是数据“0”；如果存储的数据是“1”，那么器件的电阻较低，因而产生的电流较大，所以系统检测到较大的电流回馈时就判断是数据“1”早期的相变存储材料由于结晶时会发生相变分离等原因，晶速率较慢（约微秒量级），如碲（T e）基合金，而到20世纪80年代初，科研人员发现了一批具有高速相变能力、晶态和非晶态具有明显光学性质差异的相变材料,其中G e - S b - T e体系是最成熟的相变材料，G e -S b - T e合金结晶速度快，因此写入和擦除速度都非常快，能够满足高速存储性能的要求，由I n t e l和意法半导体（STMicroelectronics）组建的恒忆（Numo n yx）公司开发的相变存储器（图2）就基于Ge-Sb-Te合金相变材料在非晶态和晶态之间的纳秒级相变导致的电阻巨大差异是相变存储器的进行数据储存的重要依据。

虽然很多材料在固态时都具有多重相态，但并不是所有的这些材料都具备相变材料的特征。

首先，材料在非晶态与晶态之间的电阻差异要大，才可以满足相变存储器的数据储存要求，比如王国祥[9]测量了Ge-Sb-Te薄膜的电阻，从GST薄膜的R-T曲线（图4）可以看到，非晶态- f c c - h e x的两个转变温度分别为168℃和约300℃，非晶与h e x结构的薄膜电阻率相差约为6个数量级，非晶与f c c结构则相差4个数量级,这样的电阻差异就能够满足存储要求；其次，材料的结晶速度要很快（纳秒级），且相变前后材料的体积变化要小，晶态和非晶态可循环次数高，以保证数据能够高速重复写入，这就意味着用作存储材料可以获得更快的操作速度；最后对材料的热稳定性也有一定要求，结晶温度足够高，材料的热稳定性会好，以保证相变存储器可以在较高的温度下工作，数据才能够保存足够长时间，但是结晶温度过高也会带来负面影响，比如需要更高的操作电压或电流等。

首先，在相变存储单元中，选通器件（MOS 晶体管或二极管）的驱动能力是有限的（0.5 mA/m），而器件RESET 操作固有的能耗决定了器件的能量效率，因此我们需要降低相变材料层中有效相变区域的非晶化电流，以降低器件操作驱动的难度，有效降低器件的操作功耗；其次，GST 材料本身的结晶温度过低，造成了材料的非晶态热稳定性较差的问题，使GST 材料研究发现，通过掺杂的方法不仅大大提高了GST 材料的晶态电阻，降低了器件的RESET 功耗，同时提升了材料的晶化温度，显著改善了材料非晶相的数据保持能力。

进一步研究发现，与掺杂N、O、Si和Sn元素或化合物SiO2、TaO x和HfO2相比，C 元素掺杂对非晶态GST 材料的原子和电子结构的影响更加显著。

掺入的C元素增加了GST 材料中四面体的Ge 原子比重，从根本上改变了材料局部非晶态结构的次序[8、9]。

另一方面，有报道指出，通过限制相变材料尺寸来降低有效相变体积可以大大减少晶态材料的非晶化能量[10]。

在高度缩小的限制型结构器件中，一个关键的要素是采用CVD、MOCVD 、ALD[11-13]等先进薄膜沉积工艺将相变材料填充到具有高深宽比的小尺寸结构中。

而在使用上述保型沉积工艺制备相变薄膜时，可以很容易的从料源前驱体和共反应物中实现C 原子的掺杂，这是掺C 相变材料与其他候选材料相比的又一个突出优势。

化学机械抛光的主要要素在CMP工艺中，主要涉及到的要素是晶圆、抛光垫和抛光液以及与此技术相匹配的抛光垫、修复盘和晶圆在抛光前后的清洗液。

(a)抛光机抛光机台是CMP的基础，大多有抛光底盘、抛光头、在线检测装置以及其他部件组成。

(b)抛光垫抛光垫是CMP系统的重要组成部分，抛光垫的材料性能和硬度直接影响着抛光垫的性能，进而也影响着CMP的平坦化能力；同时其也是CMP过程中的重要消耗品之一为了获得较好的抛光速度和抛光效果，抛光垫一般具有以下的基本条件：1)对抛光液保持性好，能高效率地研磨去除；2)抛光垫表面具有适当的刚性，能确保平坦化；3)抛光垫表面随晶片弯曲有一定变形，可得较好的均匀性；4)可以把抛光副产物转移离开晶圆表面，以便抛光液能与新生表面更好的反应去除；5)应减少抛光垫材料中的杂质，以便晶圆片有好的清洗效果常用于化学机械抛光的抛光垫根据材料表面微观结构可以分为四类：(1)毡和注入聚合物的毡抛光垫；(2)多孔性合成革抛光垫；(3)填充聚合物的抛光垫；(4)非充填织状聚合物抛光垫(c)抛光液抛光液既影响CMP化学作用过程，又影响CMP机械作用过程，是影响CMP质量的决定性因素之一抛光液通过化学作用与晶圆的表面发生化学反应，对材料表面进行改性，然后通过磨料与抛光垫、晶圆表面之间的接触摩擦作用，实现对晶圆表面材料的去除和其他的作用。

在抛光液特性研究方面，通过改变组分及其百分含量，改变抛光液的物理化学特性，从而实现改变抛光效果，最终再由抛光效果不断调整组分使其满足抛光要求。

抛光液，其一般主要包括磨料、氧化剂、络合剂、腐蚀缓蚀剂、表面活性剂、pH调节缓冲剂和其他添加剂等.目前抛光液中使用的磨料主要有SiO2、CeO2、和Al2O3以及两者之间的复合磨料等。

其中CeO2抛光液对氧化硅介质材料的去除速率高，抛光表面粗糙度低，但其粘度大，对氧化硅吸附性严重，后续清洗困难；SiO2抛光液选择性和分散性好，可用于大部分抛光应用，后续清洗容易，抛光后表面质量好，但去除速率偏低；Al2O3抛光液的抛光速率高，但是表面划伤严重，多用于粗抛。

氧化剂通过氧化晶片材料的表面，在材料的表面生成氧化膜，以提高材料的去除速率。

其在CMP工艺尤其是金属抛光过程中起着重要的作用。

常用的氧化剂有硝酸、双氧水、三价铁离子、碘酸盐、高锰酸盐和络酸盐等。

络合剂可以通过与溶液中的金属离子或者金属氧化物发生络合反应，加快抛光过程中的化学反应，使得抛光速率得到明显的提高。

常用的络合剂主要有氨类(氨水和氨基酸)以及有机酸等。

腐蚀缓蚀剂其定义是一种在低浓度下即可抑制腐蚀介质对金属腐蚀的物质。

其可以消除抛光后金属表面的腐蚀等缺陷。

目前腐蚀缓蚀剂主要分为以下几类：a 无机腐蚀缓蚀剂(钝化剂) 主要有铬酸盐，重铬酸盐，亚硝酸盐以及硅酸盐等；b 有机腐蚀缓蚀剂，包括有机胺、醛、有机膦酸等。

表面活性剂主要有四类：阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和非离子型表面活性剂。

表面活性剂可通过与颗粒表面成键、亲水/疏水以及静电吸引作用等修饰磨料表面和吸附在金属的表面改变金属的表面张力。

根据不同的应用，需要抛光液处于不同的pH条件，经常需要合适的pH调节剂/缓冲剂实现不同的pH的抛光液，目前常用的抛光液主要有酸性抛光液和碱性抛光液。

在实际应用中，在抛光液中常加入各类盐，其作用不仅可以保持整个抛光液悬浮体系合适的离子强度，控制研磨颗粒表面的双电层，从而保证悬浮体系的稳定性；而且某些金属离子或者阴离子可以促进或者抑制抛光的进行。

如F2+、Cu2+加入含有H2O2的抛光液中，能促进H2O2的分解产生大量活性更强的OH*自由基，从而加快抛光的进行在GST CMP中，影响CMP技术的因素有很多，主要归纳为物理因素和化学因素。

物理因素包括温度，压力和转速、抛光液流速，抛光垫等。

Dong-Hee Shin等人[61]研究了衬底的温度对GST CMP的影响，如图1.8所示。

其研究发现衬底温度的升高，增加了GST薄膜中的晶粒。

虽然衬底的温度对GST的去除速率的影响不大，但是衬底温度的升高造成了元素Te在GST抛光后的残留，从而增加了抛光后GST薄膜的粗糙度。

因此降低GST衬底的温度有利于保持GST成分的稳定。

钟旻[62]研究了在酸性条件下8英寸的GST的化学机械抛光的工艺参数，其结果表明随着压力和转速的增加，去除速率先增加，后下降。

对于抛光液流量则是随着流量的增大，GST的去除速率逐渐增大最后呈现饱和的趋势，但是流量的增大会产生较多的GST 腐蚀。

何敖东[63]研究了12英寸的GST抛光的转速，压力、抛光液的流量以及抛光垫对GST CMP 的影响，如图1.9所示。

其结果表明高压力和高转速会使GST的表面质量恶化，但是高的抛光液流量有助于改善表面质量。

GST的抛光需要温和的工艺参数，如压力为1psi，流量为500ml/min，转速为53/50的条件下，GST的去除速率大于200nm/min。