无定形碳膜：为何成为 3D NAND 硬掩模的首选材料

在半导体领域，材料的选择对于器件性能起着至关重要的作用。本文将深入探讨为什么选碳作为 3D NAND 的硬掩模，首先让我们了解一下无定形碳膜。

无定形碳膜（Amorphous Carbon Film），也就是非晶碳膜，它是一种由碳原子构成但没有长程有序结构的薄膜材料。与金刚石或石墨中碳原子规则排列不同，这种不规则排列使其被称为 “无定形”。

可能大家对无定形碳膜还是有些陌生，如果我说出它的另一个名字，大家就恍然大悟了。无定形碳膜，又可以被叫做类金刚石碳膜（DLC, Diamond-Like Carbon），该膜层能够为几乎任何材料的表面实现类似于金刚石的一些特性。

无定形碳膜具有多种不同的形式。DLC 一共有 9 种不同的形式，分别为 aC，aC:H，aC:Me，aCMe，aC:X，aCX，ta - C，ta - C:H，ta - C:X 等，并且每种形式都有大量的 sp3 杂化轨道。其中 ta - C 最硬，它未掺入任何其他元素，而其他种类的无定形碳则使用了氢、石墨和金属等填料以改变其结构与性能。

无定形碳膜拥有众多优秀品质：

●硬度极高：DLC膜的硬度可以达到70 GPa，接近天然金刚石的硬度（约为80-120 GPa）。

●润滑性好：sp³杂化轨道越多，润滑性越好。在干燥条件下的摩擦系数很低（0.1-0.2） 耐磨性极佳。

●化学惰性强：能够抵抗酸、碱和一些有机溶剂的侵蚀。

●电绝缘性好：电阻率很高，适用于需要电绝缘保护的应用场景。

在 3D NAND 中，主要看中了 DLC 的硬度，这样在进行沟道通孔刻蚀时，可以保护下层的堆叠层不受伤害。

无定形碳膜的制备方法主要有物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两种。PVD 使用石墨形式的固体碳作为其碳源，包括电弧、溅射和激光等方法。CVD 则使用烃类气体（如甲烷）作为其碳源，包括射频（RF）、直流（DC），自放电等方法。而硬掩模的刻蚀，蚀刻气体以 O₂为主，可加入一些 N₂与 H₂。

总的来说，碳材料凭借无定形碳膜的这些特性，成为了 3D NAND 硬掩模的理想选择，在推动 3D NAND 技术发展中发挥着重要作用。