近日，我校催化反应工程团队在3D NAND闪存芯片制造关键工艺研究中取得重要突破，相关成果以“Modelling and simulation of selective Si₃N₄ etching in 3D NAND structures”为题发表在化学工程领域权威期刊《Chemical Engineering Science》上。

3D NAND闪存通过垂直堆叠存储单元大幅提升存储密度，是突破摩尔定律极限的核心技术路线。其制造过程中，需用热磷酸溶液选择性刻蚀交替沉积的Si₃N₄/SiO₂多层结构中的Si₃N₄层，以形成存储单元所需的空腔。然而，该过程面临两大难题：一是SiO₂层被过度刻蚀导致绝缘性能恶化；二是反应产物H₂SiO₃浓度过高时发生SiO₂再沉积，堵塞刻蚀通道，直接导致芯片制造失败。

研究团队建立了可描述微观结构动态演化的数学模型，首次完整耦合了Si₃N₄和SiO₂的刻蚀反应、产物扩散以及支撑柱结构的影响。模型预测与实验数据吻合良好，验证了其准确性。

模拟揭示了刻蚀过程的深层机制：受限于高深宽比结构中的扩散阻力，H₂SiO₃浓度沿沟槽深度方向显著升高，导致底部刻蚀速率远低于顶部——Si₃N₄刻蚀深度上下偏差达58%，而SiO₂更是高达234%，这是刻蚀均匀性差的根本原因。研究还发现，支撑柱的存在会造成H₂SiO₃浓度的周期性波动，显著影响刻蚀时间和选择性，表明模型中必须考虑这一结构因素。

基于模型，团队系统评估了温度、磷酸浓度和H₂SiO₃浓度等工艺参数的影响，给出了兼顾刻蚀速率、选择性和抑制再沉积的优化方向。例如，适当拓宽沟槽可有效缓解扩散限制、抑制再沉积，但需在存储密度与工艺窗口间权衡。

该工作为3D NAND选择性刻蚀工艺的理性设计提供了定量化的理论工具和优化指导，对推动高深宽比微纳加工技术的发展具有重要意义。所建立的建模方法亦可拓展至其他湿法刻蚀工艺的优化。

论文第一作者为博士研究生杨道明，通讯作者为化工学院叶光华副教授和周兴贵教授。研究得到了国家自然科学基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2026.123473