相变存储器(Phase Change Random Access Memory，简称PCRAM)因为具有读写速度快、循环次数高、功耗低以及和现有的CMOS工艺兼容等优点，成为最被看好的下一代非易失性存储器并最先成为商用的半导体存储器件。国内外众多研究机构及半导体行业巨头经过不懈的努力在基础研究及产品商业化上取得了令人瞩目的成果，使PCRAM成功实现了产业化。本文基于40nm标准CMOS工艺，围绕PCRAM的核心存储单元-可逆相变电阻的制备关键技术，对多道关键刻蚀工艺进行了开发与优化，重点围绕相变材料和纳米加热电极材料的刻蚀工艺及其机理展开了深入而系统的研究，为PCRAM产品开发提供了核心的单项工艺支撑，取得了如下主要结论:　　1.相变材料的刻蚀工艺是实现PCRAM产业化的至关重要核心问题。本文基于12英寸平台开发了相变材料的刻蚀工艺，研究了相变材料Ge2Sb2Te5(GST)在刻蚀过程中的工艺控制，包括关键尺寸(Critical dimension, CD)控制、均匀性控制、微负载效应控制以及刻蚀终点控制。系统研究了相变材料GST的刻蚀损伤机理，通过刻蚀后表面材料组分、粗糙度以及侧壁形貌等研究了不同卤素等离子体对GST刻蚀的影响。结果表明GST在Cl2等离子体条件下表面容易被腐蚀形成高粗糙度的侧壁，在CF4气体中F离子容易对侧壁产生渗透，造成刻蚀损伤，而在HBr等离子体中能够达到最佳的刻蚀形貌与最小的刻蚀损伤，优化后的相变材料刻蚀工艺已经成功应用在PCRAM试验芯片的研制。同时开发了与刻蚀工艺配套的清洗工艺，用于清除刻蚀过程中产生的残留，结果表明，3000∶1稀释浓度下的HF溶液清洗20秒能够满足工艺的要求。　　2.新型相变材料的应用是体现PCRAM自主知识产权的核心技术之一，本文开发了自主新型相变材料TiSbTe的刻蚀工艺，研究了稀释气体在TiSbTe刻蚀过程中的作用。开发了新型相变材料SiSbTe的刻蚀工艺，研究了SiSbTe刻蚀过程中的刻蚀损伤，利用刻蚀后原位氮气等离子体处理减轻了SiSbTe在刻蚀过程中容易被氧化的问题，完成了基于TiSbTe以及SiSbTe的PCRAM器件制作并对其进行了电学表征。　　3.高密度和低功耗是PCRAM的主要研究方向，减小纳米操作电极与相变材料的接触面积是最为有效的方法。为此，本文研究了两种新型金属电极的制作工艺，并成功实现了新型电极在PCRAM中的工艺集成。其中刀片电极制作采用了“SPACER”分步成型法，实现金属电极在三个方向上的隔离，成功地制作了接触面积为80nm×8nm的TiN刀片电极。而采用回刻蚀工艺制作的钨电极，顶部与相变材料接触的直径仅为30nm。上述新型纳米操作电极有效地实现了提高器件集成度和降低器件功耗的目的。　　4.阻碍PCRAM产业化的难题之一是相变材料的热稳定性问题，本文研究了相变材料的热稳定性以及半导体工艺中的高温制程对其性能的影响。结果表明，相变材料GST的退火极限温度约为410度，更高的温度将引起GST线条与衬底之间产生间隙甚至剥离，从而引起器件失效。在相变存储器件的后段工艺集成中，针对热制程引起的相变存储器件失效，研究了影响器件可靠性的关键因素，结果表明GST掺氮工艺、GST制备过程的热板工艺以及低温电介质沉积工艺可以有效地改善器件的热稳定性，大大地提高产品良率。　　5.上述各项单项工艺最终都成功应用于PCRAM实验芯片的研制，为我国PCRAM芯片的产业化提供了关键的核心工艺。