微結構不均勻性（負載效應）及其對器件性能的影響：對先進DRAM工藝中有源區形狀扭曲的研究

2021-08-26 來源：21IC電子網

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隨著晶體管尺寸縮小接近物理極限，制造變量和微負載效應正逐漸成為限制DRAM性能（和良率）的主要因素。而對于先進的DRAM，晶體管的有源區（AA）尺寸和形狀則是影響良率和性能的重要因素。

在DRAM結構中，電容存儲單元的充放電過程直接受晶體管所控制。隨著晶體管尺寸縮小接近物理極限，制造變量和微負載效應正逐漸成為限制DRAM性能（和良率）的主要因素。而對于先進的DRAM，晶體管的有源區（AA）尺寸和形狀則是影響良率和性能的重要因素。在本研究中，我們將為大家呈現，如何利用SEMulator3D研究先進DRAM工藝中存在的AA形狀扭曲和與之相關的微負載效應與制造變量。

AA扭曲及其機理

領先DRAM制造商幾乎所有已商業化的DRAM產品都存在AA形狀扭曲。除中心線不穩定以外，這種扭曲還體現在切割區域周邊的關鍵尺寸差異（見圖1）。

圖1：三家不同制造商生產的1xDRAM器件的AA剖面圖

圖2為晶體管鰭片刻蝕工藝的簡要示意圖。在鰭片（AA）干法刻蝕工藝中，側壁會因刻蝕副產物的鈍化作用而出現錐形輪廓。由于A點所處區域需要去除的硅要多于B點所處區域，A區域消耗的反應物更多，產生的副產物也會更多（見圖2（b））。這樣，在鰭片刻蝕后，A區域側壁的鈍化錐度就要超過B區域的側壁（見圖2（c）），這也就是AA形狀扭曲的原因。

圖2：鰭片刻蝕工藝中的AA形狀扭曲：（a）刻蝕前硬掩膜的頂視圖；（b）A、B兩區域的圖形刻蝕對比；（c）鰭片刻蝕后的頂視圖

AA扭曲的建模

SEMulator3D采用創新的偽3D方法，實現基于2D迫近函數的圖形建模。通過這種建模技術，我們可以創建DRAM器件的3D模型并模擬出AA形狀扭曲現象。圖3展示的是通過SEMulator3D模擬的DRAM 3D結構和平面圖、布局設計和圖形相關掩膜。通過對比可以看出，圖3（d）和圖1（c）所呈現的AA扭曲形態是類似的，這證明模型能正確反映實際制造結果。圖4展示的是不同鰭片高度的AA剖面圖，從中可以看出結構底部的扭曲幅度要遠高于器件頂部的扭曲。

圖3：（a）布局設計；（b）硬掩膜生成的PDE掩膜；（c）鰭片刻蝕后的3D結構；（d）來自鰭片中部平面切口的AA形狀

圖4：不同鰭片高度的AA剖面：（a）沿字線切開的3D視圖；（b）沿字線切開的橫截面圖；（c）沿鰭片頂部切開的3D視圖；（d）沿鰭片中間切開的3D視圖；（e）沿鰭片底部切開的3D視圖

器件模擬與分析

在具有埋入式字線的DRAM單元中，晶體管通道位于鰭片中部附近，這里的形狀扭曲要比鰭片頂部嚴重（見圖4（c）和（d））。在這種情況下，受側壁鈍化的影響，該通道下方的鰭片CD也要大很多。

圖5：電容接觸點形成后的DRAM結構：（a）3D視圖；（b）切出的單器件；（c）鰭片切面和端口定義

為評估AA形狀扭曲對器件性能的影響，我們用SEMulator3D建模了0.1、2.5和5度的側壁裂角以模擬不同程度的AA扭曲，并使用來自全環路DRAM結構的單個器件進行了電氣分析（見圖5（b））。通過SEMulator3D分配電端口（源極、漏極、柵極和襯底）即可獲得電氣測量值（見圖5（c）），之后使用SEMulator3D內置漂移/擴散求解器即可計算不同程度AA扭曲可能導致的電氣性能變化。

圖6展示的是不同側壁角度下鰭片的斷態漏電流分布。可以看出，無論側壁角度如何，大部分漏電流集中在鰭片的中心，它們遠離柵極金屬，柵極電場對其沒有太大影響。由于厚鰭（側壁角度較大）的柵極可控性更低，其漏電流密度要遠高于更薄的鰭片。