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

隨著(zhù)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(jìn)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(guò)程直接受晶體管所控制。隨著(zhù)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(jìn)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(jìn)DRAM工藝中存在的AA形狀扭曲和與之相關(guān)的微負載效應與制造變量。

AA扭曲及其機理

領(lǐng)先DRAM制造商幾乎所有已商業(yè)化的DRAM產(chǎn)品都存在A(yíng)A形狀扭曲。除中心線(xiàn)不穩定以外，這種扭曲還體現在切割區域周邊的關(guān)鍵尺寸差異（見(jiàn)圖1）。

            圖1. 三家不同制造商生產(chǎn)的1x DRAM器件的AA剖面圖

圖2為晶體管鰭片刻蝕工藝的簡(jiǎn)要示意圖。在鰭片 (AA) 干法刻蝕工藝中，側壁會(huì )因刻蝕副產(chǎn)物的鈍化作用而出現錐形輪廓。由于A(yíng)點(diǎn)所處區域需要去除的硅要多于B點(diǎn)所處區域，A區域消耗的反應物更多，產(chǎn)生的副產(chǎn)物也會(huì )更多（見(jiàn)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(guò)B區域的側壁（見(jiàn)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(chuàng )新的偽3D方法，實(shí)現基于2D迫近函數的圖形建模。通過(guò)這種建模技術(shù)，我們可以創(chuàng )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(guò)SEMulator3D模擬的DRAM 3D結構和平面圖、布局設計和圖形相關(guān)掩膜。通過(guò)對比可以看出，圖3 (d) 和圖1 (c) 所呈現的AA扭曲形態(tài)是類(lèi)似的，這證明模型能正確反映實(shí)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(lái)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(xiàn)切開(kāi)的3D視圖；(b) 沿字線(xiàn)切開(kāi)的橫截面圖；(c) 沿鰭片頂部切開(kāi)的3D視圖；(d)沿鰭片中間切開(kāi)的3D視圖；(e) 沿鰭片底部切開(kāi)的3D視圖

器件模擬與分析

在具有埋入式字線(xiàn)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(jiàn)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(diǎn)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(lái)自全環(huán)路DRAM結構的單個(gè)器件進(jìn)行了電氣分析（見(jiàn)圖5 (b)）。通過(guò)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(jiàn)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(tài)漏電流分布?？梢钥闯?，無(wú)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(chǎng)對其沒(méi)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。

                  圖6. 從鰭片表面到中心在不同側壁角度下的通道泄漏形態(tài)

總結

本研究使用SEMulator3D建模和分析了先進(jìn)DRAM工藝中的晶體管微負載效應。分析結果表明，圖形相關(guān)刻蝕中的微負載效應會(huì )導致AA形狀扭曲，這種微負載效應將嚴重影響器件的電氣性能，其中涉及的斷態(tài)泄漏更是決定DRAM單元數據保留能力的關(guān)鍵因素。