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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

作者:謝世誠時間:2021-08-26來源:DOIT收藏

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性能(和良率)的主要因素。而對于先進的,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。

本文引用地址:http://www.hifi-yinxiang.com/article/202108/427817.htm
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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)。

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            圖1. 三家不同制造商生產的1x DRAM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。

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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。

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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

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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。

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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。

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                  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

總結

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



關鍵詞: DRAM 微結構

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