探索工艺方案以提高 DRAM 设备性能

在先进的半导体制造领域，创建精确的器件轮廓（边缘形状）是实现目标片上电气性能的重要步骤。例如，DRAM 存储器器件中的鞍形鳍轮廓必须在工艺开发过程中精确制造，以避免存储器性能问题。在 DRAM 器件中引入鞍形鳍是为了增加通道长度、防止短通道效应并增加数据保留时间。

关键工艺设备设置（如蚀刻选择性或蚀刻工艺的气体比率）可显著影响制造的鞍形鳍轮廓的形状。这些工艺和轮廓变化对 DRAM 设备性能有显著影响。使用传统的硅测试探索所有可能的鞍形鳍轮廓组合可能具有挑战性，因为基于晶圆的测试既耗时又昂贵。为了解决这个问题，可以使用虚拟制造软件 (SEMulator3D ® ) 来测试不同的鞍形鳍轮廓形状，而无需花费基于晶圆的开发时间和成本。

在本文中，我们回顾了使用虚拟制造进行 DRAM 鞍形鳍片轮廓开发的示例。我们还评估了不同鞍形鳍片轮廓条件下的 DRAM 设备性能。该方法可用于指导工艺和集成团队开发 DRAM 设备的工艺配方和规格。

探索不同概况的挑战

假设您是一名 DRAM 工艺工程师，并且已经收到了新 DRAM 设计的标称工艺条件、设备规格和目标鞍形鳍片轮廓。您想探索一些不同的工艺选项和鞍形鳍片轮廓来改善 DRAM 设备的性能。您应该怎么做？这是集成和工艺工程师在 DRAM 工艺开发的早期研发阶段经常遇到的情况。

传统的探索马鞍鳍轮廓的方法很困难，有时甚至不切实际。这些方法涉及在硅晶片上创建一系列独特的马鞍鳍轮廓。这个过程耗时、昂贵，而且由于必须测试大量场景，在许多情况下是不切实际的。

解决这些挑战的一个方法是使用虚拟制造。SEMulator3D 允许我们在虚拟环境中创建和分析鞍形鳍片轮廓，然后提取和比较这些不同轮廓的器件特性。这种方法的优势在于它能够准确地模拟这些器件的实际性能，但比使用基于晶圆的测试更快、更便宜。

在虚拟环境中创建马鞍形翅片轮廓

首先，我们在 SEMulator3D 中输入器件的设计数据和工艺流程（或工艺步骤）。然后，该软件可以生成“虚拟” 3D DRAM 结构并提供鞍形鳍片轮廓的可视化效果（图 1）。在图 1（a）中，出现了一个包含整个模拟域的完整 3D DRAM 结构。为了能够进行详细的器件研究，我们从这个大的 3D 区域中裁剪了一小部分模拟域。在图 1（b）中，我们提取了鞍形鳍片结构的横截面图，可以通过改变工艺模型中的一组多蚀刻步骤来修改该结构。我们要修改的鞍形鳍片部分被称为“AA”（有源区域）。我们可以微调蚀刻锥角、AA/鳍片 CD、鳍片高度、锥角和其他标称器件参数来修改 AA 轮廓。

图 1：SEMulator3D 设置的工艺流程：(a) DRAM 结构和 (b) 马鞍鳍的横截面图以及马鞍鳍轮廓的主要规格。

使用我们在 SEMulator3D 中构建的结构，我们接下来将掺杂剂和端口分配给模拟结构并进行电气性能评估。准确分配掺杂剂种类并定义结构内的掺杂剂浓度对于确保模拟的准确性至关重要。在图 2(a) 中，我们展示了在 SEMulator3D 中生成的掺杂剂浓度分布。

端口是模型中的接触点，用于在器件研究期间施加或提取电信号。正确分配端口非常重要。 图 2(b) 提供了我们测试 DRAM 结构中端口分配的示例。通过准确分配端口和掺杂剂，我们可以提取器件在不同工艺场景下的电气特性。

图 2：(a) 掺杂浓度和 (b) 端口分配（蓝色）
 

可制造性验证

确保我们的模拟模型与实际结果相符非常重要。我们可以根据实际制造的设备的横截面图像（SEM 或 TEM 图像）验证我们的模型。为了确保我们的模拟设备与实际制造的芯片的行为相匹配，我们可以创建包含具有不同鞍形鳍片轮廓的 DRAM 结构的真实硅测试晶圆。

为了研究不同的鞍形鳍轮廓，我们在蚀刻机上使用不同的蚀刻配方来改变 DRAM 字线蚀刻步骤。这使我们能够在硅中创建特定的鞍形鳍轮廓，并将其与我们的模拟轮廓进行比较。工艺工程师可以更改蚀刻配方，并轻松创建与模拟横截面图像相匹配的硅基蚀刻轮廓，如图 3 所示。

在本案例中，工程师创建了标称（记录过程）轮廓、“圆形”轮廓（顶部为圆形）和三角形轮廓（顶部为三角形）。这些基于晶圆的数据不仅可用于测试 DRAM 在不同鞍形鳍片轮廓条件下的电气性能，还可以反馈到虚拟模型中以校准模型并确保其在未来使用过程中的准确性。

图 3：横截面图像与模型：（a）标称条件（记录过程），（b）圆形轮廓和（c）三角形轮廓

设备模拟和验证

在我们研究的最后阶段，我们回顾了不同鞍形鳍片轮廓形状的电气模拟结果。图 4 显示了圆形轮廓和三角形鞍形鳍片轮廓的模拟电气性能结果。对于这两个轮廓中的每一个，都显示了晶体管亚阈值摆幅 (SS)、导通电流 (Ion) 和阈值电压 (Vt) 的值，并显示了差异。工艺集成工程师可以使用这种类型的模拟来比较使用不同工艺方法的器件性能。在实际制造的器件上看到了相同的电气性能差异（趋势），验证了我们的模拟方法的准确性和可靠性。

图 4：器件电气模拟结果：圆形和三角鞍形鳍片轮廓之间的晶体管性能差异体现在亚阈值摆幅 (SS)、导通电流 (Ion) 和阈值电压 (Vt) 方面
 

结论

SEMulator3D 为半导体制造业带来了诸多好处。它使工艺集成团队能够了解不同工艺场景下的设备性能，并让他们轻松探索新工艺和架构机会。

在本文中，我们回顾了一个示例，说明如何使用虚拟制造来评估不同鞍形鳍片轮廓条件下的 DRAM 设备性能。图 5 显示了虚拟制造过程的摘要，以及我们如何利用它来理解、优化和验证不同的工艺场景。

虚拟制造可用于指导工艺和集成团队开发任何新型存储器或逻辑设备的工艺配方和规范，并且比基于硅的实验速度更快、成本更低。

图 5：虚拟制造过程摘要