对先进DRAM工艺中有源区形状扭曲的研究
在dram结构中，电容存储单元的充放电过程直接受晶体管所控制。随着晶体管尺寸缩小接近物理极限，制造变量和微负载效应正逐渐成为限制dram性能（和良率）的主要因素。而对于先进的dram，晶体管的有源区 (aa) 尺寸和形状则是影响良率和性能的重要因素。在本研究中，我们将为大家呈现，如何利用semulator3d研究先进dram工艺中存在的aa形状扭曲和与之相关的微负载效应与制造变量。
aa扭曲及其机理
领先dram制造商几乎所有已商业化的dram产品都存在aa形状扭曲。除中心线不稳定以外，这种扭曲还体现在切割区域周边的关键尺寸差异（见图1）。
图1. 三家不同制造商生产的1x dram器件的aa剖面图
图2为晶体管鳍片刻蚀工艺的简要示意图。在鳍片 (aa) 干法刻蚀工艺中，侧壁会因刻蚀副产物的钝化作用而出现锥形轮廓。由于a点所处区域需要去除的硅要多于b点所处区域，a区域消耗的反应物更多，产生的副产物也会更多（见图2 (b)）。这样，在鳍片刻蚀后，a区域侧壁的钝化锥度就要超过b区域的侧壁（见图2 (c)），这也就是aa形状扭曲的原因。
图2. 鳍片刻蚀工艺中的aa形状扭曲 (a) 刻蚀前硬掩膜的顶视图；(b) a、b两区域的图形刻蚀对比；(c) 鳍片刻蚀后的顶视图
aa扭曲的建模
semulator3d采用创新的伪3d方法，实现基于2d迫近函数的图形建模。通过这种建模技术，我们可以创建dram器件的3d模型并模拟出aa形状扭曲现象。图3展示的是通过semulator3d模拟的dram 3d结构和平面图、布局设计和图形相关掩膜。通过对比可以看出，图3 (d) 和图1 (c) 所呈现的aa扭曲形态是类似的，这证明模型能正确反映实际制造结果。图4展示的是不同鳍片高度的aa剖面图，从中可以看出结构底部的扭曲幅度要远高于器件顶部的扭曲。
图3. (a) 布局设计；(b) 硬掩膜生成的pde掩膜；(c)鳍片刻蚀后的3d结构；(d)来自鳍片中部平面切口的aa形状
图4. 不同鳍片高度的aa剖面 (a) 沿字线切开的3d视图；(b) 沿字线切开的横截面图；(c) 沿鳍片顶部切开的3d视图；(d)沿鳍片中间切开的3d视图；(e) 沿鳍片底部切开的3d视图
器件模拟与分析
在具有埋入式字线的dram单元中，晶体管通道位于鳍片中部附近，这里的形状扭曲要比鳍片顶部严重（见图4 (c)和 (d)）。在这种情况下，受侧壁钝化的影响，该通道下方的鳍片cd也要大很多。
图5. 电容接触点形成后的dram结构 (a) 3d视图；(b)切出的单器件；(c)鳍片切面和端口定义
为评估aa形状扭曲对器件性能的影响，我们用semulator3d建模了0.1、2.5和5度的侧壁裂角以模拟不同程度的aa扭曲，并使用来自全环路dram结构的单个器件进行了电气分析（见图5 (b)）。通过semulator3d分配电端口（源极、漏极、栅极和衬底）即可获得电气测量值（见图5 (c)），之后使用semulator3d内置漂移/扩散求解器即可计算不同程度aa扭曲可能导致的电气性能变化。
图6展示的是不同侧壁角度下鳍片的断态漏电流分布。可以看出，无论侧壁角度如何，大部分漏电流集中在鳍片的中心，它们远离栅极金属，栅极电场对其没有太大影响。由于厚鳍（侧壁角度较大）的栅极可控性更低，其漏电流密度要远高于更薄的鳍片。
图6. 从鳍片表面到中心在不同侧壁角度下的通道泄漏形态
总结
本研究使用semulator3d建模和分析了先进dram工艺中的晶体管微负载效应。分析结果表明，图形相关刻蚀中的微负载效应会导致aa形状扭曲，这种微负载效应将严重影响器件的电气性能，其中涉及的断态泄漏更是决定dram单元数据保留能力的关键因素。
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图2. 鳍片刻蚀工艺中的aa形状扭曲 (a) 刻蚀前硬掩膜的顶视图；(b) a、b两区域的图形刻蚀对比；(c) 鳍片刻蚀后的顶视图
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图3. (a) 布局设计；(b) 硬掩膜生成的pde掩膜；(c)鳍片刻蚀后的3d结构；(d)来自鳍片中部平面切口的aa形状
图4. 不同鳍片高度的aa剖面 (a) 沿字线切开的3d视图；(b) 沿字线切开的横截面图；(c) 沿鳍片顶部切开的3d视图；(d)沿鳍片中间切开的3d视图；(e) 沿鳍片底部切开的3d视图
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图5. 电容接触点形成后的dram结构 (a) 3d视图；(b)切出的单器件；(c)鳍片切面和端口定义
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图6展示的是不同侧壁角度下鳍片的断态漏电流分布。可以看出，无论侧壁角度如何，大部分漏电流集中在鳍片的中心，它们远离栅极金属，栅极电场对其没有太大影响。由于厚鳍（侧壁角度较大）的栅极可控性更低，其漏电流密度要远高于更薄的鳍片。
图6. 从鳍片表面到中心在不同侧壁角度下的通道泄漏形态
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