解决方案
SOLUTION
时间： 2023-02-21
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现代半导体工艺极其复杂，涉及数千个相互影响的独立工艺步骤。在这些工艺步骤的开发过程中，经常会遇到上游和下游工艺模块之间意想不到的负面相互作用形式的障碍和壁垒。这些障碍会造成开发周期的长时间延迟并增加成本。在本文中，我们将讨论使用SEMulator3D ®中的实验设计 (DOE) 功能解决此问题的方法。
在 3D NAND 替代栅极存储器件的制造过程中，关键工艺模块之一涉及存储单元中金属栅极和字线的形成。当在基板上沉积数百个二氧化硅和牺牲氮化硅的交替层（层）时，该过程开始。内存孔随后被掩蔽并蚀刻成最小间隔孔阵列中的堆栈。将成为字线的每个牺牲氮化硅层现在都具有一片瑞士奶酪的外观。由于蚀刻工艺中的高纵横比和存储单元孔所需的极端深度，在这些处理步骤中侧壁轮廓控制很困难。在蚀刻过程中可能会出现弓形、弯曲和扭曲等偏差。从堆栈顶部到堆栈底部，存储单元孔直径和孔之间的间距可以偏离多达 25%。在存储单元材料沉积在存储单元孔中之后，一系列狭长的狭缝沟槽被掩蔽并蚀刻在块的外边缘上。该第二次蚀刻暴露了狭缝沟槽侧壁中的牺牲氮化硅。然后从边缘到中间横向蚀刻氮化硅层，直到完全去除。(1)然后沉积难熔化合物衬里和导电金属以填充从氮化硅层外部到中间的空隙。此过程形成金属栅极存储单元和字线。图 1）。轨道沿着字线的外边缘提供低电阻传导路径。字线很长，通常是一个存储块的整个长度。需要高度控制字线的电阻以保持所需的存储器切换速度。
图 1：虚拟模型实验运行的自上而下视图。每次运行（A、B 和 C）都有不同的实验条件。A) 大内存单元孔尺寸、无字线导轨和模型中启用的空隙。字线中的空隙以红色显示，空隙会产生由存储单元孔之间的小距离引起的夹断。B) 大内存单元孔尺寸、标称字线轨道距离和模型中禁用的空隙。C) 标称存储单元孔尺寸、标称字线轨道距离。标称字线轨道距离如图 C 所示。
我们最近使用 SEMulator3D 模型来更好地了解影响 3D NAND 字线电阻的因素。我们的研究表明，3D NAND 字线电阻远大于仅由于存储单元孔中导电材料的去除而预期的计算电阻。我们的研究表明，在用导电金属去除和替换牺牲氮化硅的过程中会形成空洞，这会增加字线电阻。SEMulator3D 虚拟模型显示，如果存储单元孔太大，或者孔之间的间距太窄，到字线内部区域的横向沉积路径将被夹断并在导电金属中形成空隙（图2 ).
图 2：SEMulator3D 虚拟模型显示三平面横截面中字线的边缘。金属导体填充物不会继续经过从狭缝沟槽边缘到字线中心的夹断。电流将仅在衬垫中从字线中心传导至夹断。
我们使用我们的 SEMulator3D 工艺模型运行了 200 个虚拟模型实验，改变了内存单元孔径、轨道距离和空隙跟踪。使用 SEMulator3D 电气分析包模拟字线电阻。然后从虚拟模型实验中提取字线电阻，并绘制电阻增加百分比与轨道距离、存储单元孔增加和空隙跟踪的比较（图 3）。
空隙形成对字线电阻的影响可以在图 3 中看到。如果将没有空隙（红线）的字线电阻的增加与存在空隙的情况（蓝线）进行比较，则很容易看出空隙的影响。空隙的存在使字线电阻增加了 55%，与存储器孔尺寸无关。增加外轨距离可以将存储单元孔尺寸对字线电阻的影响降低 200%，并将空隙夹杂物对字线电阻的影响降低到可忽略不计的增加。结果表明字线电阻随着存储器孔尺寸的增加而增加。
图 3：字线电阻增加（百分比）作为存储单元孔径增加（百分比）和轨道距离（nm）的函数。红线显示在模型中包含字线空隙的结果（真），蓝线删除字线空隙并填充它们（假）。
随着轨道距离接近零，更多电流被迫流过字线的内部区域。当内存孔尺寸增加时，空隙尺寸增加并减小低电阻导电金属和较高电阻耐火复合衬垫之间的体积（图 4）。当保留字线轨道距离时，字线电阻对存储器孔尺寸和金属空隙的依赖性被最小化。
图 4：虚拟模型实验运行的电流密度自上而下视图。每个实验设置（如图 A、B 和 C 所示）都有不同的实验运行处理（有关处理说明，请参见图 1）。图A：轨道不连续，导致电流流过字线内部。图 B：内存孔尺寸与图 A 相同，但宽轨允许电流沿字线的外边缘流动。图像 C：显示标称存储单元孔尺寸。在这种情况下，标称字线轨道距离支持更均匀的电流密度模式。
使用 SEMulator3D Void Tracking，虚拟模型能够预测空洞对字线电阻的影响，而与内存孔大小无关。在实际的硅晶圆加工中，几乎不可能创建一个在 3D NAND 开发过程中将空洞形成和存储单元孔尺寸分离的实验。在 SEMulator3D 中，在晶圆厂中难以或不可能进行的实验成为可能。
总之，SEMulator3D 工艺建模用于复制 3D NAND 替换栅极字线形成工艺。我们了解到，上游存储单元孔模块会对下游字线形成模块产生负面影响，并导致字线电阻急剧增加。使用虚拟模型，我们能够模拟上游和下游模块之间的问题并运行实验以确定潜在的解决方案（在我们的案例中，该解决方案将涉及布局修改）。SEMulator3D 工艺建模可以在开发早期识别工艺和布局问题，无需大量硅晶圆实验，从而减少开发延迟、晶圆制造成本和上市时间。
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