撰文：泛林集團半導體工藝整合總監Joseph Ervin

我們不斷向先進的CMOS的微縮和新存儲技術的轉型，導致半導體器件結構的日益復雜化。例如，在3D NAND內存中，容量的擴展通過垂直堆棧層數的增加來實現，在保持平面縮放比例恒定的情況下，這帶來了更高深寬比圖形刻蝕工藝上的挑戰，同時將更多的階梯連接出來也更加困難。人們通過獨特的整合和圖案設計方案來解決工藝微縮帶來的挑戰，但又引入了設計規則方面的難題。

二維 （2D） 設計規則檢查 （DRC） 已不足以用來規范設計以達成特定性能和良率目標的要求。同時完全依賴實驗設計 （DOE） 來進行工藝表征和優化也變得難以操作。以往工程師通過運用DOE實驗來節省工藝研發的成本和時間，而現在他們需要進行數以百計的DOE才能達到目的，這反而需要大量的時間和物料，包括晶圓。

此外，工藝步驟之間非直觀的交互作用，以及狹窄的工藝窗口，使得使用第一性原理建模來同時進行性能提升和良率優化變得尤為困難。因此需要對復雜工藝流程進行三維建模理解，而虛擬制造建模平臺Coventor SEMulator3D?為此而生。

SEMulator3D能提供哪些功能？

該軟件可從一系列標準單元工藝步驟中創建3D虛擬工藝整合模型，以模擬工藝流程。SEMulator3D使用完全整合的工藝流程模型，可以預測工藝更改對下游工藝步驟的影響，這在過去則需要在晶圓廠中依靠“先制造和后測試”的循環來實現。

例如，工程師可以使用該軟件對替換金屬柵極 （RMG） FinFET進行快速建模，該元件使用先溝槽金屬硬掩模 （TFMHM） 后段制程 （BEOL） 與自對準通孔工藝 （SAV）。工程師在完成虛擬加工的3D模型之后，就可以進行2D和3D的虛擬測量和電學性能參數提取。

該軟件的電學分析組件增加了電阻和電容提取功能，有助于理解工藝和設計靈敏度。該軟件提供了3D建模和驗證電學性能的快捷平臺。SEMulator3D中使用了有預測性的工藝模型和能精確匹配實際晶圓的3D結構，比其它孤立解決方案中使用的理想化幾何結構，更能精確地反映所制造的器件，從而具有更高的精度。

DRAM演示

該演示展現了該平臺如何根據刻蝕設備的性能參數（如材料的刻蝕選擇比和氣流流向通量分布）的變化對器件電學性能進行建模，形象地說明了虛擬制造的案例。簡單的DRAM器件案例研究側重于對柵極刻蝕行為和刻蝕特征的研究，通過對其做合理設定來滿足預先設定的電學性能和良率目標。

該演示在虛擬制造中使用了典型的工作流程，包括四個步驟：

• 1一個標準工藝流程的建立，此藝流程支持工藝校準，然后生成具有預測性的3D結構模型。
• 2添加量測參數，以評價器件結構或電學行為。量測可能包括幾何尺寸測量、3D DRC（設計規則檢查）和電學參數測量。
• 3使用DOE（實驗設計）和校準。
• 4數據分析，包括對工藝實現和/或設計變更的敏感性分析。

標準工藝流程的建立

該演示的標準工藝流程面向2X DRAM。該工藝由Coventor根據公開數據開發，未使用客戶機密信息

圖1：建立模型之后，電容器接觸點結果如圖所示。此時可以進行電學分析，研究電容器的邊緣效應。

在本演示中，DRAM的有源區 （AA） 使用自對準四重圖形技術 （SAQP） 和傾角20°的光刻-刻蝕-光刻-刻蝕 （LELE或LE2） 對多余的圖形進行去除，其間距為28 nm。掩埋字線使用自對準雙重圖形化技術 （SADP），間距為40 nm，位線使用SADP，間距為44 nm。工藝流程在電容器接觸點 （CC） 處結束，這使得軟件可以進行電學分析，并能夠分析電容器中的邊緣效應。

添加重要度量

每個工藝步驟只需要幾個易于理解和校準的幾何和物理輸入參數。工作流程的下一步是確定重要量工藝參數。就像在實際的晶圓廠一樣，單元工藝參數，如沉積一致性、刻蝕的各向異性和選擇比，他們之間相互影響并與其它設計參數交互作用，最終以復雜的方式影響最終器件的結構。

SEMulator3D支持添加兩種幾何測量。第一種是虛擬測量，支持測量模型結構并驗證結構是否符合預期尺寸。第二種是結構搜索，相關步驟可以檢查整個3D模型或某些部分，以確定測量極值，如膜厚度、線寬和接觸面積的數值和位置。它還可以計算電網組件的數量，這有助于識別電網短路或開路（圖2）。

圖2：虛擬測量步驟（頂部）可幫助測量結構，包括CD、刻蝕深度和薄膜厚度。結構搜索步驟（底部）可確定測量極值，并計算電網組件的數量，如識別網絡短路或開路。

當幾何偏差的位置隨工藝的變化而變化時，結構搜索特別有用。例如，圖2顯示了CC和AA之間的接口最小面積。軟件將高亮顯示該位置，而該位置容易成為器件失效的故障點。

器件電學性能模擬

器件的電學性能參數可以通過器件電學性能模擬來提取。通過使用與圖2相同的模型，該演示可以在SEMulator3D中進行器件電學仿真。

圖3：SEMulator3D可識別3D結構中的器件端口，并像TCAD中那樣仿真電學性能，但不需要進行耗時的TCAD建模。

該軟件有助于識別3D結構中的器件的端口和電極，并模擬器件的特性，如溫度、帶隙和電子/孔遷移率。該軟件允許手動和自動識別節點（一個或多個連接在一起的引腳），初始電壓或電流可以與選定節點的電壓掃描一起設置。

圖3中的電學仿真示例顯示了兩個柵極、兩個源、一個漏和一個襯底。工程師可以自由設置偏置電壓或初始電壓以及電壓掃描，如DRAM示例偏置電壓表所示。

然后，工程師可以使用該軟件自動提取重要電學性能指標，如一個電壓點上的閾值電壓 （Vth）、亞閾值擺幅 （SS）、漏致勢壘下降 （DIBL） 和開啟電流 （ION）。這些功能無需耗時和嚴格的TCAD建模即可實現，同時可以體現3D工藝變化對電學性能的影響。

物理結構變化的影響

對由物理結構改變造成的影響的研究，首先需要檢查標準模型中的參數的設定，包括硬掩模CD/頂部CD、硅深度和氧化物深度。SEMulator3D使用以上參數構建模型然后提取對應的器件電學參數（包括Vt、ION、IOFF和亞閾值擺幅）（圖4，左側）。

圖4：研究標準模型（左側）的物理結構變化的影響。使用SEMulator3D（右側）進行的實驗表明，氧化物深度和硅深度對CD變化的敏感性在20nm以上降低，而Vtsat敏感性在相同范圍內增加。

本研究的目的是將圖4中的硬掩模CD以2 nm的增量從12 nm變化至30 nm，同時監測其他結構參數，包括硅深度和氧化物刻蝕。此變化是通過更改流程早期工藝步驟來實現的，并且下游工藝步驟對模型更改的響應符合預測。

圖4（右側）顯示，硬掩模CD變化對柵極刻蝕具有非線性響應。氧化物深度和頂部硅深度對較小CD的頂部CD很敏感，但在較大CD上趨于飽和。另一方面，當CD高于20 nm標準值時，Vtsat值顯著增加。因此，SEMulator3D的指標揭示了對單個物理結構變化的各種響應，有利于工程師研究物理結構變化對所選參數造成的影響。

識別重要的工藝步驟

下一步DOE，包括蒙特卡羅變異性研究，以確定重要的工藝步驟（圖5）。在參數變化研究中，采用了蒙特卡羅方法對DRAM字線 （WL） 深度進行變化。

圖5：SEMulator3D利用數百甚至數千次DOE試驗，使用回歸分析來識別對特定指標有顯著影響的關鍵工藝參數。

WL工藝參數值是通過基于平均值或標準值和標準差的高斯分布隨機設置的。演示中選擇了50個實驗。然而，通常至少需要100個實驗才能獲得有意義的研究。

DOE的結果如圖6所示。DOE運行時，閾值電壓Vt在0.4837 V和0.5031 V之間變化。SEMulator3D的回歸分析有助于識別對閾值電壓影響顯著的5個參數，這些參數的p值小于0.5，不支持原假設。注意，第一個參數（截距）被排除在本討論之外，因為它始終是列表的一部分。

圖6：工程師可以在SEMulator3D中分析任何量測結果，以識別重要參數，極端情況如上圖所示（紅色圈出）。

有待進一步研究的五個最重要的因素是：

• 1柵極介電層厚度（最重要的參數）
• 2字線刻蝕深度和側墻厚度的交叉項
• 3芯軸刻蝕深度和柵極厚度的交叉項
• 4間隔氧化物厚度和拋光深度的交叉項，以及
• 5柵極介電厚度和側墻厚度的交叉項。

線性回歸曲線的R方值 （r2） 為0.97882，說明模型與數據吻合較好。柵極氧化層厚度與Vth圖顯示出很強的相關性，而芯棒間隔厚度與Vth圖則沒有相關性，因此可以認為它不是一個重要參數。

DOE的結果還可以幫助識別一些特殊情況，例如規格下限 （LSL） 到規格上限 （USL） 范圍之外的Vth，使工程師可以仔細檢查況并找到造成這種結果的工藝條件。

工藝優化

為了從不同的角度進行優化，我們可以將電學性能作為研究的目標。可以使用電學性能參數目標值作為工藝步驟優化的目標。每個工藝步驟參數都可以改變，以尋找滿足電氣性能的條件。

根據所使用的制造設備，在軟件中定義了每個刻蝕行為的允許范圍。因此，可以根據材料的刻蝕選擇比、橫向比、聚合/錐度、濺射和離子通量分布等參數來定義刻蝕行為。利用DOE確定的重要輸入參數，輸入電學性能指標。

SEMulator3D采用直接優化的方法，以確定WL刻蝕工藝中最佳刻蝕步驟行為的工藝參數，以滿足電學性能目標。校準工藝建議包括氧化層，硅和氮化層的刻蝕選擇比、氧化層和硅的刻蝕角度和選擇比等參數。

根據這些結果，可以通過工藝研究驗證是否存在滿足條件的電學性能，或者在此范圍內是否無法實現特定的電學性能。

虛擬工藝節省了成本和時間

由于工藝假設是在開發早期甚至在硬件實現之前完成的，因此虛擬工藝無需制造真正的晶圓，即可驗證這些假設，節省了時間和費用。

該DRAM案例研究表明，通過在虛擬環境中執行大量的DOE和工藝變化研究，可以消除不相關DOE路徑的時間和成本，并快速實現性能和良率目標，從而加快產品上市時間。