使用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)測先進(jìn)FinFET技術(shù)的工藝窗口和器件性能

負(fù)載效應(yīng) (loading) 的控制對(duì)良率和器件性能有重大影響，并且它會(huì)隨著 FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）器件工藝的持續(xù)微縮變得越來越重要。當(dāng)晶圓的局部刻蝕速率取決于現(xiàn)有特征尺寸和局部圖形密度時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)載效應(yīng)。刻蝕工藝 loading 帶來的器件結(jié)構(gòu)上的微小變化可能會(huì)對(duì)器件良率和性能產(chǎn)生負(fù)面影響，例如在偽柵多晶硅刻蝕過程中，由于刻蝕的負(fù)載效應(yīng)，可能會(huì)在柵極和鰭結(jié)構(gòu)交叉區(qū)域產(chǎn)生多晶硅邊角殘留，進(jìn)而造成 FinFET 結(jié)構(gòu)的改變，并直接影響 FinFET 柵極的長度和電學(xué)性能。多晶硅邊角殘留對(duì)良率和器件性能的影響，包括可接受的殘留的尺寸大小，可使用 SEMulator3D提前預(yù)測。

FinFET器件的多晶硅邊角殘留

建模和工藝窗口檢查

多晶硅邊角殘留會(huì)在鰭片柵極交叉區(qū)域產(chǎn)生金屬柵極凸起。這些凸起可以在許多不同的 FinFET 節(jié)點(diǎn)上找到，多晶硅邊角殘留通常在偽柵多晶硅刻蝕工藝中形成。

圖1：在不同高度生成的3D邊角殘留及其輪廓

我們?cè)?SEMulator3D 中構(gòu)建了一個(gè)使用 SRAM111 結(jié)構(gòu)的 5nm logic 虛擬工藝模型，以研究多晶硅刻蝕殘留的行為。在這個(gè)模擬的多晶硅刻蝕工藝中，SEMulator3D 使用了圖形負(fù)載刻蝕來模擬多晶硅殘留輪廓。圖1（左）顯示了計(jì)算機(jī)生成的多晶硅殘留結(jié)構(gòu)，不同高度（鰭片頂部、中部和底部）的多晶硅輪廓見圖1（右）。

在該模擬器件發(fā)生結(jié)構(gòu)硬失效（如短路）之前，多大的多晶硅邊角刻蝕殘留是可以被接受的，可以通過在虛擬 DOE（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）中測試100種殘留寬度和高度的組合來研究這個(gè)問題。我們測量了虛擬制造過程中關(guān)鍵步驟的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)數(shù)量，作為了解器件中是否有短路或故障（如源漏外延與偽柵多晶硅之間的短路）的一個(gè)指標(biāo) 。如果殘留物太大并使偽柵多晶硅與源漏外延層短接，那么結(jié)構(gòu)中導(dǎo)體結(jié)構(gòu) (net) 的數(shù)量將小于3。圖2所示的等高線圖包含不同殘留寬度和高度下的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)數(shù)量，綠色區(qū)域顯示，可以把器件源漏柵3個(gè)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)區(qū)分開的器件結(jié)構(gòu)?？紤]到殘留寬度和高度的潛在制造差異（可能分別為1.5nm和5nm），安全的工藝窗口需要往左下方做適當(dāng)平移（如藍(lán)色虛線所示）。

圖2：包含不同殘留物寬度和高度下導(dǎo)體結(jié)構(gòu)數(shù)量的等高線圖

多晶硅邊角殘留

對(duì)FinFET器件性能的影響

使用可接受的多晶硅殘留（沒有硬失效）之后，我們模擬了器件電學(xué)性能。結(jié)果表明，較大的殘留實(shí)際上有益于開啟狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)電流提升、關(guān)斷狀態(tài)下漏電流、亞閾值擺幅和漏致勢壘下降 (DIBL) 的減小。與無殘留的理想結(jié)構(gòu)相比，它可以通過更高的開啟狀態(tài)電流 (108%) 和更低的關(guān)斷狀態(tài)漏電流 (50%) 提高器件性能。為了進(jìn)一步了解該器件性能提升的機(jī)制，我們研究了存在較大殘留時(shí)鰭片底部的開啟和關(guān)斷狀態(tài)下的電流密度分布（見圖3）。

開啟狀態(tài)時(shí)，如果存在多晶硅殘留，通道長度會(huì)加大，殘留覆蓋了源極/漏極和柵極之間的部分串聯(lián)電阻區(qū)，從而使這個(gè)區(qū)域的串聯(lián)電阻減小，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流增大；器件關(guān)斷時(shí)，源極和漏極之間的大部分鰭片區(qū)域都可以由柵極控制。因此，當(dāng)存在多晶硅殘留時(shí)，源極和漏極之間的電阻較高，并帶來較低的關(guān)斷漏電流。

圖3：鰭片底部的通/斷態(tài)電流分布（上圖：無殘留，下圖：有殘留）

結(jié)論

本文中，我們使用了 Coventor SEMulator3D 來研究 5nm FinFET 工藝中的工藝窗口以及多晶硅邊角刻蝕殘留對(duì)器件性能的影響。這項(xiàng)研究幫助我們更好地了解不同偽柵多晶硅殘留尺寸下可接受的工藝窗口和相關(guān)器件性能。我們的研究表明，不必追求多晶硅邊角殘留的最小化，而是可以通過控制多晶硅殘留的尺寸，在不損失良率的同時(shí)獲得器件性能的提升。

審核編輯：湯梓紅