我們不斷向先進(jìn)的CMOS的微縮和新存儲技術(shù)的轉(zhuǎn)型，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化。例如，在3D NAND內(nèi)存中，容量的擴展通過垂直堆棧層數(shù)的增加來實現(xiàn)，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(zhàn)，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(shè)計方案來解決工藝微縮帶來的挑戰(zhàn)，但又引入了設(shè)計規(guī)則方面的難題。

二維 （2D） 設(shè)計規(guī)則檢查 （DRC） 已不足以用來規(guī)范設(shè)計以達(dá)成特定性能和良率目標(biāo)的要求。同時完全依賴實驗設(shè)計 （DOE） 來進(jìn)行工藝表征和優(yōu)化也變得難以操作。以往工程師通過運用DOE實驗來節(jié)省工藝研發(fā)的成本和時間，而現(xiàn)在他們需要進(jìn)行數(shù)以百計的DOE才能達(dá)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(jìn)行性能提升和良率優(yōu)化變得尤為困難。因此需要對復(fù)雜工藝流程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)單元工藝步驟中創(chuàng)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(yù)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(huán)來實現(xiàn)。

例如，工程師可以使用該軟件對替換金屬柵極 （RMG） FinFET進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行2D和3D的虛擬測量和電學(xué)性能參數(shù)提取。

該軟件的電學(xué)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(shè)計靈敏度。該軟件提供了3D建模和驗證電學(xué)性能的快捷平臺。SEMulator3D中使用了有預(yù)測性的工藝模型和能精確匹配實際晶圓的3D結(jié)構(gòu)，比其它孤立解決方案中使用的理想化幾何結(jié)構(gòu)，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(xiàn)了該平臺如何根據(jù)刻蝕設(shè)備的性能參數(shù)（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(xué)性能進(jìn)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(cè)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(shè)定來滿足預(yù)先設(shè)定的電學(xué)性能和良率目標(biāo)。

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(biāo)準(zhǔn)工藝流程的建立，此藝流程支持工藝校準(zhǔn)，然后生成具有預(yù)測性的3D結(jié)構(gòu)模型。

2． 添加量測參數(shù)，以評價器件結(jié)構(gòu)或電學(xué)行為。量測可能包括幾何尺寸測量、3D DRC（設(shè)計規(guī)則檢查）和電學(xué)參數(shù)測量。

3． 使用DOE（實驗設(shè)計）和校準(zhǔn)。

4． 數(shù)據(jù)分析，包括對工藝實現(xiàn)和／或設(shè)計變更的敏感性分析。

標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的建立

該演示的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程面向2X DRAM。該工藝由Coventor根據(jù)公開數(shù)據(jù)開發(fā)，未使用客戶機密信息

圖1：建立模型之后，電容器接觸點結(jié)果如圖所示。此時可以進(jìn)行電學(xué)分析，研究電容器的邊緣效應(yīng)。

在本演示中，DRAM的有源區(qū) （AA） 使用自對準(zhǔn)四重圖形技術(shù) （SAQP） 和傾角20°的光刻－刻蝕－光刻－刻蝕 （LELE或LE2） 對多余的圖形進(jìn)行去除，其間距為28 nm。掩埋字線使用自對準(zhǔn)雙重圖形化技術(shù) （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(jié)束，這使得軟件可以進(jìn)行電學(xué)分析，并能夠分析電容器中的邊緣效應(yīng)。

添加重要度量

每個工藝步驟只需要幾個易于理解和校準(zhǔn)的幾何和物理輸入?yún)?shù)。工作流程的下一步是確定重要量工藝參數(shù)。就像在實際的晶圓廠一樣，單元工藝參數(shù)，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(shè)計參數(shù)交互作用，最終以復(fù)雜的方式影響最終器件的結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)并驗證結(jié)構(gòu)是否符合預(yù)期尺寸。第二種是結(jié)構(gòu)搜索，相關(guān)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(shù)值和位置。它還可以計算電網(wǎng)組件的數(shù)量，這有助于識別電網(wǎng)短路或開路（圖2）。

圖2：虛擬測量步驟（頂部）可幫助測量結(jié)構(gòu)，包括CD、刻蝕深度和薄膜厚度。結(jié)構(gòu)搜索步驟（底部）可確定測量極值，并計算電網(wǎng)組件的數(shù)量，如識別網(wǎng)絡(luò)短路或開路。

當(dāng)幾何偏差的位置隨工藝的變化而變化時，結(jié)構(gòu)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(xué)性能模擬

器件的電學(xué)性能參數(shù)可以通過器件電學(xué)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(jìn)行器件電學(xué)仿真。

圖3：SEMulator3D可識別3D結(jié)構(gòu)中的器件端口，并像TCAD中那樣仿真電學(xué)性能，但不需要進(jìn)行耗時的TCAD建模。

該軟件有助于識別3D結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)點的電壓掃描一起設(shè)置。

圖3中的電學(xué)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(shè)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(xué)性能指標(biāo)，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(yán)格的TCAD建模即可實現(xiàn)，同時可以體現(xiàn)3D工藝變化對電學(xué)性能的影響。