【導讀】現xian代dai半ban導dao體ti工gong藝yi極ji其qi複fu雜za，包bao含han成cheng百bai上shang千qian個ge互hu相xiang影ying響xiang的de獨du立li工gong藝yi步bu驟zhou。在zai開kai發fa這zhe些xie工gong藝yi步bu驟zhou時shi，上shang遊you和he下xia遊you的de工gong藝yi模mo塊kuai之zhi間jian常chang出chu現xian不bu可ke預yu期qi的de障zhang礙ai，造zao成cheng開kai發fa周zhou期qi延yan長chang和he成cheng本ben增zeng加jia。本文中，我們將討論如何使用 SEMulator3D®中的實驗設計 (DOE) 功能來解決這一問題。

SEMulator3D 工藝建模在開發早期識別工藝和設計問題
，減少了開發延遲、晶圓製造成本和上市時間

xiandaibandaotigongyijiqifuza，baohanchengbaishangqiangehuxiangyingxiangdeduligongyibuzhou。zaikaifazhexiegongyibuzhoushi，shangyouhexiayoudegongyimokuaizhijianchangchuxianbukeyuqidezhangai，zaochengkaifazhouqiyanchanghechengbenzengjia。benwenzhong
，womenjiangtaolunruheshiyong SEMulator3D®中的實驗設計 (DOE) 功能來解決這一問題。

在 3D NAND 存(cun)儲(chu)器(qi)件(jian)的(de)製(zhi)造(zao)中(zhong)，有(you)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)工(gong)藝(yi)模(mo)塊(kuai)涉(she)及(ji)在(zai)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)中(zhong)形(xing)成(cheng)金(jin)屬(shu)柵(zha)極(ji)和(he)字(zi)線(xian)。這(zhe)個(ge)工(gong)藝(yi)首(shou)先(xian)需(xu)要(yao)在(zai)基(ji)板(ban)上(shang)沉(chen)積(ji)數(shu)百(bai)層(ceng)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)和(he)氮(dan)化(hua)矽(gui)交(jiao)替(ti)堆(dui)疊(die)層(ceng)。其(qi)次(ci)
，在(zai)堆(dui)疊(die)層(ceng)上(shang)以(yi)最(zui)小(xiao)圖(tu)形(xing)間(jian)隔(ge)來(lai)圖(tu)形(xing)化(hua)和(he)刻(ke)蝕(shi)存(cun)儲(chu)孔(kong)陣(zhen)列(lie)。此(ci)時(shi)
，每(mei)層(ceng)氮(dan)化(hua)矽(gui)（即將成為字線）的(de)外(wai)表(biao)變(bian)得(de)像(xiang)一(yi)片(pian)瑞(rui)士(shi)奶(nai)酪(lao)。在(zai)這(zhe)些(xie)工(gong)藝(yi)步(bu)驟(zhou)中(zhong)
，很(hen)難(nan)實(shi)現(xian)側(ce)壁(bi)剖(pou)麵(mian)控(kong)製(zhi)，因(yin)為(wei)刻(ke)蝕(shi)工(gong)藝(yi)中(zhong)深(shen)寬(kuan)比(bi)較(jiao)高(gao)
，且(qie)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)孔(kong)需(xu)要(yao)極(ji)大(da)的(de)深(shen)度(du)。因(yin)此(ci)，刻(ke)蝕(shi)工(gong)藝(yi)中(zhong)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)彎(wan)折(zhe)、扭曲等偏差。從堆疊層頂部到底部，存儲單元孔直徑和孔間隔可存在最高25%的偏差。

zaicunchudanyuankongzhongchenjicunchudanyuancailiaohou，zaiqukuaiwaibianyuanshangtuxinghuahekeshiyixiliezhaichangdexiafenggoucao。zhediercikeshibaoluchuxiafenggoucaocebizhongdexishengdanhuaguihou，duiqicongbianyuandaozhongjianjinxinghengxiangkeshi，zhizhiwanquanquchu。(1) 隨後，沉積阻擋層化合物內襯和導電金屬
，填充氮化矽層邊緣到中間的空間。這一工藝會生成金屬柵極存儲器單元和字線。(2) 從外部存儲單元孔到狹縫溝槽內邊緣的距離稱為“軌距”（如圖1）。該gai導dao通tong路lu徑jing提ti供gong一yi條tiao沿yan字zi線xian外wai邊bian緣yuan的de低di電dian阻zu傳chuan導dao通tong路lu。字zi線xian很hen長chang，通tong常chang等deng於yu存cun儲chu區qu塊kuai的de整zheng個ge長chang度du。為wei了le維wei持chi所suo需xu的de存cun儲chu器qi開kai關guan速su度du
，需xu要yao對dui字zi線xian電dian阻zu進jin行xing高gao度du控kong製zhi。

圖1：虛擬模型實驗的俯視圖
，每次實驗（a、b和c）設置不同的實驗條件。a) 模型中有較大存儲單元孔、有空隙、無字線導通路徑。字線空隙標紅。由於存儲單元孔間距較小，空隙引發封閉。b) 模型中有較大存儲單元孔、字線導通路徑正常、無空隙。c) 模型中有正常大小存儲單元孔、字線導通路徑正常。

我們使用 SEMulator3D 模型以更好地研究 3D NAND 中字線電阻的影響因素。該研究表明
，僅因為去除了存儲單元孔中的導電材料
，造成的 3D NAND 字線電阻遠大於預期值。這表明，去除犧牲氮化矽
，或用導電金屬替換犧牲氮化矽的過程會形成空隙
，從而增加字線電阻。SEMulator3D 虛擬模型顯示
，如果存儲單元孔過大

，或孔間隔過窄，通向字線內部的橫向沉積通路將被封閉，並在導電金屬中形成空隙（如圖2）。

圖2：SEMulator3D 虛xu擬ni模mo型xing展zhan示shi了le字zi線xian邊bian緣yuan的de三san平ping麵mian橫heng截jie麵mian圖tu。金jin屬shu導dao體ti填tian充chong沒mei有you從cong狹xia縫feng溝gou槽cao邊bian緣yuan的de封feng閉bi處chu持chi續xu到dao字zi線xian中zhong心xin。電dian流liu僅jin通tong過guo內nei襯chen，從cong字zi線xian中zhong心xin傳chuan導dao到dao封feng閉bi處chu。

我們使用 SEMulator3D 工藝模型，以不同的存儲單元孔直徑
、軌距和空隙定位，進行了200次虛擬模型實驗。用 SEMulator3D 電性分析軟件包模擬了字線電阻，隨後從虛擬模型實驗中提取字線電阻
，並繪製了電阻增加百分比與軌距、存儲單元孔徑增加和帶有空隙的對比圖（如圖3）。

圖3顯示了空隙形成對字線電阻的影響。如果比較無空隙時的字線電阻增加（紅線）和存在空隙時的字線電阻增加（藍線），空隙的影響比較明顯。不考慮存儲孔大小

，空隙的存在使字線電阻增加了55%。增加外軌距後，存儲單元孔大小對字線電阻的影響減少200%，並將引入空隙對字線電阻的影響降低到可以忽略不計的程度。結果表明
，字線電阻隨存儲孔大小增加而增加。

圖3：字線電阻增加（單位：百分比）與存儲單元孔直徑增加（單位：百分比）和軌距（單位：nm）的關係圖。紅線表示模型中包含字線空隙的結果（正確），藍線表示模型中刪除字線空隙並對其填充的結果（錯誤）。

suizheguijuquyuling
，poshigengduodianliuliuruzixianneibuquyu。dangcunchukongchicunzengjiashi，kongxichicunzengjia，didianzudaodianjinshuhejiaogaodianzudezudangcenghuahewuneichenjiandetijijianxiao（如圖4）。當保留字線軌距時，字線電阻對存儲孔尺寸和金屬空隙的依賴降至最低。

圖4：虛擬模型實驗中的電流密度俯視圖，每項設定（如圖a
、b和c所示）根據不同實驗有所變化（參閱圖1）。a) 導通路徑不連續
，導致電流流入字線內部。b) 存儲孔大小與圖a中的一致，但較寬的導通路徑使電流沿著字線外邊緣流動。c) 字線軌距產生更均勻的電流密度圖形。

使用 SEMulator3D 空隙定位，虛擬模型可以在不考慮存儲孔大小的情況下，預測空隙對字線電阻的影響。在實際的矽晶圓工藝中
，沒有辦法在 3D NAND 工藝開發中對空隙形成和存儲單元孔大小進行分離實驗。SEMulator3D 可實現晶圓廠中很難或者不可能進行的實驗。

我們用 SEMulator3D 工藝建模模擬了 3D NAND zixianxingchenggongyi。womenguanchadao
，shangyoucunchudanyuankongximokuaihuiduixiayouzixianxingchengmokuaichanshengfumianyingxiang
，bingdaozhizixiandianzudejijuzengjia。tongguoxunimoxing
，womendeyimonishangyouhexiayoumokuaijiancunzaidewenti，bingyongduocishiyantansuoqianzaidejiejuefangan（在我們的案例中
，解決方案涉及設計上的調整）。SEMulator3D 工藝建模可以在開發早期識別工藝和設計問題，其間無需大量的矽晶圓實驗，這減少了開發延遲
、晶圓製造成本和上市時間。

參考資料：

[1] Handy, “An Alternative Kind of Vertical 3D NAND String”, Jim Handy, Objective Analysis, on Semiconductor Memories, Nov 8, 2013.

[2] A. Goda, “Recent Progress on 3D NAND Flash Technologies”, Electronics2021, 10(24), 3156.

(作者：泛林集團 Semiverse Solutions 部門半導體工藝與整合部經理 Brett Lowe)

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