支持下一代 SoC 和存储器的工艺创新

本文将解析使 3D NAND、高级 DRAM 和 5nm SoC 成为可能的架构、工具和材料。

要提高高级 SoC 和封装（用于移动应用程序、数据中心和人工智能）的性能，就需要对架构、材料和核心制造流程进行复杂且代价高昂的更改。

正在考虑的选项包括新的计算架构、不同的材料，包括更薄的势垒层和热预算更高的材料，以及更高纵横比的蚀刻和更快的外延层生长。挑战在于如何以不偏离功率、性能和面积/成本 (PPAC) 曲线太远的方式组合这些。

当今的顶级智能手机使用集成多种低功耗、高性能功能的移动 SoC 平台，包括一个或多个 CPU 内核、GPU、AI 引擎、DSP 和其他外形紧凑的设备。例如，高通新的骁龙 888 5G 平台采用三星的 5 纳米 finFET 技术制造，最近通过工艺改进和设计技术协同优化针对 CPU 性能和高良率进行了优化。

将工作芯片拿出来是一项挑战。美光团队表示，鳍间距、栅极间距和金属间距以及 SRAM 单元面积的激进尺寸缩放最初导致了多个工艺热点。减轻最重要的系统缺陷需要接触、栅极和外延协同优化。Metal-1 到 Metal-2 的空隙通过 OPC 调整和严格的在线过程控制得到解决。「与初始基线相比，低压操作模式下的良率损失减少了 5 倍，对多个模块进行了测试和工艺集成优化，包括间隔/衬垫优化、器件 Vt 居中、新的 OPC 掩模和更换金属栅极 (RMG) 清洁，」他们在最近的 IEDM 会议上发表的一篇论文中写道。「设计和 DFT 修改有效地减少了更严格的 V min 的电阻故障低压配电。」

动态电压筛选和极低电压存储器修复有助于消除异常值，增加规格余量。5nm CPU 在与 7nm 设备相同的功耗下实现了 10% 以上的性能提升，或者在相同速度下功耗降低了 15%。

为了支持全天的电池寿命，通过外延层前端源极和漏极调整以及栅极氧化物工程解决了总功率问题。在鳍片、多晶硅、源极/漏极和 RMG 模块的几个工艺步骤中进行了晶圆内工艺负载改进（见图 1）。通过最小化阻挡层的影响、创建具有统一高度的通孔和优化蚀刻停止（参见图 2），中间线和 BEOL 互连针对较低的 RC 进行了优化。美光团队补充说，第二年的工艺改进提供了功率性能优势，包括通过进一步的栅极优化、FEOL 盖层减少和 MOL 电阻降低使用相同设计提高 5% 的速度。

图 2：阻挡层、通孔高度和蚀刻停止层的调整将 RC 常数降低了 5%。来源：高通/IEEE IEDM

扩展 3D NAND

3D NAND 现在在 PC、移动设备和数据中心中无处不在，并且正在迅速进入汽车和神经网络应用。3D 配置中的电荷捕获闪存 (CTF) 通过堆叠字线、使用大量沉积、蚀刻、填充和退火步骤以及更少的光刻图案化步骤（相对于逻辑）以低成本扩展。位密度每年大幅增加 30%。

为了显著减小裸片尺寸，所有领先的 NAND 制造商都开始在存储器阵列下方制造 CMOS 外围电路。三星率先在 2010 年左右将其外围单元 (COP) V-NAND 推向市场，显著缩小了裸片尺寸。但增加位密度背后的持续缩放引擎是重复的层堆栈——使用多个沉积步骤、高纵横比蚀刻和高 AR 填充能力来加速阵列（层）中存储字线的数量。三星、美光和海力士的这些层数超过 200，它们都制定了到 2030 年达到 1000 层的路线图。

Russ Meyer 和 Micron 的同事在最近的 IEDM 上讨论了几个可以进一步提高 NAND 位密度和性能的旋钮，包括替代块架构、新的单元薄膜和间距缩放选项。「3D NAND 继续提供甚至加速数据行业所需的 NAND 缩放趋势，部分原因是其更大的栅极面积和改进的环栅 (GAA) 架构的静电。」 继续沿着这条道路前进，将在未来 5 到 6 年内实现 1000 层，芯片厚度接近 100µm，这对许多应用来说是无法接受的。

通过增加 50% 以上的 WL 层（字线充当栅极并围绕柱状沟道），该结构可能会出现摆动和不稳定。这反过来又会导致诸如字线泄漏、单元形成问题和位线接触未对准之类的故障。美光正在探索的一种策略是将 9 柱块更改为 19 柱块，其结构宽度约为 2 倍，并且与多家制造商使用的当前 4 柱选择门（子块）的块架构兼容（见图 3）。这一变化使单元面积减少了 9%。

图 3：例如，与从传统的 9 柱结构（柱行/块）到 19 柱的变化相关的 NAND 阵列缩放可使块缩小 9%，这与 4 柱子块兼容。来源：美光/IEEE IEDM

XY 缩放在平面 NAND 中遇到了极限，而 3D NAND 正在接近它。其他问题包括由电池间耦合（即噪声）引起的器件退化。第一步，WL 栅极替换，对于 19 柱更宽的块架构变得更具挑战性。牺牲层去除和 WL 金属填充的纵横比较大，导致较差的金属台阶覆盖（和较高的 WL 电阻），以及空隙和接缝中的污染。该小组发现，更薄的替代阻挡层金属可以更好地防止杂质，从而降低块状钨填充物的电阻率。

阵列高度的增加也可以通过单元间距缩放来减轻，使柱之间的间距。蚀刻纵横比确实随着间距的缩小而适度增加，但更大的问题是在减小的通道宽度下对读取性能的影响。需要新的集成方案。

美光团队进一步表示，未来的 NAND 每个单元可以包含超过 4 位。然而，相对于体积位密度的增加，每个单元更多的位会导致每个状态的电子数量损失更大。「首先将电池设备的尺寸（例如，最好是柱间距 XY 缩放）缩放到工艺能力的极限更为合理。创新的模块架构和 WL 驱动程序方案是未来节点的 3D NAND 性能可扩展性的关键，」他们总结道。

随着公司继续扩展 3D NAND，他们正在观察 3D 闪存结构中的应力分布与电气性能之间的关系。正如浦项科技大学和三星的论文所述，这些结构由隧道氧化物、电荷捕获氮化物、钨和多晶硅通道组成，因此不同材料之间的晶格失配和热失配会导致机械应力（见图 4）。热退火确实会导致一些松弛，但这些日益受限的 3D NAND 结构中的净机械应力仍然会对电气性能产生很大影响。

图 4：多重沉积、高纵横比蚀刻和填充步骤创建电荷捕获 NAND 堆叠。来源：IEEE J. EDS

有趣的是，模拟确定降低钨的沉积温度具有最显著的影响，因为钨施加的应力远远超过其他薄膜施加的应力，并且对沟道应力的影响最大（见图 5）。通过降低钨沉积温度（和应力），多晶硅沟道的导带和价带移动，有效地提高了性能。

图 5：多晶硅 (a)、钨 (b)、氧化层 (c) 和电荷陷阱氮化物 (d) 的平均沟道应力与导通电流变化的关系。来源：IEEE J. EDS

研究人员强调，相对于隧道氧化物 (SiO 2 ) 和多晶硅，电荷陷阱氮化物和钨具有更高的 CTE（热膨胀系数）。提高钨和氮化物沉积温度可有效地诱导压应力并降低导通电流，而不会影响器件的存储器工艺窗口和阈值电压。进一步的模拟表明，降低钨沉积温度是提高 NAND 性能的最佳手段。

有了所有这些窄的、高深宽比的孔，间隙填充成为 3D NAND 的关键需求也就不足为奇了——尤其是因为沉积温度在 300°C 到 900°C 范围内。最近开发的一个例子是来自 Brewer Science 的旋涂碳材料，它已被用于填充 0.5 x 10µm 的沟槽，在 550°C 下热处理 60 分钟后没有出现薄膜空洞、开裂或分层的迹象。热稳定的旋涂碳表现出最小的收缩和质量损失。旋涂后，它使用软烘烤和热板固化，然后根据需要进行炉内氮化。

为 AI、汽车扩展 DRAM

机器学习和 AI 以及汽车领域的应用快速增长，需要增加 DRAM 的带宽。这些外围电路执行不同的功能（即行/列解码器、读出放大器、I/O 数据缓冲器），因此需要具有低栅极泄漏、关断电流和高击穿电压以及 DRAM 工艺兼容性的优化晶体管。即使对于多晶硅/氧化物平面 FET 也是如此。在使用高 k 金属栅极的 finFET 晶体管中，必须优化流程以承受长时间的高温退火（550°C 下 4 小时）并保持电气特性。

图 6：与后栅极高 k 替代金属栅极工艺（右）相比，先栅极扩散和栅极置换（左）导致更高的阈值电压和更少地用于功函数调整的金属栅极选项。来源：imec/IEEE IEDM

imec 的 Elena Capogreco 及其同事最近展示了一种 14 纳米高 k / 金属栅极替换栅极方法，该方法可以在承受长时间退火的同时实现低于 0.2V 的 nMOS 阈值电压。「除了减少热预算外，与栅极优先扩散和栅极替换方案（见图 6）相比，使用 RMG 流程的另一个优势是增加了 nMOS 和 nMOS 之间 WFM（功函数金属）工程的自由度。」

研究人员解释说，虽然用于外围 DRAM 电路的低成本 CMOS finFET 中的栅极优先 HKMG 已经实现，但由于高温退火引起的费米能级引脚（特别是在 pMOS 器件上），阈值电压相对较高。新的热稳定栅极堆叠包括 1nm 界面氧化物、1.9nm 氧化铪、2nm TiN、5nm TiAl、3nm TiN 以及钨 CVD 和 CMP。

目标栅极长度为 30nm。一些加工经验教训包括需要用氮化硅覆盖钨以抑制退火引起的栅极氧化物退化。CMP 之后的氮化物覆盖进一步封装了金属。通过在氮气中对氧化铪进行退火，然后进行牺牲硅帽退火以提高其热稳定性，优化了 nMOS 的有效功函数。对于镧偶极栅叠层，6 埃 LaO 通过 ALD 沉积，并用 2nm TiN 和 5nm 牺牲 a-Si 覆盖。a-Si 的推进退火和湿法去除在 TiAl 和 W 下留下 TiN。加盖的栅极堆叠经受了 4 小时的 550° 至 600°C 退火。最终有效功函数为 4.4eV，栅极泄漏减少，有效氧化层厚度为 14 埃。使用环形振荡器和 SRAM 演示了性能。

结论

3D NAND 缩放一直是移动设备功能的福音，芯片制造商正在继续堆叠字线层以提高性能和位密度。最终，NAND 设备可能需要替代材料、新配置，甚至每个单元超过四位。

与此同时，5G SoC 继续为手机用户带来高性能和长续航，似乎没有任何直接限制。然而，这一切都不容易。晶体管和互连优化都是扩展到 5nm 及更高工艺的关键，而针对低功耗和低泄漏优化的外围 DRAM 电路对高热预算工艺更为敏感。好消息是功函数调整和更换高 k 金属栅极似乎是推动因素。