半导体存储器的发展和当前的挑战

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半导体存储器的发展和当前的挑战

最早的全电子存储器是1947年在曼彻斯特大学开发的Williams-Kilburn管。它使用阴极射线管在屏幕表面上将点存储为点。自那时以来，计算机存储器的发展已包括许多磁存储系统，例如磁鼓存储器，磁芯存储器，磁带驱动器和磁泡存储器。自1970年代以来，主要的集成半导体存储器类型包括动态随机存取存储器（DRAM），静态随机存取存储器（SRAM）和闪存。

当我们想到计算机内存时，主要想到的是DRAM和SRAM。DRAM是两种存储器类型中密度较大的，而SRAM具有最快的片上高速缓存存储器。这两种类型的半导体存储器已经存在了数十年。DRAM的发展受到密度和成本的驱动，而DRAM需要刷新周期来维护存储的信息。另一方面，SRAM的发展受到单元面积和速度的驱动，并且SRAM不需要刷新周期即可维持其存储的“ 1”和“ 0”。

DRAM技术是从早期的随机存取存储器或RAM演变而来的。在引入DRAM之前，RAM是一个众所周知的存储器概念。RAM内存在读/写操作期间临时保留内存状态，每次关闭计算机时都会擦除内存。RAM最初使用复杂的电线和磁铁系统，体积庞大且耗电，实际上在理论上是无效的。

当今的DRAM技术的复杂性是由许多影响CPU的相同开发挑战所驱动的，包括multi-patterning和邻近效应以及存储节点泄漏问题。DRAM开发需要精确的建模来预测和优化这种影响并避免良率问题。例如，位线（BL）心轴间隔和掩膜偏移的挑战对于确定BL到有效区域（AA）的接触面积可能至关重要，如果不加以解决，则可能导致不良的良率。

仅使用晶片实验就很难识别和关联导致晶片级故障的特定工艺参数。在工艺变化研究过程中制造测试晶圆，并测量晶圆上的最终接触面积，既费时又费钱。使用高级过程建模技术可以避免这种时间和费用。通过同时建模BL隔离层厚度变化和BL掩模偏移，可以基于DoE（实验设计）统计变化研究来确定最小接触面积。这种工艺变化功能，再加上内置的结构搜索/ DRC功能，可以识别出芯片上的最小触点位置区域。扫描仪3d是一个可以执行这些类型的研究的过程建模平台。使用SEMulator3D，我们可以执行工艺变化研究，以研究BL型芯间隔物厚度和掩模偏移的潜在问题。图1（a）显示了使用SEMulator3D检查BL隔离层厚度和掩膜偏移对BL / AA接触面积的影响的示例。图1（b）标识了最小接触面积的片上位置

图1：（a）BL / AA接触面积与BL隔离层厚度和掩膜偏移的关系，（b）说明了所需的最小接触面积。

DRAM工艺开发中的另一个工艺问题存储节点接触点与邻近的活动区域接近，因为过度的接近会导致设备短路。追踪这些潜在短路的根本原因很困难，但是它们可能会导致灾难性的可靠性，并在开发周期的后期出现成品率问题。在引出之前，准确建模并确定在不同z位置的电容器触点与AA之间的最小间隙，可以帮助缓解这些未来的可靠性和良率问题。图2说明了在过程建模期间发现的BL到AA接触区域，并突出显示了需要通过过程或设计更改解决的最小间隙位置。这两个示例说明了处理步骤之间的复杂交互以及由此产生的对DRAM可靠性和良率的影响，

图2：虚拟晶圆制造工艺模型（SEMulator3D），显示了存储节点触点和AA之间的潜在短路。

闪存发明于1984年，能够多次擦除和重新编程。它用于消费类设备，企业系统和工业应用中的存储和数据传输。不管配备闪存的设备是打开还是关闭电源，闪存都会将数据保留较长的时间。闪存现已从2D技术转变为3D技术（3D NAND），从而提高了存储密度。

单层3D NAND结构的蚀刻很复杂，因为必须以交替的一组材料蚀刻非常高的纵横比的孔。另外，在蚀刻过程中必须避免孔的弯曲和倾斜。还存在创建“狭缝”蚀刻以分离相邻的存储单元的附加要求。3D NAND结构增加了形成字线（WL）触点所需的“阶梯”蚀刻的复杂性。图3中显示了以SEMulator3D建模的完整3D NAND阵列。它说明了最新的3D NAND存储器设计的结构复杂性-这是一个简单的单层结构。

图3：以SEMulator3D建模的单层3D NAND存储单元。

在从2D到3D闪存结构的过渡过程中，由于3D结构需要多层柱蚀刻操作，因此过程复杂性急剧增加。现在，大多数3D NAND存储器堆栈都达到了两层高，这增加了顶层到底层错位的额外担忧。多层3D NAND柱刻蚀的问题和关注点如图4所示。

图4：SEMulator3D输出说明了层未对准问题和导致的柱蚀刻偏移。

在此图中，我们显示了一个层未对准以及所产生的柱蚀刻偏移的示例。这种类型的未对准可能是由工艺可变性引起的，必须将其合并到任何3D NAND工艺开发项目中。从该示例可以看出，层到层对齐在创建强大的多层3D NAND存储单元中起着至关重要的作用。与我们的DRAM示例类似，DoE统计变化研究可以在SEMulator3D中运行，该模型可以对3D NAND多层对准误差建模，并可以采取纠正措施，而无需花费时间和金钱来进行基于晶片的测试。