作者：泛林集团 Semiverse Solutions 部门半导体制程与集成资深工程师 Pradeep Nanja
在FinFETs（场效应晶体管）等逻辑器件中，金属栅极寄生电容会对电气性能产生负面影响。减少寄生电容的一种方法是优化金属栅极凹槽的尺寸。但是，简单地去除更多金属材料对减少电容的效果有限，因为金属栅极凹槽轮廓的变化会对电容造成不可预测的改变。凸形或凹形形状的金属栅极凹槽轮廓，对于平衡电阻值和电容值和电气性能的改善效果是有差异的。本文中，我们来看一下使用 SEMulator3D®虚拟实验设计来预测不同栅极关键尺寸、金属栅极凹槽深度和金属栅极凹槽轮廓下的电阻和电容的结果。
研究方法
本研究在SEMulator3D中组装了一个5nm的FinFET工艺平台，栅极节距为44nm（见图1，最左侧）。栅极关键尺寸设置为20nm，沟道关键尺寸设置为24nm。为了在不同几何形状下提供适当的电阻值，我们为氮化钛、钛铝和钨金属内衬建立了用于尺寸校正的特定材料特性。一旦接触到特定的氧化物，自对准源漏接触 (SAC) 工艺中的氮化硅帽层化学机械抛光步骤就会保持30nm恒定的过抛光深度。
作为金属栅极凹槽轮廓研究实验设计中的一部分，我们改变了栅极关键尺寸和钨回刻步骤。为改变栅极关键尺寸，X方向的尺寸偏差每边以1nm的增量进行调整；栅极关键尺寸以2nm为增量，从6nm到30nm不等；钨回刻步骤则以5nm为增量，从25nm到60nm不等。
为了测量电阻，我们在工艺模型中建立了电阻端口。我们使用平面切割法在N型场效应晶体管 (NFET) 和P型场效应晶体管 (PFET) 外延层处建立了端口（见图1，中间和最右侧）。我们随后测量了该空间之间金属栅极的电阻。除了以上电阻的计算之外，我们在仿真中还考虑了金属电阻率的尺寸效应。尺寸校正允许用户根据模型的几何形状定义金属的电阻率。在本研究中，氮化钛和钛铝都进行了电阻率尺寸校准。
图1：FinFET器件的3D模型，平面切割（中间和最右侧）用于电阻测量
结果
观察在进行和未进行尺寸校正的情况下栅极关键尺寸的电阻变化，结果如图2所示。
图2：金属栅极电阻与栅极关键尺寸的函数关系
图3：NEFT截面视图显示栅极关键尺寸长度
（从左到右依次为26nm、20nm和10nm）
接着，我们以5nm为增量测量了电阻与金属栅极凹槽深度的关系。结果表明，由于使用了自对准源漏接触工艺，在钨回刻深度低于45nm时，电阻值没有变化。
图4：金属栅极电阻与金属栅极凹槽深度的函数关系（以钨回刻深度测量）
图5：钨回刻深度（从左到右）分别为60nm、50nm、35nm
图片截自自对准源漏接触帽层抛光步骤之后
检视不同的栅极关键尺寸和钨回刻深度后，我们将研究重点转向不同的钨回刻轮廓。两种可能的轮廓形状（除正常轮廓外）包括凹形轮廓和凸形轮廓：
凹形轮廓的形状类似于水装在量筒中时的轮廓（两头高中间低）。在这种形状配置中，栅极中心的钨比边缘的氮化钛和钛铝刻蚀得更深。与正常外形（刻蚀深度一致）相比，这可能会导致更高的电阻。
凸形轮廓可以看作圆珠笔芯的形状（两头低中间高），栅极中间保留了更多的钨，而边缘的氮化钛和钛铝则刻蚀得更深。这种结构有可能导致较低的整体电阻。
我们利用回刻步骤中的图形负载功能对这两种剖面进行建模。氮化钛、钛铝和钨等金属材料用于在步骤中创建全局掩膜。全局掩膜对凹形和凸形形状分别使用深色和浅色极性。创建这两个新轮廓（凹形轮廓和凸形轮廓）后，改变栅极关键尺寸和钨回刻，并通过前述的相同方法计算电阻（图6）。
图6（从左到右）：利用图形负载生成的不同凹形形状和凸形形状的剖面图 (a) 采用基准流程的凹形形状 (b) 栅极关键尺寸为26nm的凹形形状 (c) 栅极关键尺寸为28nm的凸形形状 (d) 采用刻蚀的凸形形状
在下图（图7）中，蓝线代表的是原始栅极关键尺寸轮廓（原始的基准流程形状）电阻测量结果，橙线代表的是凹形外形的电阻测量结果，灰线代表的是凸形外形的电阻测量结果。 从图7中可以看到，在栅极关键尺寸发生变化时，三种不同剖面的电阻测量值几乎相同。然而，当钨回刻深度大于50nm时，电阻测量值与钨回刻深度的关系就会发生变化。 电阻值从高到低依次为凹形、平形和凸形剖面。
图7：平形（蓝色）、凹形（橙色）和凸形（灰色）三种剖面中金属栅极电阻与栅极关键尺寸的关系（上）及金属栅极电阻与钨回刻深度的关系（下）
在本研究的最后一步，为完成电容测量，我们在器件内建立了导体结构，为此创建了PFET和金属栅极导体结构（见图8）。然后，我们提取这些导体结构的电阻值和电容值，与栅极关键尺寸和钨回刻深度相关的电阻和电容测量值如图9和图10所示。
图8：PFET截面图显示用于电容计算的PFET与金属触和金属栅极导体结构的连接情况
图9：与栅极关键尺寸相关的金属栅极电阻在平形（蓝色）、凹形（橙色）和凸形（灰色）三种不同金属栅极剖面中与电容的关系
图10：与钨回刻深度相关的金属栅极电阻在平形（蓝色）、凹形（橙色）和凸形（灰色）三种不同金属栅极剖面中与电容的关系
结果表明，在研究电阻与栅极关键尺寸的关系时，三种不同轮廓的电阻与电容值差别不大。然而，当观察与钨回刻深度有关的电阻与电容值时，我们发现凸形轮廓的电容值与其他轮廓相似，但电阻较低。
结论
在这项研究中，我们使用SEMulator3D的电气分析、图形负载和Expeditor模块来计算和深入理解金属栅极凹槽轮廓对电阻和电容的影响，证明了优化金属栅极关键尺寸轮廓可以提高FinFET设计的电阻和性能。
文章来源：泛林集团