漏電流和寄生電容引起的DRAM故障識別

從20nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)開始，漏電流一直都是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)設(shè)計(jì)中引起器件故障的主要原因。即使底層器件未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)異常，DRAM設(shè)計(jì)中漏電流造成的問題也會(huì)導(dǎo)致可靠性下降。漏電流已成為DRAM器件設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一個(gè)考慮因素。

圖1. (a) DRAM存儲(chǔ)單元；(b)單元晶體管中的柵誘導(dǎo)漏極泄漏電流 (GIDL)；(c)位線接觸 (BLC) 與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接觸 (SNC) 之間的電介質(zhì)泄漏；(d) DRAM電容處的電介質(zhì)泄漏。

DRAM存儲(chǔ)單元（圖1 (a)）在電源關(guān)閉時(shí)會(huì)丟失已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，因此必須不斷刷新。存儲(chǔ)單元在數(shù)據(jù)丟失前可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間, 即保留時(shí)間，是DRAM的一個(gè)關(guān)鍵特性，保留時(shí)間的長短會(huì)受到漏電流的限制。

有兩種重要的漏電機(jī)制會(huì)影響DRAM的數(shù)據(jù)保留時(shí)間。第一種是單元晶體管漏電。DRAM中的單元晶體管漏電主要由于柵誘導(dǎo)漏極泄漏電流(GIDL)（圖1 (b)），它是由漏結(jié)處高電場效應(yīng)引起的漏電流。在負(fù)柵偏置下，柵極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)（N+漏極區(qū)），該耗盡區(qū)進(jìn)而在區(qū)域中產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)電場，這個(gè)電場造成的能帶彎曲則導(dǎo)致了帶間隧穿(BTBT)。此時(shí)，在柵極移動(dòng)的電子和少數(shù)載流子可以穿過隧道進(jìn)入漏極，從而產(chǎn)生不必要的漏電流。

DRAM中的第二種漏電機(jī)制是位線接觸 (BLC) 與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接觸 (SNC) 之間的電介質(zhì)泄漏（圖1 (c)）。電介質(zhì)泄漏通常發(fā)生在電容內(nèi)部，此時(shí)電子流過金屬和介電區(qū)域（圖1 (d)）。當(dāng)電子通過電介質(zhì)層從一個(gè)電極隧穿到另一個(gè)電極時(shí)，便會(huì)引起電介質(zhì)泄漏。隨著工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，BLC和SNC之間的距離也在逐漸縮短，因此，這個(gè)問題正在變得愈發(fā)嚴(yán)重。這些結(jié)構(gòu)元件的制造工藝偏差也會(huì)對位線接觸和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接觸之間的電介質(zhì)泄漏產(chǎn)生負(fù)面影響。

虛擬制造平臺(tái) SEMulator3D^? 可使用設(shè)計(jì)和工藝流數(shù)據(jù)來構(gòu)建DRAM器件的3D模型。完成器件的“虛擬”制造之后，用戶可通過SEMulator3D查看器從任意方向觀察漏電路徑，并且可以計(jì)算推導(dǎo)出總的漏電值。這一功能對了解工藝變化對DRAM漏電流的影響大有幫助。SEMulator3D中的漂移/擴(kuò)散求解器能提供電流-電壓 (IV) 分析，包括GIDL和結(jié)點(diǎn)漏電計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化。用戶還可以通過改變設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、摻雜濃度和偏置強(qiáng)度，來查看漏電值的變化。

圖2. (a)在不同漏極電壓下，柵極電壓和漏極電流的變化曲線；(b)在不同柵極氧化層厚度 (+/-1nm) 下，柵極電壓和漏極電流的變化曲線。

圖2表明GIDL會(huì)隨著柵極氧化層厚度的變化而增加。柵極氧化層越薄，建模器件的柵極與漏極之間的電勢越高。

圖3. (a)和(b)帶BLC殘留和不帶BLC殘留結(jié)構(gòu)中BLC和SNC之間的漏電流；(c)電壓掃描下總漏電流的變化。

圖3顯示了SEMulator3D中的電介質(zhì)泄漏路徑以及位線接觸和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接觸之間的總電流差，突出了刻蝕工藝過程中BLC的制造偏差帶來的影響。如圖3 (c)所示，由于工藝偏差的影響，帶BLC殘留結(jié)構(gòu)的總漏電流高于不帶BLC殘留結(jié)構(gòu)的總漏電流。

圖4. (a) DRAM電容Z平面截面圖像及電介質(zhì)泄漏路徑；(b)電容X平面界面圖像及電介質(zhì)泄漏路徑；(c)總漏電流與偏置強(qiáng)度的變化曲線。

圖4所示為DRAM電容的電介質(zhì)泄漏的例子。圖4 (a)和4 (b)分別是DRAM的Z平面和X平面截面圖，以及在SEMulator3D器件模型中觀察到的電介質(zhì)泄漏路徑在這兩個(gè)平面上的投影。圖4 (c)顯示了位于底層 (BTM) 電極的漏電流隨著外加的偏置而變化。

圖5. (a) DRAM單元的摻雜濃度視圖，顯示了將交流信號施加到字線WL2時(shí)，字線WL2和其他節(jié)點(diǎn)處的電容類型（和預(yù)期位置）；(b)字線WL2和器件上其他節(jié)點(diǎn)之間的電容計(jì)算值。

影響DRAM性能的另一個(gè)重要因素是器件的寄生電容。DRAM開發(fā)期間應(yīng)進(jìn)行交流(AC)分析，因?yàn)槲痪€耦合會(huì)導(dǎo)致寫恢復(fù)時(shí)間(tWR)延遲，并產(chǎn)生其他性能故障。由于摻雜的多晶硅不僅用于晶體管柵極，還用于位線接觸和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)接觸，這會(huì)導(dǎo)致多個(gè)潛在的寄生電容產(chǎn)生（見圖5 (a)），所以必須對整個(gè)器件進(jìn)行電容測量。SEMulator3D內(nèi)置AC分析功能，可測量復(fù)雜的模擬3D結(jié)構(gòu)的寄生電容值。例如，通過模擬將交流小信號施加到字線WL2，SEMulator3D可以獲取全新設(shè)計(jì)的DRAM結(jié)構(gòu)中字線WL2與其它所有節(jié)點(diǎn)之間的電容值，以及它們隨著電壓變化而變化的曲線（圖5 (b)）。

總而言之，多種來源的漏電流和寄生電容會(huì)引起DRAM的故障。在DRAM開發(fā)期間，工程師需仔細(xì)評估這些故障模式，當(dāng)然也應(yīng)該考慮工藝變化對漏電流和寄生電容的影響。通過使用預(yù)期工藝流程和工藝變化來“虛擬”構(gòu)建3D器件，然后分析不同工藝條件下的寄生和晶體管效應(yīng)，可以簡化DRAM的下一代尋徑過程。 SEMulator3D 集成了3D工藝模型、R/C分析和器件分析功能，可以快速地驗(yàn)證DRAM器件結(jié)構(gòu)在不同工藝假設(shè)下是否容易發(fā)生漏電流或寄生電容故障。

Reference

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2. J. H. Chen, S. C. Wong, Y. H. Wang, “An analytical three terminal Band-to-Band tunneling model on GIDL in MOSFET,” IEEE Trans. on Electron devices, 48, 1400-1405 (2001)