FinFET SRAM的器件结构与制造要点介绍

本文介绍了FinFET SRAM的器件结构与制造要点。

本篇聚焦于FinFET SRAM的器件结构与制造要点。SRAM（静态随机存取存储器，static random access memory）在逻辑芯片中作为高速缓存使用，通常是芯片上密度最高、尺寸最小的电路单元，因此常被用作新工艺节点开发的测试载体。

SRAM单元电路与版图结构

SRAM存储单元由两个交叉耦合的反相器（inverter）和两个传输晶体管（pass transistor）组成，共需要六个晶体管——四个NMOS和两个PMOS。两个反相器相互锁定，使单元能够在不需要刷新的情况下稳定保持数据。两个传输晶体管分别连接位线（bit line，BL）和反相位线，控制数据的读写。与DRAM单元（一个晶体管加一个电容）或NAND闪存单元（单个器件）相比，SRAM单元的晶体管数量明显更多，这也是其单元面积显著大于DRAM的原因。

以14纳米FinFET SRAM为例，单元布局采用一维设计——每一层图案都沿单一方向排列，不包含二维弯折。鳍片沿垂直方向延伸，栅极沿水平方向延伸。源漏接触（source/drain contact，SDC）和栅极接触（gate contact，GC）也各自沿固定方向排列。这种一维布局降低了图形化的复杂度，有利于光刻和刻蚀工艺的均匀性控制。

在这样一个单元中，每个反相器包含一个PMOS和一个NMOS，两者共享同一栅极。传输晶体管则为NMOS。单元中不同晶体管具有不同的鳍片数量——反相器中的NMOS通常采用双鳍结构，PMOS采用单鳍结构，传输晶体管同样采用单鳍结构。鳍片数量的差异源于不同器件对驱动能力的不同要求。

制造流程中的关键模块

FinFET SRAM的制造流程与一般FinFET逻辑工艺基本相同，但某些模块呈现出更高密度下的特殊挑战。

有源区（active area，AA，即鳍片）的形成是整个工艺的起点。首先通过自对准双重图形化（self-aligned double patterning，SADP）形成鳍片图案，再以切割掩模修整鳍片的端部，去除不需要的部分。对于高密度SRAM阵列，鳍片切割掩模的密度可能超出单次光刻的分辨率极限，此时也需要采用双重图形化。鳍片刻蚀完成后进行氧化硅填充和回刻，回刻深度决定了有效鳍高。

 阱区注入在有源区形成之后进行。由于鳍片的间距极小，高能离子注入时的阴影效应可能导致相邻鳍片之间的掺杂不均匀，因此注入角度和剂量的控制需要格外注意。n阱和p阱的分布与版图对应——NMOS区域为p阱，PMOS区域为n阱。

栅极形成采用后栅工艺。先以自对准双重图形化形成虚设多晶硅栅极（dummy polysilicon gate）图案，再经切割掩模修整形成完整的虚设栅极。栅极切割同样需要精确的套刻控制——切割位置决定了晶体管沟道长度的最终尺寸。

源漏掺杂的形成是另一个关键模块。对于NMOS，采用选择性外延生长（selective epitaxial growth，SEG）磷掺杂硅（SiP），并掺入约1-2%的碳以在沟道中引入张应力。对于PMOS，采用选择性外延生长硼掺杂硅锗（silicon-germanium，SiGe）以引入压应力。源漏外延过程中，硅锗或硅磷仅在暴露的鳍片表面生长，而不在栅极顶部的硬掩模或侧墙表面生长。源漏外延完成后进行毫秒退火（mini-second anneal，MSA）以激活掺杂剂。

虚设栅极去除与HKMG沉积步骤与逻辑工艺一致。高k介质沉积后，先在整个晶圆表面沉积PMOS功函数金属——氮化钛（titanium nitride，TiN）和阻挡层氮化钽（tantalum nitride，TaN）。应用NMOS金属栅极掩模后，将NMOS区域的氮化钽和氮化钛刻蚀掉，再沉积NMOS功函数金属——钛铝氮化物（titanium aluminum nitride，TiAlN），通过退火形成稳定的钛铝氮化物。最后以氮化钛粘附层和钨（tungsten，W）填充栅极沟槽，经化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）后完成金属栅极。

接触层形成与自对准接触工艺

接触层的形成包括源漏接触和栅极接触两部分。源漏接触采用沟槽式结构而非圆形孔洞。首先沉积层间介质层（inter-layer dielectric，ILD），应用源漏接触掩模刻蚀出沿栅极方向延伸的接触沟槽，穿过介质层落到鳍片的源漏区域。沉积钛/氮化钛/钨填充接触沟槽，经化学机械抛光去除表面金属。

栅极接触则形成在栅极上方，与源漏接触呈垂直方向排列。栅极接触的形成同样需要精确的套刻控制，确保接触孔准确落在栅极上而非落在源漏区域或隔离结构上。

另一种形成源漏接触的方案是自对准接触（self-aligned contact，SAC）工艺。该方案先在金属栅极形成后进行栅极凹陷，以氮化硅填充凹陷区域。随后应用接触掩模刻蚀接触孔，由于刻蚀对氧化硅相对于氮化硅具有高选择性，接触孔可以自对准地落到源漏区域而不损伤栅极顶部的氮化硅层。这种自对准方案放宽了接触掩模的套刻预算，在高密度SRAM制造中具有优势。