用于动态随机存取存储器制造中“摆动活性区”效应的3D重建与刻蚀轮廓模拟

为什么微小的摆动对日常计算很重要

每次打开应用、在线播放视频或运行游戏时，设备都会严重依赖一种称为 DRAM 的主力技术，这是计算机和手机中的主存。随着厂商在每片芯片上堆叠更多比特，存储和移动电荷的微小三维结构必须以极高精度进行刻蚀。在这项研究中，研究人员针对一种绰号为“摆动活性区”的令人困惑的缺陷展开了研究：DRAM 中关键晶体管特征不是保持笔直，而是发生弯曲和鼓胀。理解并控制这一微妙的变形，有助于让未来的存储芯片保持高速、高效且可靠。

下一代存储芯片内部的问题

现代 DRAM 单元依赖于称为活性区的窄而鳍状的区域，这些区域充当电荷在存储数据的小电容之间流动的通道。为了达到当今电子设备所需的巨大密度，芯片制造商使用复杂的多步工艺对这些鳍进行图案化。然而，当使用等离子体刻蚀——一种以高能粒子轰击表面的工艺——将鳍从硅中刻蚀出来时，其原本笔直的形状可能会变形为轻微波状或倾斜的轮廓。这些“摆动”的鳍会降低电容的充放电性能，并最终削弱整个存储阵列的可靠性。该效应在工业中被广泛观察到，但其详细的物理起因尚不清楚。

观察纳米级鳍的完整三维形貌

传统成像工具如扫描电子显微镜和透射电子显微镜主要提供平面的二维快照。对于像 DRAM 活性区这样复杂且纵深很大的结构，这就像仅凭楼层平面图来评判一栋摩天大楼。研究团队改用一种称为 FIB-SEM 的方法，该方法在用离子束削去超薄材料层与使用电子显微镜拍摄每层图像之间交替进行。通过将大约 300 张此类图像叠加并用先进软件及基于深度学习的分割处理，他们重建了在一组刻蚀条件下的鳍的完整三维视图。这些重建显示出摆动效应随深度增强，鳍在底部处更宽、更弯曲，这证实了在简单横截面图像中看到的迹象，但现在以完整的 3D 细节被映射出来。

在计算机中构建虚拟刻蚀实验室

虽然 3D 重建提供了丰富细节，但该方法速度慢、破坏性强，不适合对许多不同工艺配方重复操作。为了探索导致摆动的原因及其控制手段，研究人员建立了一个三维刻蚀过程的计算机模型。采用蒙特卡罗方法，他们将材料视为微小体积单元，模拟中性粒子和离子流撞击表面、发生反应并移除或沉积材料。模型捕捉了粒子通量、表面反应和反射如何随时间共同塑造鳍轮廓的演化。随后他们进行了与实验室条件相匹配的虚拟实验，尤其关注刻蚀气体混合物中的三种氧气流量：低、中、高三档。

氧气流如何将笔直的鳍变为波状

模拟结果与 3D 重建高度一致。随着氧气流量增加，鳍变得更具锥度并沿高度方向更明显地摆动，这与真实实验相符。模型揭示了一个关键机制：一种“装载效应”，即鳍间间隙较宽的区域接收到更多反应性物种，并在侧壁形成不同数量的副产物层，与间隙较窄的区域不同。在此处使用的溴-氧化学体系中，挥发性的硅-溴化合物与氧驱动的表面层共同决定底部的刻蚀速率以及侧壁上保护膜的形成程度。更多的氧会促使侧壁形成更厚的保护层并促进再沉积，这反过来又放大了鳍的横向生长和波动。为量化该现象，团队定义了一个简单的“摆动度”指标，基于鳍宽相对于原始图案化尺寸的增长量；在实验与模拟中，这一指标都随更高的氧气流而持续增加。

通向更好存储制造的更清晰路径

通过将高分辨率 3D 成像与经过精确校准的 3D 模拟相结合，该研究把一个长期被观察到的工业缺陷与具体且可控的工艺参数联系了起来。结果表明，摆动活性区不仅仅是表面掩膜缺陷的产物，也可以在刻蚀深处通过气体、离子与副产物在拥挤纳米空间内的相互作用生成。研究显示降低刻蚀过程中的氧气流量可减轻摆动的严重性，为芯片制造商提供了实用指南，同时也暗示了未来工作需要权衡的取舍。本质上，作者既提供了诊断工具包，又绘制了保持 DRAM 鳍更笔直的刻蚀配方设计图，从而有助于我们的日常数字设备更加平稳运行。

引用: Hu, Z., Wen, J., Yang, C. et al. 3D reconstruction and etching profile simulation for wiggling active area effect in dynamic random access memory manufacturing. Commun Eng 5, 65 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00626-3

关键词: DRAM 制造, 等离子体刻蚀, 3D 纳米结构, 工艺模拟, 半导体可靠性