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工程技术难题:如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题?

入选中国科协2021十个工程技术难题


  来源: 科技日报 华凌 时间:2021-08-05 编辑:清风
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7月28日,中国科协在第二十三届年会闭幕式上发布了10个对工程技术创新具有关键作用的工程技术难题,由中国计量测试学会推荐的西安交通大学杨树明教授提出的《如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题?》入选。



西安交通大学杨树明教授提出的《如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题?》,分析了三维半导体芯片未来发展对测量技术的需求,探索大深宽比纳米结构测量的最新发展方向,研究了大长径比纳米探针技术在新一代半导体芯片测量中的可行性。


对于该难题,推荐专家认为:大深宽比纳米结构测量技术对于三维半导体芯片制造技术提升和工艺控制至关重要,其率先突破将直接影响半导体芯片制造领域,进一步促进航空航天、国防军工等领域微纳器件的制造水平提升,并将极大丰富和扩展计量科学和方法创新。


芯片制程从二维向三维发展,现有测量技术面临严峻挑战


随着芯片工艺日益精细,物理尺寸几乎达到了极限,摩尔定律遇到发展瓶颈,但是市场对芯片性能的要求却越来越高。为了寻求更好的方式提升芯片性能,世界各大芯片制造厂商提出三维堆叠的概念,芯片结构也开始从二维走向三维。


晶体管正在从传统的平面型发展为具有三维结构的鳍式场效应管(FinFET),并且已经成为14 nm以下乃至5 nm工艺节点的主要结构;存储芯片也向具有大深宽比三维垂直结构的3D NAND发展,通过在垂直方向增加存储叠层而非缩小器件二维尺寸实现存储密度增长。


目前国产芯片最高可做到64层,而三星、海力士、镁光等已可做到128层以上,这些芯片结构的高度复杂性给制造工艺带来了全新的挑战,同时对测量技术提出了新的更高要求,即满足二维特征尺寸测量的同时兼顾三维结构的深度信息。


无损和定量获取三维芯片的关键尺寸、深度及缺陷等信息对于新一代三维芯片制造技术提升和工艺控制至关重要。对于上述具有极限特征尺寸的极大深宽比三维结构,如3D NAND闪存芯片中深宽比>80:1的通道孔,国际上最先进的测量仪器也难以对其进行无损定量检测。


可见,测量大深宽比纳米芯片结构仍然极具挑战。


突破大长径比纳米探针测量技术难题,迅速占领三维芯片检测制高点


在半导体芯片量检测领域,国际上最先进的技术和仪器主要被美国KLA-Tecor和Applied Materials和日立三家公司垄断。受中美贸易摩擦影响,国产替代迫在眉睫。


目前用于芯片结构关键尺寸(CD)和三维检测的仪器主要包括TEM、OCD、CD-SEM和3D-AFM。TEM通过切片检测截面信息,属于破坏式测量,不利于规模化量产。OCD基于光学散射-模型匹配原理,通过分析周期性纳米结构的散射光场,主要用于定性缺陷识别和二维关键尺寸检测;利用X射线透视技术,通过对芯片不同深度处进行断层分析可定性获得三维形状信息。CD-SEM基于电压衬度成像原理,使用精细聚焦的电子束扫描样品,具有亚纳米级分辨率,能够测量芯片二维特征尺寸,是芯片在线检测最通用的技术之一;采用最新的背向散射电子探测技术,可实现基于模型的三维检测,但仍无法定量获得深度信息;此外,电子与被测材料相互作用,可能引起损伤。3D-AFM具有纳米级分辨率和实现三维定量检测的优势,但由于原子力硅探针的展宽效应,对于具有极大深宽比的三维结构测量存在严重失真。


通过在原子力硅探针上组装或生长具有大长径比的碳纳米管探针可有效扩大AFM的测量深度,这是实现大深宽比纳米结构测量的最新发展方向,目前研究该技术的机构主要有美国加州大学、日本大阪大学以及西安交通大学等。


未来面临的关键难点与挑战是如何突破探针的长径比与力学性能的相互制约瓶颈,实现大长径比纳米探针的可控制备;或者以大长径比探针作为光诱导介质,突破光学衍射分辨率极限,实现光学非接触测量。以上方法在全球范围内仍处于实验室研究阶段,尚未出现成熟的可溯源测量设备。三维芯片大深宽比结构可溯源测量是世界性难题,该难题取得突破后,将极大丰富和扩展计量科学和方法的创新,直接影响半导体芯片制造领域,并将促进半导体芯片进一步向多层堆叠结构发展,在三维世界中延续摩尔定律。


我国当下的半导体检测技术及设备已经受制于人,迅速发展大深宽比纳米结构的三维定量检测技术,不但可以打破国外的技术封锁,还可以迅速占领科技制高点,在三维半导体芯片检测领域实现弯道超车。

关键词:三维半导体芯片 纳米结构 测量    浏览量:2143

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