纳米片场效应管推动芯片测试的变革

在摩尔定律的世界里，较小的节点导致较大的问题已经成为一个不言而喻的事实。随着晶圆厂转向纳米片晶体管，由于这些和其他多层结构的深度和不透明性，检测线边缘粗糙度和其他缺陷变得越来越困难。因此，测量采取了更多的混合方法，一些著名的工具从实验室转移到了工厂。

纳米片是finFET的后继者，这是一种架构演变，是由业界不断提高速度、容量和功率的愿望推动的。它们还有助于解决导致电流泄漏的短通道效应。高级平面MOSFET结构的最大弱点在于它们从未完全“关闭”。由于它们的配置，其中金属氧化物栅极位于沟道顶部（源极和漏极端子之间的导电电流），即使栅极上没有施加电压，一些电流也会继续流动。

FinFET将通道提升为一个“鳍”。然后，栅极在鳍上呈拱形，允许它在三个侧面连接。然而，闸门底部和鳍底部彼此保持水平，因此一些电流仍然可以通过。栅极周围的设计将鳍变成多个堆叠的纳米片，水平“穿透”栅极，覆盖所有四个面并容纳电流。另一个好处是，纳米片的宽度可以改变以进行器件优化。

图1：用纳米片比较finFET和栅极。资料来源：Lam Research

不幸的是，随着一个问题的解决，其他问题也出现了。IBM工艺技术总监Nelson Felix表示：“在纳米片结构中，许多可能导致晶体管失效的缺陷都不是视线所及，它们位于纳米片的下面或其他难以接近的地方。因此，在没有任何先验知识的情况下快速查找缺陷的传统方法不一定有效。”

因此，从进化的角度来看，这可能是线性的，但许多工艺和材料挑战必须解决。Nelson说：“由于纳米片是如何形成的，创建硅锗通道不像finFET一代那么简单。”

混合检测组合

目前正在使用多种技术，包括光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线，甚至拉曼光谱等快速方法。

KLA等知名光学供应商提供了一线工具，采用了散射测量法和椭偏测量法等技术，以及高性能电子束显微镜。

Onto Innovation战略营销高级技术专家Nick Keller表示，由于有多个门堆栈，光学CD测量需要将一个级别与下一个级别分开。“在堆叠的纳米片设备中，需要单独测量每一片的物理尺寸，特别是在选择性源漏凹入腐蚀（决定驱动电流）和内部间隔腐蚀（决定源栅电容，也影响晶体管性能）之后。我们已经对所有关键参与者进行了演示，他们非常有兴趣能够区分单个纳米片宽度。”

Onto的光学临界尺寸（OCD）解决方案将光谱反射法和光谱椭偏法与AI分析引擎（称为AI Diffract）相结合，以提供埃级CD测量，与传统OCD工具相比，具有更好的层对比度。

图2：使用AI-Diffract软件生成的GAA器件模型，显示了每个纳米片层的内部间隔区（橙色）。资料来源：Onto Innovation

像椭圆偏振光谱法或光栅反射测量法（散射测量法）这样的技术可以测量CD并研究特征形状。KLA将散射测量描述为使用宽带光照射目标以获得测量值。反射信号被输入算法，将信号与基于已知材料特性和其他数据创建的模型库进行比较，以查看3D结构。该公司最新的OCD和形状计量系统可识别一系列工艺层中的细微变化（CD、高k和金属门凹口、侧壁角度、抗蚀剂高度、硬掩模高度、俯仰角）。改进的阶段和新的测量模块有助于加快吞吐量。

芯片制造商依靠人工智能引擎和测量学的深度计算来处理数据流。CyberOptics首席执行官Subodh Kulkarni表示：“他们为我们当天应该看到的内容提供建模数据，这对我们有帮助，但他们希望我们能为他们提供快速的分辨率和准确度。这难以置信地难以实现。我们最终依赖CMOS分辨率和GPU带宽等东西来处理所有数据。因此，在某种程度上，我们依赖这些芯片来开发这些芯片的检测解决方案。”

除了海量数据处理外，来自不同工具的数据必须无缝组合。Bruker产品营销总监Lior Levin表示：“混合测量是一种流行趋势，因为每种测量技术都是独一无二的，都有明确的优缺点，没有一种计量方法可以满足所有需求。”

混合方法被广泛接受。“系统制造商正在将两种不同的技术集成到一个系统中，”Bruker的董事兼微电子AFM业务经理Hector Lara表示。他说，Bruker根据现实经验决定不采用这种方法，这表明它会导致性能次优。

另一方面，混合工具可以节省时间，并允许更小的工厂占地面积。例如，Park Systems将AFM精度与白光干涉仪（WLI）集成到单个仪器中。Park Systems Americas总裁Stefan Kaemmer表示，其目的是实现在线产量。虽然WLI可以快速发现缺陷，只需将样品移动几厘米到AFM头上，不必花时间卸载，然后再将其加载到另一个工具上。

同时，Bruker为3D逻辑应用提供了X射线衍射（XRD）/X射线反射仪（XRR）和X射线荧光（XRF）/XRR的组合。然而，莱文说，“对于绝大多数应用，这种方法是一种具有单一计量学的非常专业的工具，然后将数据混合。这是最好的选择。”

AFM提供了什么

原子力显微镜在纳米片检测中正受到关注，因为它们能够分辨细微的细节，这一能力已经在3D NAND和DRAM生产中得到证明。“在AFM中，我们并没有真正发现缺陷，”Kaemmer解释道。“主要是，我们阅读了一些KLA工具的缺陷图，然后我们去客户选择的任何地方仔细检查。这之所以有用，是因为光学工具告诉您存在缺陷，但一个缺陷实际上可能是三个较小的缺陷，它们非常接近，光学工具无法区分它们。”

关于自动售检票机的标准笑话是，近四十年前首次开发时，其操作更容易解释。1985年，当每个家庭都有唱片播放器的时候，几乎不需要想象一种乐器，它的一个尖锐的尖端从悬臂伸出，沿着表面摸索着发出信号。通过电磁（有时是化学）修改，这基本上是所有现代AFM的硬件设计。现在，在包括硅、金刚石和钨在内的一系列材料中，尖端几何形状有许多变化，从金字塔到圆锥体。

在一种操作模式（tapping）中，悬臂梁以其自然共振频率振荡，使AFM控制系统具有更高的力控制精度，从而实现半导体结构的纳米级空间地形绘制。第二种亚共振模式能够在尖端/样品相互作用期间实现最大的力控制。这种方法对于呈现高精度深度测量的高角度结构，以及某些结构中的侧壁角度和粗糙度来说，是非常宝贵的。

今天的商业生产工具适用于特定的应用，例如缺陷表征或表面轮廓测量。与光学显微镜不同，光学显微镜的改进集中在提高分辨率上，原子力显微镜关注的是混合键合焊盘的细微轮廓变化，或者揭示诸如分子粘附之类的缺陷特征。

Bruker高级员工应用科学家肖恩·汉德（Sean Hand）表示：“对于AFM来说，绑定确实是一个好地方，它真的是平面的，它是平的，我们能够看到纳米级的粗糙度，以及纳米级的斜率变化，这些都很重要。”

此外，由于尖端可以施加足够的力来移动粒子，原子力显微镜既可以发现错误，也可以纠正错误。近二十年来，它们一直用于生产中清除碎片，并对光刻掩模进行图案调整。图3（下图）显示了用于高级节点开发的光刻过程中基于探针的粒子去除。从EUV掩模中去除污染物，使光掩模能够快速恢复生产使用。这延长了十字线的寿命，并避免了因湿式清洁而导致的表面退化。

基于AFM的颗粒去除是一种成本显著较低的干洗工艺，不会对光掩模表面造成残留污染，这会降低掩模寿命。表面相互作用是缺陷的局部，这将其他遮罩区域的污染可能性降至最低。该工艺的高精度允许在易碎的面罩特征内进行清洁，而无损坏风险。

图3：模式修复示例。资料来源：Bruker

在光刻过程中使用基于探针的粒子去除应用程序进行高级节点开发。在生产过程中清除EUV掩模上的污染，可使光掩模快速返回生产使用。这种干洗去除过程可以延长面膜的使用寿命，同时避免湿洗造成的表面退化。

原子力显微镜还用于评估高NA EUV的许多候选光致抗蚀剂，包括金属氧化物抗蚀剂和更传统的化学放大抗蚀剂，随着高NA EUV研究的抗蚀剂评估结果的降低，现在你会发现抗蚀剂沟槽越来越浅，这成为AFM的一个非常好的用例。

然而，原子力显微镜的缺点是仅限于表面表征。它们无法测量层的厚度，并且在深层3D剖面信息方面受到限制。查利最近与人合著了一篇论文，探讨了AFM垂直（z）漂移问题的深层学习修正。如果你有一个沟槽开口很小但很深的结构，你将无法用沟槽底部的尖端来回答，也无法描述沟槽底部的整个边缘深度和轮廓。

拉曼光谱

拉曼光谱依赖于对非弹性散射光的分析，是一种成熟的离线材料表征技术，正逐步进入晶圆厂。据IBM的Felix称，它很可能会在线回答3D计量学的难题。他说：“有一套晶圆表征技术在历史上一直是离线技术。例如，拉曼光谱可以让你真正探测键合的样子,但对于纳米片，这不再是一个你只能抽查的数据集，它只是单向信息。我们必须以截然不同的方式使用这些数据。将这些技术引入晶圆厂，并能够在不断移动的晶圆上非破坏性地使用它们，这才是真正需要的，因为材料集和几何结构的复杂性。”

X射线衍射/X射线荧光光谱

除了原子力显微镜，其他强大的技术也被纳入纳米片计量武库。例如，布鲁克正在使用X射线衍射（XRD），这是罗莎琳德·富兰克林在1952年创作著名的“照片51”时使用的结晶学技术，以显示DNA的螺旋结构。

据莱文介绍，在finFET发展的鼎盛时期，公司采用了XRD技术，但主要用于研发。“看起来在这一代设备中，X射线计量的采用率要高得多。”

莱文说：“对于闸门周围，我们将XRD（最先进的XRD，高亮度源XRD）与XRF相结合，用于测量纳米片堆栈，这两种方法都是为了测量残余部分，确保所有东西都连接起来，以及那些凹边台阶。XRF可以提供非常精确的体积测量。它可以测量单个原子。因此，以非常灵敏的方式，你可以测量凹边蚀刻后剩余材料的凹边。这是一种直接测量，不需要任何校准选项。你得到的信号与你要测量的信号成正比。因此，这两种技术在GAA的初始开发中得到了大量采用。”

Bruker Semi-X-ray首席技术员Matthew Wormington，提供了更多详细信息：“高分辨率X射线衍射和X射线反射仪是两种对单层厚度和成分非常敏感的技术，这两种技术对于控制3D过程中下游的一些X参数至关重要。栅极周围的结构是建立在工程基板上的。第一步是平面结构，即硅和硅锗的周期阵列um层。X射线测量在这一关键步骤中至关重要，因为一切都建立在这一基础之上。这是一个关键的使能测量。因此，现有的技术变得更有价值，因为如果你不能正确地使用基底——不仅仅是硅，还有SiGe/Si多层结构——那么接下来的一切都会受到挑战。”

总结

纳米片晶体管和其他3D结构的引入要求更广泛地使用AFM、X射线系统、椭偏测量和拉曼光谱等工具。而新工艺，如混合键合，会导致引入旧工艺用于新的应用。Imec的Charley说， “我们看到一些与晶片堆叠有关的具体挑战。你最终需要通过硅进行测量，因为当你开始将两块晶片堆砌在一起时，你需要通过背面进行测量或检查，最终你仍然有一块相对较厚的硅。这意味着要使用不同的波长，特别是红外。因此供应商需要为这些用例开发使用红外的特定覆盖工具。”

至于谁将最终推动这项研究，这取决于你何时提出这个问题。“技术路线图总是双向的，”Lior说。“这很难量化，但大约一半来自技术方面，一半来自市场需求。每隔两三年，我们就会有新一代工具。”