问题描述

半导体芯片制程已经从二维向三维发展。随着新一代芯片垂直方向堆叠层数的增多，工艺难度呈指数上升，必须对芯片三维结构参数进行精确测量，才能指导优化工艺并保证芯片功能。当前，即使采用现有最先进的技术仍无法定量检测极大深宽比芯片结构。因此，攻克极大深宽比三维芯片结构测量难题刻不容缓。

问题背景

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性能，世界各大芯片制造厂商开始提出三维堆叠的概念，芯片结构也开始从二维走向三维。例如：晶体管的结构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工艺节点的主要栅极设计结构；存储芯片也正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以做到64层，而一线大厂如三星、海力士、镁光等已经可以做到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，同时对检测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、定量获取三维芯片的关键尺寸、深度信息以及缺陷位置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，现有测量仪器难以对其进行无损定量检测。扫描电子显微镜（SEM）、光学关键尺寸测量仪（OCD）和原子力显微镜（AFM）很难满足其大深宽比的测量需求，只能通过横截面透射电子显微镜（TEM）这种破坏式方法进行检测。可见，测量具有极限特征尺寸的大深宽比纳米结构仍然极具挑战。

最新进展（截止问题发布年度）

在半导体芯片检测领域，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，其开发的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，能够轻易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研究探索阶段，尚未出现相应的检测设备。因此，随着三维芯片堆叠工艺的进一步深入，对于大深宽比纳米结构三维定量检测的需求将越来越急迫。

重要意义

三维芯片的纳米结构定量检测是世界性难题，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，最直接的影响行业是半导体集成电路领域，大深宽比结构定量检测的实现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。发展三维芯片的大深宽比纳米结构定量检测技术，一方面可使我国在半导体芯片检测领域率先突破。另一方面，该技术难题的突破将提升我国航空航天、国防军工等领域微纳功能器件的制造水平，对交叉领域科技发展产生重大影响，并发挥引领带动作用。