FinFET 發(fā)展的演變

技術(shù)路線圖始終是雙向的，一半來自技術(shù)方面的進步，另一半來自市場的需求。

在摩爾定律的世界中，較小的節(jié)點會出現(xiàn)較大的問題已成為眾所周知的現(xiàn)狀。隨著晶圓廠轉(zhuǎn)向納米片晶體管（Nanosheets） ，由于其他多層結(jié)構(gòu)的深度和不透明度，檢測線邊緣粗糙度和其他缺陷變得越來越具困難。因此，計量學采用了更多的混合方法，一些著名的工具從實驗室轉(zhuǎn)移到了晶圓廠。

納米片（Nanosheets）是FinFET的繼任者，架構(gòu)的演變促使業(yè)界持續(xù)渴望提高速度、容量和功率。它們還有助于解決導(dǎo)致電流泄漏的短通道效應(yīng)。先進平面 MOSFET 結(jié)構(gòu)的最大弱點在于它們永遠不會完全“關(guān)閉”。由于它們的配置，其中金屬氧化物柵極位于溝道頂部（在源極和漏極端子之間傳導(dǎo)電流），即使沒有向柵極施加電壓，一些電流也會繼續(xù)流動。

FinFET將通道提升為一個“鰭”。然后，柵極在該鰭上呈拱形，允許其三面連接。然而，柵極的底部和鰭的底部是相互平齊的，所以仍然有一些電流可以通過。環(huán)柵設(shè)計將鰭片變成多個堆疊的納米片水平“穿透”柵極，覆蓋所有四個面，并包含電流。另一個好處是納米片的寬度可以改變，以實現(xiàn)器件優(yōu)化。

FinFET 和 gate-all-around 與納米片的比較。來源：Lam Research不幸的是，一個問題解決了，其他問題就出現(xiàn)了。IBM 工藝技術(shù)總監(jiān) Nelson Felix 表示：“對于納米片架構(gòu)，許多可能導(dǎo)致晶體管失效的缺陷都不是視線范圍內(nèi)的。它們位于納米片的底部，或其他難以接近的地方。因此，在沒有任何先驗知識的情況下快速發(fā)現(xiàn)缺陷的傳統(tǒng)方法不一定有效?！?/p>

因此，雖然從進化的角度來看這可能是線性的，但許多工藝和材料挑戰(zhàn)必須解決。Nelson說：“由于納米片是如何形成的，創(chuàng)建硅鍺溝道不像FinFET一代那樣簡單?！?/p>

混合組合

目前正在使用幾種技術(shù)，從光學顯微鏡到掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線，甚至拉曼光譜等更快的方法。

KLA 等知名光學供應(yīng)商提供一線工具，采用散射測量法和橢圓偏振測量法等技術(shù)，以及高功率電子束顯微鏡。

Onto Innovation戰(zhàn)略營銷高級技術(shù)專家 Nick Keller 表示，由于有多個柵極堆棧，光盤測量需要將一個層次與下一個層次分開。在堆疊式納米片器件中，每個片的物理尺寸都需要單獨測量——特別是在選擇性源極-漏極凹陷蝕刻（決定驅(qū)動電流）和內(nèi)部間隔物蝕刻（決定源極-柵極電容，也影響晶體管性能）之后。我們已經(jīng)與所有主要參與者進行了演示，他們對能夠區(qū)分單個納米片寬度非常感興趣。”

Onto的光學臨界尺寸（OCD）解決方案將光譜反射法和光譜橢圓偏振法與AI分析引擎（稱為AI衍射）相結(jié)合，提供埃級 CD 測量，與傳統(tǒng) OCD 工具相比，具有卓越的層對比度。

光譜橢偏儀或光柵反射儀（散射儀）等技術(shù)可以測量 CD 并研究特征形狀。KLA 將散射測量描述為使用寬帶光照亮目標以進行測量。反射信號被輸入算法，將信號與基于已知材料特性和其他數(shù)據(jù)創(chuàng)建的模型庫進行比較，以查看 3D 結(jié)構(gòu)。該公司最新的 OCD 和形狀計量系統(tǒng)可識別一系列工藝層中 CD、高 k 和金屬柵極凹槽、側(cè)壁角度、抗蝕劑高度、硬掩模高度、間距步距的細微變化。改進的階段和新的測量模塊有助于提高吞吐量。

芯片制造商依靠人工智能引擎和計量學中的深度計算來處理數(shù)據(jù)流。Cyber Optics 首席執(zhí)行官Subodh Kulkarni 說：“他們?yōu)槲覀儺斕鞈?yīng)該看的東西做建模數(shù)據(jù)，這對我們有幫助。提供快速的分辨率和準確度。這很難實現(xiàn)。我們最終依靠CMOS的分辨率和GPU的帶寬來處理所有數(shù)據(jù)。因此，在某種程度上，我們依靠這些芯片來開發(fā)這些芯片的檢測解決方案?！?/p>

除了海量數(shù)據(jù)處理之外，來自不同工具的數(shù)據(jù)必須無縫組合?！盎旌嫌嬃渴且环N流行趨勢，因為每種計量技術(shù)都非常獨特，并且具有明確的優(yōu)勢和劣勢，”布魯克產(chǎn)品營銷總監(jiān) Lior Levin 說。“沒有一種單一的計量方法可以滿足所有需求。”

混合方法被廣泛接受。“系統(tǒng)制造商正在將兩種不同的技術(shù)集成到一個系統(tǒng)中，”布魯克微電子 AFM 的董事兼業(yè)務(wù)經(jīng)理 Hector Lara 說。他說，布魯克根據(jù)實際經(jīng)驗，決定反對這種方法，這表明它會導(dǎo)致次優(yōu)性能。

另一方面，混合工具可以節(jié)省時間，并在晶圓廠中實現(xiàn)更小的占地面積。例如，Park Systems 將 AFM 精度與白光干涉儀 （WLI） 集成到單個儀器中。根據(jù) Park Systems Americas 總裁 Stefan Kaemmer 的說法，其目的是在線吞吐量。雖然 WLI 可以快速發(fā)現(xiàn)缺陷，但“您只需將樣品移幾厘米至 AFM 頭部，而不必花時間將其卸載然后將其加載到另一個工具上，”Kaemmer 說。

與此同時，布魯克公司為 3D 邏輯應(yīng)用提供了 X 射線衍射 （XRD）/X 射線反射儀 （XRR） 和 X 射線熒光 （XRF）/XRR 的組合?！皩τ诮^大多數(shù)應(yīng)用來說，這種方法是一種非常專業(yè)的工具，具有單一的計量功能，”萊文說?！叭缓髮?shù)據(jù)進行混合。這是最好的選擇?！?/p>

AFM（原子力顯微鏡）提供的功能

AFM在納米片檢測中受到關(guān)注，因為它們能夠區(qū)分細微細節(jié)，這種能力已經(jīng)在 3D NAND 和 DRAM 生產(chǎn)中得到證明。“在 AFM 中，我們并沒有真正發(fā)現(xiàn)缺陷，”Kaemmer 解釋說?！爸饕牵覀冏x取通常來自某些 KLA 工具的缺陷圖，然后我們?nèi)タ蛻暨x擇的任何地方仔細檢查。之所以有用，是因為光學工具會告訴你有一個缺陷，但一個缺陷實際上可能是三個較小的缺陷，它們靠得太近，光學工具無法區(qū)分它們。”

關(guān)于AFM的標準笑話是，當它們在近四十年前首次開發(fā)時，它們的操作更容易解釋。1985 年，當電唱機在每個家庭中時，幾乎不需要想象一種樂器，其中一個從懸臂伸出的尖銳尖端沿著表面摸索以產(chǎn)生信號。通過電磁（有時是化學）修改，這本質(zhì)上是所有現(xiàn)代 AFM 的硬件設(shè)計。現(xiàn)在，在包括硅、金剛石和鎢在內(nèi)的一系列材料中，尖端的幾何形狀有很多變化，從金字塔形到圓錐形。

有兩種基本的操作模式。一是敲擊。顧名思義，懸臂在其自然共振頻率下進行振蕩，為 AFM 控制系統(tǒng)提供最高精度的力控制。結(jié)果是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的納米級空間拓撲繪制。第二種使用亞共振模式，在尖端-樣品相互作用期間產(chǎn)生最大的力控制。這種方法對于高縱橫比結(jié)構(gòu)非常重要，因為它可以提供高精度的深度測量，在某些結(jié)構(gòu)中，還可以提供側(cè)壁角度和粗糙度。

當今的商業(yè)生產(chǎn)工具適用于特定應(yīng)用，例如缺陷表征或表面輪廓測量。與光學顯微鏡不同，AFM的改進集中在提高分辨率上，例如，AFM正在研究用于混合鍵合的鍵合焊盤的細微輪廓變化，或揭示分子粘附等缺陷特征。

“粘合確實是 AFM 的最佳選擇，”布魯克高級應(yīng)用科學家肖恩·漢德 （Sean Hand） 說?！八娴氖瞧矫娴模瞧教沟?，我們能夠看到納米級的粗糙度，以及重要的納米級坡度變化?！?/p>

此外，由于尖端可以施加足夠的力來移動粒子，原子力顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)誤差并進行校正。近二十年來，它們一直被用于生產(chǎn)中，以去除碎片并對光刻掩模進行圖案調(diào)整。從 EUV 掩模中去除污染物，使光掩模迅速恢復(fù)生產(chǎn)使用。這延長了掩模和標線的壽命，并避免了濕法清潔造成的表面退化。

基于 AFM 的顆粒去除是一種成本顯著降低的干洗工藝，并且不會在光掩模表面增加殘留污染物，這會降低掩模壽命。表面相互作用是缺陷的局部，這將污染其他掩模區(qū)域的可能性降至最低。該工藝的高精度允許在脆弱的掩模特征內(nèi)進行清潔，而不會造成損壞。

在高級的光刻技術(shù)中，AFM也用于評估許多高 NA EUV 的候選光刻膠，包括金屬氧化物光刻膠和更傳統(tǒng)的化學放大光刻膠?！巴ㄟ^對高NA EUV研究的薄抗蝕劑評估，現(xiàn)在可以看到更薄的抗蝕劑溝槽?！盜mec 研發(fā)計量經(jīng)理 Anne-Laure Charley 說?！斑@成為 AFM 的一個非常好的用例?！?/p>

然而，AFM的缺點是它們僅限于表面表征。它們無法測量層的厚度，并且可能在深度 3D 輪廓信息方面受到限制。Charley 人合著了一篇論文，探討了AFM中垂直（z）漂移問題的深度學習校正?！叭绻愕慕Y(jié)構(gòu)有一個小溝槽開口，但它很深，你將無法用溝槽底部的尖端來回答，那么你將無法表征完整的邊緣深度，并且溝槽底部的輪廓，”她說。

拉曼光譜

拉曼光譜依賴于對非彈性散射光的分析，是一種成熟的離線材料表征技術(shù)，正在逐步進入晶圓廠。據(jù) IBM 的 Felix 稱，它很可能會上線以回答 3D 計量的難題?！坝幸惶拙A表征技術(shù)在歷史上一直是離線技術(shù)。例如，拉曼光譜可以讓你真正探測鍵合的樣子，”他說。“但有了nanosheet，這不再是一個數(shù)據(jù)集，你可以只進行抽查，讓它成為單向信息。我們必須以一種截然不同的方式使用這些數(shù)據(jù)。將這些技術(shù)引入晶圓廠，并能夠在不斷移動的晶圓上非破壞性地使用它們，這是真正需要的，因為材料集和幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜?！?/p>

XRD/XRF

除了 AFM，其他強大的技術(shù)也被引入納米片計量庫。例如，布魯克正在使用 X 射線衍射 （XRD），這是一種晶體學技術(shù)，羅莎琳德·富蘭克林 （Rosalind Franklin） 在 1952 年利用該技術(shù)創(chuàng)造了著名的“照片 51”來顯示 DNA 的螺旋結(jié)構(gòu)。

據(jù) Levin 介紹，在 FinFET 發(fā)展的鼎盛時期，企業(yè)采用了 XRD 技術(shù)，但主要用于研發(fā)?！翱雌饋碓谶@一代設(shè)備中，X 射線計量的采用率要高得多?！?/p>

Levin 說：“對于周圍的柵極，我們將 XRD——最先進的 XRD，高亮度源 XRD，用于測量納米片堆疊 ，與 XRF 相結(jié)合，他們兩個都是測量殘留部分，確保所有東西都連接起來，以及那些凹陷的邊緣臺階。XRF 可以提供非常準確的體積測量。它可以測量單個原子。因此，您可以以一種非常靈敏的方式測量凹邊，即凹邊后剩余的材料。它是一種直接測量，不需要任何校準。您獲得的信號與您要測量的信號成正比。因此，這兩種技術(shù)在 GAA 初始開發(fā)中得到了廣泛采用?！?/p>

Bruker Semi X 射線的首席技術(shù)專家 Matthew Wormington 提供了更多細節(jié)：“高分辨率X射線衍射和X射線反射測量是兩種技術(shù)，對各個層的厚度和成分非常敏感，這是控制3D工藝下游某些X參數(shù)的關(guān)鍵。柵極全方位結(jié)構(gòu)構(gòu)建在工程基板上。第一步是平面結(jié)構(gòu)，即硅和硅鍺層的周期性陣列。X 射線測量在這個非常關(guān)鍵的步驟中至關(guān)重要，因為一切都建立在此之上。這是一個關(guān)鍵的啟用測量。因此，現(xiàn)有技術(shù)變得更有價值，因為如果你的基底基板不正確——不僅僅是硅，還有 SiGe/Si 多層結(jié)構(gòu)——之后的一切都會受到挑戰(zhàn)?！?/p>

結(jié)論

納米片晶體管和其他 3D 結(jié)構(gòu)的引入要求更廣泛地使用 AFM、X 射線系統(tǒng)、橢偏儀和拉曼光譜等工具。Imec 的 Charley 說：“我們發(fā)現(xiàn)，晶片堆疊存在一些具體的挑戰(zhàn)。最終需要通過硅進行測量。因為將兩個晶片堆疊在一起時，需要通過背面進行測量或檢查，最終仍然有一個相對較厚的硅。這意味著要使用不同的波長，特別是紅外。因此，供應(yīng)商正在為此類用例開發(fā)使用紅外線的特定疊加工具?！?/p>

至于誰將最終推動研究，這取決于你何時提出這個問題。“技術(shù)路線圖始終是雙向的，”Lior 說?！斑@很難量化，但大約一半來自技術(shù)方面的進步，另一半來自市場的需求。每隔兩三年，我們就會推出新一代工具?！?/p>