本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering

深垂直孔和凹陷特征對最好的計量方法提出了挑戰(zhàn)。

每一代3D NAND閃存的存儲容量都比上一代增加約30%，目前的芯片尺寸僅相當(dāng)于指甲蓋大小，卻能存儲高達(dá)2太比特的數(shù)據(jù)。隨著新產(chǎn)品發(fā)布周期從18個月縮短至12個月，芯片制造商們正不斷創(chuàng)新，以實現(xiàn)如此驚人的擴(kuò)展速度。

3D NAND技術(shù)是手機(jī)、固態(tài)硬盤、數(shù)據(jù)中心、個人電腦和SD 卡的核心組件。每年超過 30% 的資本設(shè)備訂單都用于制造閃存芯片的工具集。除了在全球支出中扮演重要角色外，3D NAND 還推動 3D 計量和檢測技術(shù)邁向新的高度。這需要多種技術(shù)的結(jié)合，包括光學(xué)、X 射線、高能電子束和電子束電壓對比度技術(shù)，同時，諸如基于 GaN 的電子束等全新方法也因其能夠檢測關(guān)鍵缺陷而被引入。

自3D NAND 閃存開始在企業(yè)級固態(tài)硬盤中發(fā)揮作用以來，芯片制造商一直在使用環(huán)繞式柵控電荷陷阱單元。這些單元與浮柵單元有些類似，但其電壓模式不同，電子進(jìn)出陷阱層的方式也不同。氮化硅構(gòu)成了這些陷阱單元。

氮化硅是理想的隔離材料，因為它比多晶硅更不易產(chǎn)生缺陷和漏電，而且支持編程/擦除循環(huán)所需的電壓更低。因此，電荷陷阱單元可以使用更薄的氧化層，并降低氧化層上的應(yīng)力，從而比浮柵單元具有更高的耐久性。電荷陷阱方法還可以實現(xiàn)更快的讀寫操作，并降低能耗。

為了制造3D NAND器件，芯片制造商會在存儲單元的多個水平薄膜層上沉積存儲單元，并在這些存儲單元上創(chuàng)建垂直通道孔連接。為了提高存儲容量，通常會堆疊兩層或三層更薄的氧化物-氮化物薄膜。Lam Research和TEL提供的低溫刻蝕系統(tǒng)在制造直徑小于100納米、深度為6至10微米的高深寬比孔方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因為在超低溫（低至-60°C）下，刻蝕速率顯著提高，這是因為刻蝕前沿的反應(yīng)物質(zhì)濃度更高，去除能力更強(qiáng)。非晶碳硬掩模有助于垂直刻蝕。挑戰(zhàn)在于如何在實現(xiàn)近乎垂直輪廓的同時，防止彎曲、扭曲或傾斜。

3D NAND 閃存的微縮技術(shù)正從三個方面推進(jìn)。首先，NAND 制造商正在縮小觸點孔之間的間距，從而在相同的硅片面積內(nèi)實現(xiàn)更多存儲單元。其次，通過增加氧化層/字線的層數(shù)，堆疊結(jié)構(gòu)也在垂直方向上擴(kuò)展。第三是所謂的邏輯微縮。在此過程中，每個存儲單元可以封裝更多比特，從三層單元 (TLC)、四層單元 (QLC) 到五層單元 (PLC)，每種單元的工作閾值電壓都不同。

水平和垂直方向的縮放相結(jié)合，需要蝕刻工藝實現(xiàn)絕對的輪廓控制?！叭绻讖胶涂仔螤畈粔蛲昝?，就會受到附近器件的干擾，從而無法進(jìn)行邏輯縮放，”Lam Research全球產(chǎn)品副總裁Tae Won Kim 表示。

在3D NAND的所有重要特征中（見圖1），包括存儲孔、狹縫、階梯觸點和外圍觸點，垂直存儲孔的尺寸最小?！翱蛻粜枰叻直媛实耐ǖ揽?、字線切割溝槽和硬掩模孔的z軸輪廓圖，”O(jiān)nto Innovation公司光學(xué)計量應(yīng)用開發(fā)總監(jiān)Nick Keller表示，“他們還希望了解蝕刻回刻步驟中通道孔底部（或頂部）的垂直凹槽尺寸?！?/p>

圖1：3D NAND 的關(guān)鍵特征包括微小的存儲孔、狹縫、階梯狀觸點和外圍觸點。來源：Lam Research

垂直堆疊存儲單元具有多項重要優(yōu)勢。它能提供更高的位密度，并通過縮短單元間的互連長度來提升電氣性能，從而降低功耗。氮化物層是犧牲層，因此需要使用濕法刻蝕去除，然后用金屬層替代。

在柵極后置集成工藝中，字線由鎢構(gòu)成。鎢的置換和分離過程會產(chǎn)生多種缺陷，包括鎢空洞、氧化物空洞和橋接缺陷。

對于工藝集成商以及缺陷檢測和減少而言，字線集成是一項特殊的挑戰(zhàn)。諸如CD-SEM或原子力顯微鏡(AFM)之類的技術(shù)難以觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。主要關(guān)注的缺陷通常是堆疊結(jié)構(gòu)中的亞表面缺陷（尤其是空隙），或是高深寬比存儲孔底部蝕刻后殘留物造成的缺陷。

鎢蝕刻或鎢凹槽工藝之后是另一個關(guān)鍵的計量步驟。這一步驟至關(guān)重要，因為鎢蝕刻不足會導(dǎo)致字線短路，進(jìn)而損壞存儲串。而過度蝕刻通常會導(dǎo)致器件性能下降。

在最新的3D NAND芯片中，存儲單元堆疊結(jié)構(gòu)制造完成后，會通過晶圓鍵合技術(shù)與下方的控制邏輯連接。聲學(xué)顯微鏡是檢測關(guān)鍵晶圓界面處空隙的常用方法。

散射測量法（也稱光學(xué)CD，OCD）是晶圓廠廣泛使用的最佳工具

多年前，為了更好地測量垂直孔內(nèi)部，這些技術(shù)已從可見光波段擴(kuò)展到紅外波段。

“對于3D NAND閃存，IRCD技術(shù)已在量產(chǎn)應(yīng)用中得到驗證，可用于高縱橫比z軸輪廓測量，”Keller說道。他指出，雖然關(guān)鍵尺寸小角X射線散射（CD-SAXS）技術(shù)也已在制造環(huán)境中得到驗證，尤其是在層間傾斜和套刻測量方面，但CD-SAXS的吞吐量無法與光學(xué)方法相媲美。因此，CD-SAXS可能被選擇性地應(yīng)用于其他方法無法提供相同信息的領(lǐng)域，例如確保不同存儲孔層之間的良好套刻。

紅外關(guān)鍵尺寸計量(IRCD) 之所以能夠提供垂直方向的輪廓靈敏度，僅僅是因為其工作波長范圍以及超晶格中的介電層（氮化硅和二氧化硅）。與光學(xué)關(guān)鍵尺寸計量 (OCD) 類似，IRCD 也是一種間接測量方法，它依賴于光譜響應(yīng)與關(guān)鍵尺寸 (CD) 測量的穆勒矩陣相關(guān)性。為了滿足大批量生產(chǎn)的需求，IRCD 需要以與 OCD 系統(tǒng)相當(dāng)?shù)奶幚硭俣龋蹲骄A內(nèi)以及晶圓間的 CD 變化。

“中波和長波紅外波段的介電材料具有吸收峰，這些吸收峰取決于分子中存在的鍵類型（例如，SiO?的吸收峰是由于其在1000cm?1附近的‘伸縮振動’而形成的強(qiáng)Si-O鍵）。吸收峰的振幅和寬度隨波長變化，因此會調(diào)節(jié)光的穿透深度，”Keller解釋道。“其次，與紫外-可見-近紅外光譜儀相比，由于紅外波段的高頻振蕩較少，因此在紅外波段建立OCD模型速度更快，這在計算上具有優(yōu)勢，因為RCWA（嚴(yán)格耦合波分析）計算中所需的諧波更少。”

IRCD可用于測量溝道孔CD以及第一層和第二層溝道孔上的氮化硅凹槽。測量氮化硅凹槽至關(guān)重要，因為自對準(zhǔn)電荷陷阱層中的電荷限制有助于防止橫向電荷遷移，從而提高存儲器件的數(shù)據(jù)保持性能。

將現(xiàn)有工具擴(kuò)展到測量深層結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵尺寸時，一個根本性的挑戰(zhàn)是側(cè)面薄膜對信號的吸收?！叭绻∧記]有吸收，理論上就沒有限制，但由于光譜分辨率或參數(shù)相關(guān)性的損失，建模可能會變得非常困難，”凱勒說。

電子束和X射線

電子束工具通常能提供比光學(xué)系統(tǒng)更詳細(xì)的缺陷分析。近年來，應(yīng)用材料公司和科磊公司開發(fā)了高著陸能量系統(tǒng)，用于放大高深寬比孔洞的缺陷。

采用30keV高能量電子束進(jìn)行計量，可以穿透高縱橫比（AR）孔。通過檢測背散射電子和二次電子，可以識別數(shù)微米深處的目標(biāo)缺陷。高能量電子束還可以指示存儲器孔中殘留鎢的狀況。深度學(xué)習(xí)有助于ADC運行期間的缺陷分類，同時還能區(qū)分干擾缺陷和致命缺陷。

應(yīng)用材料公司的高能電子束系統(tǒng)采用冷場發(fā)射槍，以更窄的電子束向結(jié)構(gòu)輸送更多電子。該工具可提供高達(dá)60keV 的著陸能量。

但芯片制造商在使用高能量電子束時非常謹(jǐn)慎，因為電離輻射可能會損傷敏感的NAND層，尤其是介電層。任何對電荷陷阱區(qū)域的意外改變都可能影響器件的閾值電壓，從而降低性能或長期可靠性。

利用電子束點掃描系統(tǒng)進(jìn)行電壓對比度檢測，是識別關(guān)鍵熱點的有效手段。該方法常用于器件學(xué)習(xí)或爬坡階段，此時熱點雖然極其罕見，但仍然存在。

“當(dāng)人們說‘我想看看熱點’時，他們以為只要看一兩個熱點就能發(fā)現(xiàn)問題。但隨機(jī)缺陷既有確定性因素，也有統(tǒng)計性因素，”PDF Solutions總裁兼首席執(zhí)行官John Kibarian 表示?！八詫嶋H上，我需要查看 100 億到 200 億個熱點才能找到一個失效的。熱點的失效率雖然高于最低水平，但仍然非常非常罕見。而這正是如今在熱點分析中需要挖掘的關(guān)鍵所在?！?/p>

軟件在找出這些熱點方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用?！斑@才是真正的挑戰(zhàn)——確定在電子束工具中應(yīng)該關(guān)注哪些區(qū)域，才能在合理的時間內(nèi)查看數(shù)百億個點，”基巴里安說。

另一種采用替代電子源的電子束技術(shù)或許能有效識別NAND閃存的缺陷。Kioxa公司近期宣布，正在評估一種基于GaN的電子束工具，用于3D NAND應(yīng)用中的缺陷檢測。該GaN電子束系統(tǒng)由名古屋大學(xué)天野-本田實驗室和初創(chuàng)公司Photo Electron Soul聯(lián)合開發(fā)，有望實現(xiàn)非接觸式缺陷檢測、電學(xué)檢測和輪廓測量。該系統(tǒng)采用選擇性電子束輻射和實時光束強(qiáng)度控制，最大限度地減少光束偏差，從而增強(qiáng)缺陷檢測和故障根本原因分析。

另一種檢測高縱橫比孔內(nèi)缺陷的有效方法是X射線檢測，包括X射線CT（計算機(jī)斷層掃描）。X射線檢測技術(shù)總體上受益于X射線源和檢測方法的最新改進(jìn)?！半S著全包圍式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，對計量技術(shù)的需求日益增長，”布魯克公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Juliette van der Meer表示， “我們推出了一款新型X射線檢測工具，它擁有更高的X射線源功率和更先進(jìn)的探測器，能夠滿足大批量生產(chǎn)的需求?！?/p>

最后，在存儲單元結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成后，NAND芯片制造商會將“陣列下CMOS”芯片鍵合到NAND存儲單元上。在此過程中，聲學(xué)顯微鏡被證明有助于識別混合鍵合或熔融鍵合工藝中晶圓之間的微小空隙。

聲學(xué)顯微鏡通過水介質(zhì)發(fā)送高頻信號來識別鍵合晶圓中的缺陷。諾信測試測量公司采用的一種方法是在高速旋轉(zhuǎn)晶圓的同時，使用瀑布式換能器進(jìn)行非浸沒式掃描，從而最大限度地降低污染或誤判的風(fēng)險。換能器類型（頻率）的選擇取決于具體應(yīng)用，可提供一系列焦距，用于檢測鍵合晶圓或鍵合芯片晶圓應(yīng)用中的空隙。

真實性驗證

盡管上述方法均為非破壞性方法，但破壞性方法可以通過聚焦離子束刻蝕結(jié)合掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）對器件進(jìn)行橫截面分析，從而觀察器件晶圓的實際橫截面。在工藝開發(fā)和量產(chǎn)階段，F(xiàn)IB-SEM 方法可以揭示特征蝕刻不完全、彎曲或扭曲，尤其能夠發(fā)現(xiàn)通道孔之間的差異。

工藝建模/虛擬計量 表征

高度微縮特征中諸多微妙而復(fù)雜的良率限制因素的難度日益增加，使得虛擬晶圓制造、工藝建模和虛擬計量技術(shù)越來越受歡迎。這些技術(shù)的結(jié)合有助于在器件投產(chǎn)時確定最佳計量采樣率。芯片制造商可以評估計量精度和測量速度之間的權(quán)衡。虛擬制造還有潛力通過用快速、大規(guī)模的虛擬實驗設(shè)計(DOE) 替代有限且耗時的基于晶圓的實驗設(shè)計，從而加速半導(dǎo)體開發(fā)周期。

來自Lam Research 旗下公司 Coventor 的工程師們利用虛擬工藝建模和計量技術(shù)，量化了孔徑變化范圍以及通道從頂部到底部的錐度。[4] 他們模擬了氧化物/氮化物交替層疊的結(jié)構(gòu)，并計算了通道頂部和底部的面積與高深寬比刻蝕工藝的關(guān)系。

“在標(biāo)稱刻蝕條件下，通道頂部到底部的CD變化可以清晰地觀察并進(jìn)行數(shù)值量化。為確保通道刻蝕到達(dá)底部觸點，每個堆疊層的側(cè)壁角度必須大于88°，否則刻蝕無法到達(dá)通道底部。通過引入這種虛擬計量和統(tǒng)計過程變異，可以在進(jìn)行大量試錯硅片之前優(yōu)化各種通道刻蝕工藝參數(shù)的工藝邊界，”作者指出。

結(jié)論

3D NAND 器件在計量測量和缺陷檢測方面帶來了新的挑戰(zhàn)。由于其包含大量高深寬比孔洞且蝕刻工藝難度較高，芯片制造商需要結(jié)合紅外對比衍射 (IRCD)、X射線檢測、高能量電子束蝕刻以及電子束電壓對比度等多種技術(shù)，才能“看清”深層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，尋找殘留物、蝕刻不完全以及缺陷造成的結(jié)構(gòu)彎曲和非垂直輪廓。

隨著Kioxa、三星、美光和 SK 海力士等公司準(zhǔn)備推出具有更高堆疊、更小縫隙和更小內(nèi)存孔的下一代 NAND，要實現(xiàn)這些復(fù)雜內(nèi)存陣列的良率目標(biāo)，需要采取全員參與的方法。

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