进步前辈节点制造正鞭策半导体检测逾越传统的自上而下丈量方式，转向重修传统装备已经难以清楚不雅测的埋入式三维布局。

传统的半导体检测重要采用 自上而下 的不雅测方式。光学量测及要害尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）体系针对于横向微缩举行了优化，其焦点挑战于在缩小硅片外貌的尺寸。当晶体管架构相对于平面且易在不雅测时，这类要领行之有用。

然而如今，进步前辈节点制造正日趋向Z轴标的目的拓展。全环抱栅极（GAA）晶体管、凹槽纳米片、HBM存储器、垂直重叠NAND、混淆键合，以和将来的互补场效应晶体管（CFET）架构，正构建出更窄、更深且更难检测的布局。要害工艺误差已经再也不局限在器件顶面，而是愈来愈多地呈现于埋入式侧壁及凹槽区域。

imec进步前辈图案化部分副总裁PhilippeLeray告诉《国际电子商情》姊妹刊《EETimes》： 尺寸微缩再也不仅发生于X-Y平面上，而是日趋向Z轴标的目的推进。咱们需要愈来愈深切地不雅察这些布局内部，检测出此中的缺陷、身分、粗拙度和尺寸误差，并把这些性子量化成数据。

图1：PhilippeLeray，imec进步前辈图案化部分副总裁

传统透射电子显微镜（TEM）仍能提供极为详尽的截面信息，但其具备粉碎性、不雅测规模高度局限，且速率没法满意埃米时代制造对于统计数据的需求。晶圆厂日趋需要可以或许及时于线、无损监控整片出产晶圆工艺颠簸的检测要领。

这一改变正从头唤起业界对于诸多技能的存眷，包括快速原子力显微镜（AFM）、扫描探针技能、进步前辈X射线体系，以和交融多种检测技能的混淆量测平台。

传统量测为什么于进步前辈节点制造中日趋力有未逮

光学量测及CD-SEM继承于进步前辈节点工艺节制中阐扬焦点作用，但它们重要是为要害尺寸可自上而下丈量的时代而设计的。

于进步前辈的逻辑、存储和封装布局中，要害工艺误差愈来愈多地呈现于深纳米级沟槽内部的埋入式侧壁上。粗拙度、扇形升沉、侧向钻蚀和刻蚀描摹的变化，会直接影响晶体管机能、泄电流、良率和持久靠得住性。

NearfieldInstruments开创人兼CEOHamedSadeghian认为，这正日趋成为传统检测技能的局限。 纵不雅进步前辈节点，不管是NAND、DRAM、HBM还有是逻辑器件，都面对着窄而深的布局， Sadeghian暗示。

传统CD-SEM体系虽能提供极其邃密的自上而下丈量，却难以周全表征日趋加深的布局内部的埋入式侧壁。 CD-SEM能出现很是清楚的俯视图，却没法展示侧壁的真实描摹， Sadeghian说道。

【编者案：半导体表征（广义）是对于晶圆、薄膜、器件、质料的物理、电学、光学、布局、缺陷等参数举行体系性检测、量测与阐发的总称，涵盖检测（Inspection，发明缺陷）、量测（Metrology，量化参数）和深度质料阐发三个条理，贯串质料研发、制程管控、掉效阐发、良率晋升全流程。从技能道理上，重要包括光学检测、电子束检测及X光量测三年夜类。】

图2：采用侧壁模式对于密集线宽与线距举行三维轮廓丈量图片来历：NearfieldInstruments

这一挑战不仅限在逻辑晶体管。进步前辈封装与混淆键合也日趋向Z轴标的目的拓展，引入了更多传统要领难以检测的埋入式界面及高妙宽比布局。

另外一个问题于在，很多传统量测仍于临近的工艺节制方针图形长进行，而非直接于出产的晶体管本体上实行。 传统量测凡是丈量的是置在划片槽内的专用方针图形、标志或者布局， Sadeghian暗示， 这些并不是现实的器件布局。它们所履历的工艺前提及图形化效应往往与有源器件区域差别，这象征着量测成果可能没法彻底反应器件本体上的现实环境。

业界对于TEM的日趋依靠，也凸显了半导体工艺节制当前面对的需求改变。TEM仍是半导体行业顶用在检测埋入式布局与侧壁的最周详东西之一。然而，该技能从一最先就不是为满意进步前辈节点制造的统计学要求而设计的。

举行TEM阐发时，必需将晶圆举行物理切片并从产线中掏出，以举行截面阐发。

晶圆就此脱离了产线， Sadeghian暗示。

图3：HamedSadeghian，NearfieldInstruments开创人兼CEO

这类事情流程具备粉碎性、耗时且高度局部化。制造商也许能从布局的某个微小区域获取极为详尽的信息，却依然没法洞察晶圆其他区域的工艺颠簸。 咱们正于迈入埃米时代， Leray说道， 要到达埃米级的精度，你必需依靠统计数据。

于进步前辈节点，工艺节制已经再也不仅仅是丈量单一布局是否切合规格。制造商日趋需要相识微小的工艺误差是怎样于遍布整片晶圆的数十亿个晶体管及繁杂的三维几何布局中反复呈现的。

这转变了量测技能自己的脚色。晶圆厂再也不依靠少数几个位置的伶仃高精度丈量，而是日趋需要海量的量测数据，以便于统计层面上展现整个出产历程中的工艺颠簸。

传统TEM可以或许提供极为详尽的布局信息，但仅限在粉碎性制样后的小规模局部区域。这使其难以扩大以满意于线制造的统计学需求。

其成果是，业界正鼎力大举鞭策于线、无损检测要领的成长，以期于制造历程中获取更广泛的布局可见性。

原子力显微镜的回归

这些需求变化带来的后果之一，是业界从头燃起了对于AFM的兴致，该技能可以或许于不粉碎晶圆的环境下天生详尽的布局信息。AFM问世已经有数十年，持久以来因其超高分辩率的外貌表征能力而备受推许。但传统AFM体系最初并不是为进步前辈节点制造中日趋遍及的窄深沟槽而设计。

如今，对于日趋繁杂的三维布局举行统计学检测的需求，正从头唤起业界对于快速AFM技能的存眷。 让AFM具有统计能力的设法天然而然地应运而生， Leray暗示。

今朝，多家公司正致力在使扫描探针技能顺应进步前辈半导体系体例造的要求。NearfieldInstruments即是此中之一，该公司使用基在AFM的技能来检测高妙宽比布局内部的埋入式侧壁。这家量测装备供给商正与imec互助，配合应答触及CFET、高妙宽比布局、高数值孔径EUV和进步前辈封装的工艺节制挑战。

Nearfield的方案旨于提供近似TEM的布局可见性，同时连结于线及无损的特征。

该公司的QUADRA平台采用极小的AFM探针尖端扫描纳米级布局内部。但跟着沟槽变患上愈来愈窄，探针自己也必需更细才能进入布局内部。然而，极细的探针于侧壁原子彼此作用下轻易发生弯曲，从而致使丈量掉真并限定精度。

当探针尖端很是细时，纵然你能想法进入沟槽，它也没法出现真正的布局， Sadeghian说道。Nearfield的方案增长了旋转敏感传感设计，旨于直接丈量这些侧壁彼此作用，而不是将其视为丈量噪声。

其方针不单单是实现更好的轮廓丈量，而是于于线制造历程中更完备地出现埋入式布局。 咱们提供的不是单一轮廓，而是一幅完备的图象， Sadeghian说道，他将这类差异比作仅看墙壁的单一截面与以三维视角鸟瞰整座都会的区分。

该公司暗示，该技能可检测启齿小至约15纳米、深宽比跨越100:1的布局，且彻底兼容半导体于线制造流程。

量测成为微缩瓶颈

Sadeghian认为，改善侧壁节制终极不仅会影响制造良率，还有将影响年夜范围AI基础举措措施的能效。 假如我能更好地节制侧壁，驱动该芯片所需的电压就会更低， 他暗示， 想象一下将此运用在AI数据中央及数百万颗如许的芯片所带来的范围化效应。

于线无损检测还有能削减为粉碎性阐发而捐躯的晶圆数目，并降低晶圆厂内部所需的配套掉效阐发基础举措措施范围。

跟着半导体系体例造变患上日趋繁杂，量测自己正成为出产流程中占比更年夜、更具战略意义的环节。 流程中的量测及检测步调数目正于增长， Leray说道， 并且按比例来看，量测及检测的增幅更年夜。

imec及Nearfield都不认为单一检测技能可以或许解决将来所有的工艺节制挑战。相反，业界好像正日趋转向将光学、电子束、X射线、AFM及数据阐发体系联合起来，协同事情，以实现对于进步前辈半导体布局内部更周全的可见性。

于Leray看来，半导体行业面对的最年夜未决挑战，是怎样完全看清制造商于日趋不透明的三维器件内部所构建的布局。他增补道，这一挑战只会变患上愈来愈艰巨。 由于它很深，它不透明，而咱们需要检测的特性又极为微小。

本文翻译自国际电子商情姊妹平台EETimes，原文标题：AsChipsGoVertical,MetrologyStrugglestoKeepUp

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