3 d NAND计量日益增长的挑战

3 d NAND闪存供应商面临几个挑战他们的设备规模到下一个级别,但制造技术是在每个turn-metrology更加困难。

计量,测量和描述的艺术结构,找出问题,确保收益用于所有芯片类型。在3 d NAND的情况下,在每个迭代和计量工具正变得越来越昂贵的差距正在增长。计量是不同的检查,检查,发现缺陷芯片。许多芯片需要光学和电子束检测系统。

这是不明确的3 d NAND的计量。今天是相对简单的测量平面与非,这是或多或少的二维结构。3 d与非平面NAND的继承人,一个不同的故事。与平面与非3 d NAND类似于三维垂直水平层的摩天大楼记忆细胞堆积,然后使用微小垂直连接通道。平面和三维NAND都是用于存储应用程序,如智能手机和固态硬盘(ssd)。

3 d与非量化层堆叠的数量在一个设备。随着更多的层,密度增加。今天,3 d NAND闪存供应商增加96 -层设备,而128 -层产品研发。供应商也在芯片上有500或更多的层。

图1:使用3 d与非结构显示高纵横比(HAR)通道孔等特性。来源:解放军的

考虑到这一点,3 d NAND提出了一些挑战计量设备的工厂。“虽然计量的过程控制需要平面与非结构,测量不一样困难相对于使用面对高纵横比的3 d NAND的挑战,”斯科特·胡佛,主要产生顾问心理契约。“从2 d到3 d集成引入了新的计量的挑战,包括使用非常高纵横比结构,晶片压力驱动的弓和垂直门尺寸控制。”

最大的挑战是描述一个3 d的内在部分NAND闪存设备,它由复杂的材料,多层和小通道孔。然后,当你添加更多的层,增加的计量挑战”由于更多的3 d门栈栈和多与非字符串,“说Jeongdong崔承哲,分析师。

总之,计量正变得越来越有挑战性和昂贵的3 d NAND缩放。更加复杂的挑战是,没有一个计量系统可以处理所有的需求。3 d NAND需要各式各样的计量工具类型,如电子显微镜、光学系统和x射线。即便如此,有些计量差异。

2 d到3 d NAND闪存
NAND闪存市场正经历一场动荡时期。2018年,市场陷入供过于求状态,而产品价格下跌。

NAND衰退已经扩展到2019年在服务器和智能手机需求疲软。128 gbit设备,合同价格在2019年第一季度下降了10.8%,比前一时期,根据KeyBanc。在第一季度,价格较上年同期下降了56%。

在光明的一面,NAND闪存价格向下的压力允许oem厂商以更低的价格出售高密度ssd。“NAND-based ssd最初是针对更多的高端,”吉尔说李,董事总经理的内存技术应用材料。“现在这是一个笔记本电脑的重要组成部分。ssd也针对低端的存储。所以NAND闪存市场不仅是上升,也覆盖了很大一部分很难磁盘驱动器市场。”

NAND一直经历着一个具有挑战性的技术过渡。平面与非主流技术多年,今天供应商出售的平面与非15 nm / 14 nm政权。但它运行的蒸汽。继续增加密度,该行业正在3 d NAND,栈内存细胞在垂直方向。最新的3 d NAND闪存设备有96层。英特尔、微米、三星、SK海力士和Toshiba-Western数字二人正致力于3 d NAND 128层以上。

供应商采取了不同的措施。在96 -层设备,一些96层都堆积在同一个死去。其他人则叠加两个48-layer设备或甲板上。这就是所谓的字符串或层叠加。

制作3 d NAND与平面NAND不同。在2 d NAND,这个想法是为了缩小单元尺寸使用193纳米光刻技术和多种模式。光刻技术仍然是用于3 d NAND闪存,但它不是最重要的一步。对3 d NAND闪存,是垂直的,所以从光刻转向沉积和蚀刻的挑战。

计量的挑战
计量的挑战也不同。在平面与非,供应商采取自上而下的图片和其他测量装置,定位的缺陷和其它问题。在3 d NAND,电影,驻留在设备层和通道。缺陷也埋在结构。

许多计量工具不能穿透设备内部的结构和外观。x射线工具可以穿透的结构,但他们只选择应用程序中使用。因此,计量是3 d NAND更加困难。然而,该行业使用相同的计量工具类型平面NAND和3 d NAND闪存。这些包括CD-SEMs、光学CD (OCD)工具,覆盖系统、显微镜和x射线。

一个临界尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)自上而下的结构。与此同时,透射电子显微镜(TEM)传输光束通过一个结构测量样本。x射线计量涉及不同的工具类型。

一个强迫症工具类型被称为一个椭圆计。在业界多年,使用椭圆计利用偏振光来描述结构。

与此同时,使3 d NAND闪存是一个复杂的过程。首先,利用沉积工具,系统在基板上沉积一层材料,其次是在上面一层。这个过程重复几次,直到设备所需的层数。

堆栈需要薄膜测量,以确保它符合规范。为此,供应商使用一个椭圆计和/或制造薄膜反射计测量。反射计使用光来衡量电影。决定使用一个椭圆计或反射计取决于材料类型。

椭圆光度法是一种非破坏性技术这并不实际测量设备或电影。相反,它使用一个基于模型的方法来描述结构。一个椭圆计系统包括光源、偏振发生器,分析仪和探测器。在操作中,光通过偏振器,然后点击一个样本在两架飞机在一个角度。

然后,反射的光进入一个分析器,转换成一个信号。从那里,数据处理的系统,它提供了薄膜测量。

一般来说,相对简单的薄膜测量步骤对于今天的3 d NAND闪存。”随着堆栈继续规模到128层,目前在研发技术在计量有能力和证明,”凯文说Heidrich, Nanometrics企业发展的高级副总裁。“作为设备制造商转移到256层,新的改进系统正在开发处理非常厚膜效果和大量的光吸收。”

堆栈后沉积过程,使用设备进行高纵横比(HAR)蚀刻步骤。这是3 d NAND,最困难的一步,一个蚀刻工具演习微小圆孔或通道设备堆栈的顶部底部衬底。设备可能有250万个频道在同一芯片上。每个通道必须平行和制服。

使用“高纵横比蚀刻仍是最重要和困难的一步在整个流,”杨说,公司的先进技术开发的副总裁林的研究。“在96层以上,不仅内存漏洞模块得到更具挑战性,但也缝等结构与层堆积变得极度困难。”

这也是最具挑战性的计量的一步。目标是获得“通道孔配置文件”的设备。这涉及到一系列的测量,如cd顶部和底部的洞。

困难的部分是衡量个人孔内的千篇一律和概要文件。有时,一些通道孔不均匀,可能有一个弯曲的效果。变化的挑战是确定位置和测量。

图2:在3 d频道腐蚀挑战NAND。来源:林的研究。

“预计新的过程控制挑战,包括3 d形状和通道孔腐蚀和字线的对称性。垂直堆栈空间的控制,包括门长度和3 d电影整合控制,是必需的,“心理契约的胡佛说。“最后,随着烟囱高度和多层结构,加上极端wafer-level弓和在压力引起的失真,deck-to-deck通道孔对齐将是一个挑战。”

通道孔,3 d NAND闪存供应商想要一个工具,它可以测量通道孔内的cd在每一层。对于96 -层设备,供应商想要测量的cd在96层。问题是没有存在这样的工具,所以3 d NAND闪存供应商必须使用现有的工具类型。强迫症是最常见的技术,而显微镜、etch-back SEM和x射线也选择。

通道孔概要文件应用,工业使用OCD-based系统称为光谱椭圆计,这是一个椭圆计宽带光源。这个工具是和一个叫散射测量的测量技术结合使用。

光谱椭圆计不测量的实际结构,而是使用一个基于模型的方法。在这个过程中,首先开发一个设备与某些参数。然后,您构建一个物理模型的设备。一个复杂的过程可能需要多个模型。

你把样本结构设备的椭圆计和光线击中目标。测量散射光的各种偏振,然后比较实验结果和模型。

使用一种称为回归分析的数学概念,你得到的结果。”最好的办法解释强迫症数学信号处理方面,我们结合已知的相互作用的光被吸收时不同的材料在光的样品与已知的行为当它击中一个重复的几何特性来构建一些理论光谱模式。我们可以把理论光谱的一系列个人点图。我们试图“力”所有这些点一些最小拟合误差,以便配合后天形成的连续线光谱,”解释才能Timoney,首席工程师的计量GlobalFoundries。

散射测量广泛用于尖端逻辑。这种方法也适用于困难的通道孔剖面测量步骤3 d NAND闪存。“我们仍然专注于椭圆光度法和反射计测量结构和高保真强迫症模型应用于测量光谱数据或使用复杂的机器学习,“Nanometrics Heidrich说。“我们不仅提取腐蚀过程的详细资料与许多关键维度通过堆栈,但是我们也确定倾斜和其他复杂轮廓变化。与层叠加层通道孔登记也成为一个挑战。就像super-lattice沉积,电影和高吸收的厚性质将推动新的硬件系统。”

强迫症,测量时间快,但也需要时间来建立模型。复杂的设备需要更耗时的模型。

除了强迫症,通道孔剖面的行业使用其他技术步骤,如显微镜、SEM etch-back。这些工具被用于研发,但是他们也可以用于生产。

TEM使用户能够测量实际的结构,但这是一个破坏性的技术。用户必须将晶片和检查使用TEM结构的横截面。

不过,该显微镜提供了有价值的数据。“你可以描述整个使用横断面TEM HAR通道形状。如果薄板薄enough-typically不到30 nm-you TEM图像可以看到单独的层。这不仅允许您描述腐蚀孔形状,而且均匀的氧化和氮化硅沉积过程,”拉里·德沃金说,产品营销总监热费舍尔。“另一种TEM样品制备技术是平面视图。这种风格的TEM看着一片沿通道孔。平面视图的TEM图像3 d NAND样本支持高分辨率的表征腐蚀和沉积概要文件为一个特定的层。”

在另一个方法中,热费舍尔已经开发了一种etch-back技术使用扫描电镜和聚焦离子束(FIB)工具。TEM、FIB / SEM方法是缓慢的和破坏性的。

在这种方法的一个例子,一层64 - 3 d NAND样品延迟器或磨碎的一层一层地使用gas-enhanced FIB函数。然后,高分辨率的扫描电镜图像记录层6,22日,44岁。“SEM图像可以被收购,孔的形状特征在特定层,使within-wafer和薄片使用统计过程控制方法,”德沃金说。

图3:(L)的3 d表示电池堆栈指示在紫色的图片被收购;SEM端点(R)代表图像的表面计量后执行自上而下PFIB处理。来源:热费舍尔

与此同时,哈尔腐蚀过程后,门是使用各种材料形成。测量的复合材料、工业用x射线光电子能谱(XPS)。然后,外围逻辑必须连接到控制盖茨。测量结构,芯片制造商使用原子力显微镜(AFM),它使用一个小调查,使测量。

接下来是什么?
随着3 d NAND闪存供应商128 -层设备,现有的计量工具将被推到极限。“许多计量方法从平面与非仍将扮演一个角色在过程控制3 d NAND闪存,但这些技术并不足以完全监控使用的腐蚀和CVD性能高纵横比结构如洞的通道,“心理契约的胡佛说。“需要内联的3 d形状和倾斜测量过程监控需要一种非破坏性技术。超越128层将带来额外的圆片形状要求处理晶片高弓和增加deck-deck覆盖需求。”

所以需要新的计量工具,尤其是对哈尔通道孔配置文件。“强迫症本身是好的,但不是一个完美的人。例如,非破坏性射线+强迫症/ SEM将一个100%完美的计量工具,“TechInsights Choe说。

这个行业正在探索新的工具类型。在研发,例如,国家标准与技术研究院(NIST)和其他发展技术小角x射线散射测量(CD-SAXS)。CD-SAXS使用的x射线波长小于0.1纳米,根据国家标准。

CD-SAXS是一种非破坏性技术。在操作、x射线击中一个示例和散射电子捕获和处理数据。

CD-SAXS有一些挑战,即成本。领先的逻辑设备的吞吐量是缓慢的,所以它可能更适合内存。

“3 d测量与CD-SAXS NAND闪存是一个理想的结构。x射线散射强度取决于结构的高度的平方,所以很高的结构(如3 d NAND和DRAM) finFETs分散成百上千倍。这提高了吞吐量足以让CD-SAXS测量3 d NAND频道整体形状的洞非常有趣,”约瑟夫·克莱恩说,NIST材料工程师。”也,因为CD-SAXS穿过整个晶圆的传播,没有测量高结构渗透问题。这并介绍了并发症,任何埋层堆栈也将有助于CD-SAXS信号,必须纳入散射模型。”

CD-SAXS 3 d NAND不会解决所有问题。目前还不清楚如果强迫症为未来的设备可以做全部工作。所以,需要一系列的工具来做这项工作。

不过,计量社会必须继续创新。在未来,3 d NAND闪存供应商计划开发设备和500层也许以外,这意味着计量和其他工厂工具部门必须保持同步。这并不容易在竞争和周期性的商业环境。

有关的故事

3 d NAND闪存的战争开始了

2019年工厂设备的挑战