如何计量工具堆栈在3 d NAND闪存设备

多个创新半导体加工需要支持3 d NAND位密度每年增加约30%的下降的成本,这些都需要满足大数据时代的非易失性存储需求。

3 d与非是第一个真正三维设备在生产中。它既是一种技术推动新的计量方法和全球半导体支出的重要组成部分。大约每三美元投资在全球半导体资本支出工具集致力于制作3 d NAND闪存设备。

随着3 d NAND垂直规模,控制CD和形状均匀性小,高功能变得越来越难以控制。字线成堆的232层,升级到500层,工程师正在转向红外散射测量(IRCD) CD-SAXS, FIB-SEM和TEM分析实现在三维空间中有足够的灵敏度和测量精度。这些方法,IRCD CD-SAXS似乎接近内联,无损生产使用脱机验证测量精度的聚焦离子束铣(FIB-SEM)或TEM和SEM测量。

图1:3 d与非结构的体系结构。来源:热费希尔科学

闪存字符串开始是很高,狭窄的通道孔。理想情况下,通道孔沟,包装更紧密相连而越来越高,可以在众多特征位置沿蚀刻孔(见图1),收益率是影响各种类型的特性而导致的变形结构应力,如孔弯曲、扭曲,倾斜。

“需要衡量凹角特性是强迫症的一大原因真的开始起飞,”尼克·凯勒说,应用程序开发主任上的创新。“CD SEM是主导,但它是有限的视距技术。和强迫症不仅在3 d NAND但在逻辑,太,再进入的概要文件必须测量。”

技术驱动程序
3 d NAND闪存是一个技术驱动蚀刻过程,通常需要开拓超窄沟直径约100海里,大于10微米深。因为这个原因3 d NAND闪存是一个技术驱动程序在计量领域,。

在过去,可见光和近红外波长强迫症提供足够的渗透。但与angstrom-level灵敏度高纵横比的战壕,需要不同的波长的光——中红外。”我们可以得到angstrom-level敏感性——它仅仅取决于,”凯勒说。“通常,长宽比越高,通常我们得到的灵敏度越好。”

有多个关键计量步骤3 d NAND闪存设备制造。遵循无定形碳的硬掩模刻蚀的第一步,雕刻通道孔入介电堆栈。事实上,CD蚀刻非晶碳层的底部(2微米厚)最大的轴承在信道特性。该硬掩模用于模式,因为它站着的一个更好的工作积极的等离子体蚀刻化学相对于薄的光刻胶,所以它是用来保护交替氮化硅和二氧化硅层在漫长的腐蚀。

传统光学CD (OCD)椭圆对称使用紫外线光,可见和近红外波长乐队(0.75到1.4µm)来间接测量吸收光谱的电影。然而,氮化硅和二氧化硅在很大程度上是透明的在这些波长,所以几乎没有区分通道孔的变化敏感性CD和氮化硅休会尺寸使用它的光谱。相反,从5.0到10.5的IRCD工具上使用光µm,利用光学特性的电介质的中红外。

像强迫症,IRCD依赖穆勒矩阵相关的光谱响应CD测量。满足大批量生产的需要,需要捕捉within-wafer IRCD CD的变化,以及薄片,类似于强迫症系统的处理速度。

图2:红外CD计量利用独特的硅的光学吸收特性₃N₄和SiO₂(中心)。电场强度的模拟在不同波长和通道深度说明了在7 - 11µm效用。来源:在创新

第二个重要尺寸测量是氮化硅休会。氮化硅层牺牲,最终他们将取代金属字线。氮化硅课间休息是至关重要的,因为封闭自对准电荷陷阱层有助于提高数据保留在内存设备通过防止侧电荷迁移。

在创新和微米工程师演示了如何使用IRCD测量通道孔CD和氮化硅休会一线和二线通道孔。[1]团队还确定测量不确定度,灵敏度,基于工具和相关使用AI衍射引擎噪音。工程师们发现IRCD结果相关的和破坏性的参考CD,同时提供良好的短期平均精度为1.3%(3σ)在第一,二线CD和氮化硅休会测量。

第三个关键计量步骤遵循腐蚀钨或钨休会一步,不存在在线过程控制解决方案。这个节骨眼上是至关重要的因为under-etch钨可以导致字线短路和破坏的内存字符串。Over-etching通常导致设备性能退化。

传统的金属结构不透明强迫症(UV / VIS / NIR)光第一50 nm左右的深度。测量是更难的字线缝间距比例增加,进一步减少了有限结构的光信号。[1]这一步,IRCD可以通过测量从设计的规则匹配的狭缝间距的红外光线穿透oxide-metal对测量钨休会z档案利用SPP(表面等离子体极化声子)耦合通过数组通过。到和微米工程师透露好红外灵敏度缝底部在200 +层引用计量设备具有良好的相关性。

与建模”,你可以得到整个的蚀刻结构,”凯勒说。他补充说,大数组的IRCD系统能够在线测量80:1长宽比洞在一个单一的测量,系统可能有资格获得今年生产工厂使用。AI衍射软件帮助工程师更快地处理数据。

一般计量方法进行了优化,尽快到达过程控制解决方案。在过程开发和产量增加,这包括FIB-SEM CD和为分析直接测量。

CD-SAXS
另一个间接CD计量方法使用传输小角x射线散射(CD-SAXS)。在周期性纳米结构,x射线路径散射的强度取决于结构的高度的平方。出于这个原因,高纵横比结构散射更强烈信号从低的基于“增大化现实”技术的特性。

CD-SAXS传送平行的高能光子(15 keV)在整个晶片的深度。x射线分布周期性数组或光栅。这项技术可能特别有用在测量通道孔或缝洞倾斜。CD-SAXS还可用于校准其他测量,如强迫症。[2]然而,在不同深度测量光盘,需要模拟的散射强度分布在多个入射角度。

CD-SAXS的缺点是它更昂贵的比强迫症系统和测量必须在多个角度拍摄提取足够量的数据,导致测量时间长,且成本偏高的所有者船相对于强迫症和CD-SEM。“但是x射线源的发展和分析方法,包括机器学习,这项技术的首席运营官预计将减少未来”说马修·Wormington半导体首席技术专家x射线力量的纳米表面和计量部门。

图3:(a)和CD一枝倾斜晶片了。(b) 3 d和2 d CD-SAXS获得的横截面轮廓的边缘之间的晶片和(c)相关情节的平均CD XCD和FIB-SEM获得的值。来源:力量

FIB-SEM CD计量
浆纱切片装置利用聚焦离子束铣加上扫描电子显微镜是一种破坏性的方法用于收集90度或角(> 28度)设备晶片的横截面。”这种方法,尽管破坏性,提供了“地面实况”的见解和直接测量设备没有使用一个模型与其他非破坏性方法的必要性,”Paul Kirby说热费希尔科学高级营销经理。FIB-SEM方法可以揭示不完整的腐蚀特性,弯曲或扭曲,特别是通道孔通道孔的变化(见图2)。[3]

图4:3 d NAND记忆细胞计量显示通道区域,长轴和短轴测量深度的函数从一个10 - 15µm高结构使用斜轧机和wafer-level等离子FIB-SEM SEM成像。来源:热费希尔科学

“我们看到巨大的变化在计量,defectivity,和失效分析空间过去三到四年,“Xiaoting Gu说,高级营销经理热费舍尔科学。“增加通道宽高比和3 d的复杂性使所有主要设备制造商依靠FIB-SEM或为参考计量验证和校准fab计量工具的输出”。

FIB-SEM被广泛用于执行分析失败的设备,以及yield-learning周期的增加速度。

结论
3 d NAND闪存设备需要新的计量方法来解决需要测量高纵横比的cd(80:1)孔和缝。红外CD似乎接管传统强迫症离开,为高灵敏度测量提供angstrom-level精度。

CD-SAXS正在开发3 d NAND计量,但创建所需的大量数据点的图像和高初始工具成本使它拥有成本的解决方案。与此同时,芯片制造商越来越多地依靠FIB铣和CD-SEM参考计量,但也帮助加速学习过程开发周期。

引用

1。Wenmei明尼克•凯勒卓Chen g·安德鲁•安东内利特洛伊Ribaudo,专Liu Sadao Takabayashi,约翰·豪Joshua弗雷德里克和丹·恩格尔哈德”小说内联设备内置测量氮化硅横向休会后通道孔ACI IRCD计量”,Proc。相比12053年,计量、检验、38和过程控制,120530吨(2022年5月26日);https://doi.org/10.1117/12.2618035
2。p .杜松子酒,m . Wormington y Amasay,格林贝格,a·布雷迪Reichental, k .马特尼j . Zhang o . Sorkhabi“高纵横比的内联计量孔倾斜和中心线转变用小角x射线散射”杂志的微/ Nanopatterning,材料,和计量问题03,第22卷,031205年,(2023年3月)https://doi.org/10.1117/1.JMM.22.3.031205
3所示。https://www.thermofisher.com/blog/semiconductors/3d-nand-structure-3d-metrology-workflows-semiconductor-manufacturing