纳米片fet驱动计量和检测的变化

在摩尔定律的世界里，更小的节点导致更大的问题已经成为了一个真理。随着晶圆厂转向纳米片晶体管，由于这些和其他多层结构的深度和不透明性，检测线边缘粗糙度和其他缺陷变得越来越具有挑战性。因此，计量学正在采取更多的混合方法，一些著名的工具从实验室转移到工厂。

Nanosheets都是finFETs，这是由业界不断提高速度、容量和功率的愿望所推动的架构演进。它们还有助于解决导致电流泄漏的短通道效应。先进的平面MOSFET结构的最大弱点是它们永远不会完全“关闭”。由于它们的配置，其中金属氧化物栅极位于通道的顶部(在源端和漏端之间传导电流)，即使没有对栅极施加电压，一些电流也会继续流动。

finfet将通道提升为“鳍”，然后栅极在鳍上形成拱形，允许它在三面连接。尽管如此，闸门的底部和鳍的底部是彼此水平的，所以一些电流仍然可以偷偷通过。的gate-all-around设计将鳍片变成多个堆叠的纳米片，它们水平地“穿透”栅极，覆盖所有四个面并包含电流。另一个好处是纳米片的宽度可以改变，以优化设备。

图1:finFET和栅极全能与纳米片的比较。来源:Lam Research

不幸的是，一个问题解决了，其他问题又出现了。IBM工艺技术主管尼尔森•菲利克斯(Nelson Felix)表示:“在纳米片架构下，许多可能杀死晶体管的缺陷都不在视线范围内。”“它们在纳米片的底部，或者其他难以进入的地方。因此，在没有任何先验知识的情况下快速发现缺陷的传统方法不一定有效。”

因此，虽然从进化的角度来看，这可能是线性的，但必须解决许多工艺和材料方面的挑战。尼尔森说:“由于纳米片的形成方式，它不像finFET一代那样直接创建硅锗通道。”

杂交组合
一些技术正在被利用，从光学显微镜到扫描电子显微镜(sem)、原子力显微镜(AFMs)、x射线，甚至拉曼光谱。

像KLA这样的知名光学供应商提供一线工具，采用散射测量和椭圆测量等技术，以及高功率电子束显微镜。

根据Nick Keller，高级技术专家，战略营销，多门堆栈，光学CD测量需要从下一个级别分开上的创新．“在堆叠的纳米片器件中，每个片的物理尺寸都需要单独测量，特别是在选择性源漏凹槽蚀刻之后，这决定了驱动电流，内部间隔蚀刻决定了源栅电容，也影响了晶体管的性能。我们已经与所有主要参与者进行了演示，他们对能够区分单个纳米片的宽度非常感兴趣。”

Onto的光学临界尺寸(OCD)解决方案将光谱反射仪和光谱椭圆偏振仪与AI分析引擎(称为AI-绕射)结合在一起，提供埃级CD测量，与传统OCD工具相比具有更高的层对比度。

图2:使用AI绕射软件生成的GAA器件模型，显示每个纳米片层的内部间隔区域(橙色)。来源:Onto Innovation

像光谱椭偏法或光栅反射法(散射法)这样的技术可以测量cd并研究特征形状。KLA将散射法描述为使用宽带光照射目标以获得测量值。反射信号被输入到算法中，算法将信号与基于已知材料特性和其他数据创建的模型库进行比较，以查看3D结构。该公司最新的OCD和形状测量系统可以识别一系列工艺层的细微变化(CD，高k和金属门槽，侧壁角度，抗蚀高度，硬掩膜高度，pitch walk)。改进的级和新的测量模块有助于加快吞吐量。

芯片制造商依靠人工智能引擎和深度计算来处理数据流。该公司首席执行官苏博德•库尔卡尼表示:“他们为我们当天应该看到的东西提供建模数据，这有助于我们解决问题。CyberOptics．“但他们希望我们能提供快速的分辨率和准确性。这是非常难以实现的。我们最终依赖于CMOS的分辨率和gpu的带宽来处理所有数据。所以在某种程度上，我们依赖于这些芯片来开发这些芯片的检测解决方案。”

除了大量的数据处理，来自不同工具的数据必须无缝结合。“混合计量是一种流行趋势，因为每种计量技术都是如此独特，都有明确的优点和缺点，”该公司产品营销总监Lior Levin说力量．“没有一种计量方法可以满足所有需求。”

混合方法被广泛接受。布鲁克微电子AFM业务总监兼业务经理Hector Lara表示:“系统制造商正在将两种不同的技术整合到一个系统中。他说，布鲁克基于现实经验决定反对这种方法，现实经验表明，这种方法会导致次优性能。

另一方面，混合工具可以节省时间，并允许在晶圆厂占地面积更小。例如，Park Systems将AFM精度与白光干涉测量(WLI)集成到一台仪器中。根据Park Systems Americas总裁Stefan Kaemmer的说法，它的目的是在线吞吐量。虽然WLI可以快速发现缺陷，但“你只需要将样本移动几厘米到AFM头部，而不必花时间卸载它，然后再将它加载到另一个工具上，”凯默说。

与此同时，Bruker为3D逻辑应用提供了x射线衍射(XRD)/ x射线反射(XRR)和x射线荧光(XRF)/XRR的组合。然而，Levin说:“对于绝大多数应用来说，这种方法是一种非常专业的工具，具有单一的计量方法。”然后对数据进行杂交。这是最好的选择。”

afm提供什么
afm在纳米片检测中找到了吸引力，因为它们能够区分细微的细节，这种能力已经在3D NAND和DRAM生产中得到了证明。“在AFM中，我们并没有真正发现缺陷，”凯默解释道。“主要地，我们阅读典型地来自一些KLA工具的缺陷图，然后我们去仔细检查客户选择的任何东西。这是有用的，因为光学工具告诉你有一个缺陷，但一个缺陷实际上可能是三个更小的缺陷，它们靠得太近，光学工具无法区分它们。”

关于afm的标准笑话是，当它们在近40年前第一次被开发出来时，它们的操作更容易解释。1985年，当唱机普及到每个家庭的时候，不难想象会有这样一种乐器:从悬臂臂上伸出的尖头沿着表面摸索，产生信号。通过电磁(有时是化学)修改，这基本上是所有现代afm的硬件设计。现在有许多不同的尖端几何形状，从金字塔到锥体，在一系列材料中，包括硅、金刚石和钨。

在一种操作模式下，悬臂梁以其固有谐振频率振荡，使AFM控制系统具有更高的力控制精度，从而实现半导体结构的纳米尺度空间地形绘制。第二次谐振模式在尖端/样品相互作用期间实现最大的力控制。这种方法对于高精度的深度测量，以及某些结构的侧壁角度和粗糙度，都是非常宝贵的。

今天的商业生产工具是针对特定的应用，如缺陷表征或表面轮廓测量。与光学显微镜不同的是，光学显微镜的改进主要集中在分辨率的提高上，AFMs正在观察键合垫的细微轮廓变化，例如混合键合，或揭示分子粘附等缺陷特征。

布鲁克公司高级员工应用科学家肖恩•汉德表示:“对AFM来说，亲密关系真的是一个甜蜜点。“它真的是平面的，它是平坦的，我们能够看到纳米级的粗糙度，纳米级的斜率变化很重要。”

此外，由于尖端可以施加足够的力来移动粒子，AFMs既可以发现错误，也可以纠正错误。近二十年来，它们一直被用于生产中清除碎片，并在光刻掩模上进行图案调整。图3(下图)显示了在光刻过程中用于高级节点开发的基于探针的颗粒去除。从EUV掩模中去除污染物，允许掩模快速返回生产使用。这样延长了划线的使用寿命，避免了湿式清洗引起的表面退化。

图3:模式修复示例。来源:力量

在光刻工艺中使用基于探针的粒子去除的应用程序用于高级节点开发。生产中EUV掩模的污染去除可以使掩模快速恢复到生产使用。这种干洗去除过程可以延长口罩寿命，同时避免湿清洗引起的表面退化。

AFMs还用于评估高na EUV的许多光刻胶候选材料，包括金属氧化物抗蚀剂和更传统的化学放大抗蚀剂。Imec研发计量经理Anne-Laure Charley说:“通过对高NA EUV研究的薄抗评估，现在你有了更浅的薄抗沟槽。”“这成为AFM的一个非常好的用例。”

然而，afm的缺点是它们仅限于表面表征。它们无法测量地层厚度，并且在深度3D剖面信息方面受到限制。Charley最近与人合著了一篇论文，探讨了一种用于AFMs中垂直(z)漂移问题的深度学习校正方法。她说:“如果你有一个很小的沟道开口，但它非常深，你将无法用沟道底部的尖端来回答，你将无法描述整个边缘深度和沟道底部的轮廓。”

拉曼光谱
拉曼光谱依赖于对非弹性散射光的分析，是一种成熟的离线材料表征技术，正在进入晶圆厂。根据IBM的Felix的说法，它很可能上线来回答3D计量的难题。“有一套晶圆表征技术，历史上一直是离线技术。例如，拉曼光谱可以让你真正探测成键的样子，”他说。“但有了纳米薄片，这就不再是一个你可以抽查的数据集，它只是单向的信息。我们必须以一种完全不同的方式使用这些数据。将这些技术引入晶圆厂，并能够在不断移动的晶圆上无损地使用它们，这是真正需要的，因为材料集和几何形状的复杂性。”

XRD /光谱仪
除了AFM，其他强大的技术正在被拉进纳米薄片计量武器库。例如，布鲁克正在使用x射线衍射(XRD)， 1952年罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)用这种晶体学技术创造了著名的“51号照片”，展示了DNA的螺旋结构。

据Levin介绍，在finFET发展的高峰时期，公司采用了XRD技术，但主要用于研发。“看起来在这一代设备中，x射线计量的使用率要高得多。”

莱文说:“对于周围的栅极，我们有最先进的x射线衍射仪(XRD)，高亮度源x射线衍射仪(XRD)，用于测量纳米薄片堆叠，并结合XRF。”“他们都是为了测量残留部分，确保一切都是连接的，以及那些凹陷的边缘步骤。XRF可以给出非常精确的体积测量。它可以测量单个原子。所以用一种非常灵敏的方式，你可以测量材料的凹边，在凹蚀刻之后。这是一种直接测量，不需要任何校准。你得到的信号与你要测量的东西成正比。因此，这两种技术在GAA初始开发中得到了广泛采用。”

Bruker Semi x -ray首席技术专家Matthew Wormington透露了更多细节:“高分辨率x -射线衍射和x -射线反射技术是两种对单个层厚度和成分非常敏感的技术，这是控制3D过程中某些x参数的关键。大门的整体结构建立在工程基板上。第一步是平面结构，硅和硅锗层的周期性阵列。x射线测量在这一关键步骤中至关重要，因为一切都建立在这一基础之上。这是一个关键的启用度量。因此，现有的技术变得更有价值，因为如果你不能得到正确的基板——不仅是硅，还有SiGe/Si多层结构——接下来的一切都将受到挑战。”

结论
纳米片晶体管和其他3D结构的引入要求更广泛地使用AFM、x射线系统、椭圆偏振仪和拉曼光谱等工具。而新工艺，如混合键合，会导致旧工艺被引入新的应用。Imec的Charley说:“我们看到了一些与晶圆堆叠有关的具体挑战。你最终需要通过硅来测量因为当你开始将两个晶圆堆叠在一起时，你需要通过背面来测量或检查最终你仍然有一个相对较厚的硅。这就意味着要处理不同的波长，尤其是红外线。因此，供应商正在针对这些用例开发特定的红外覆盖工具。”

至于谁将最终推动这项研究，这取决于你什么时候提出这个问题。Lior说:“技术发展的路线图总是双向的。“这很难量化，但大约一半来自技术方面的可能性，另一半来自市场的需求。每隔两三年，我们就会推出新一代工具。”

参考文献
D. Cerbu等人，“AFM图像的深度学习垂直漂移人工校正”，计量、检验和过程控制， 2022年5月;doi:10.1117/12.2614029

A.A. Sifat, J. Jahng，和E.O. Potma，“光诱导力显微镜(PiFM) -原理和实现，”化学。Soc。牧师。， 2022, 51,4208 -4222。https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cs/d2cs00052k

Mary A. Breton, Daniel Schmidt, Andrew Greene, Julien Frougier，和Nelson Felix，“纳米薄片计量技术准备机会的回顾，”J.微/纳米图案，材料和计量学， 21(2)， 021206(2022)。https://doi.org/10.1117/1.JMM.21.2.021206

Daniel Schmidt, Curtis Durfee, Juntao Li, Nicolas Loubet, Aron Cepler, Lior Neeman, Noga Meir, Jacob Ofek, Yonatan Oren和Daniel Fishman，“用于门级全方位纳米片器件制造的在线拉曼光谱”J.微/纳米图案，材料和计量学， 21(2)， 021203(2022)。https://doi.org/10.1117/1.JMM.21.2.021203

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