7月28日，中國(guó)科協(xié)在第二十三屆年會(huì)閉幕式上發(fā)布了10個(gè)對(duì)工程技術(shù)創(chuàng)新具有關(guān)鍵作用的工程技術(shù)難題，由中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)推薦的西安交通大學(xué)楊樹(shù)明教授提出的《如何解決三維半導(dǎo)體芯片中納米結(jié)構(gòu)測(cè)量難題?》入選。

西安交通大學(xué)楊樹(shù)明教授提出的《如何解決三維半導(dǎo)體芯片中納米結(jié)構(gòu)測(cè)量難題?》，分析了三維半導(dǎo)體芯片未來(lái)發(fā)展對(duì)測(cè)量技術(shù)的需求，探索大深寬比納米結(jié)構(gòu)測(cè)量的最新發(fā)展方向，研究了大長(zhǎng)徑比納米探針技術(shù)在新一代半導(dǎo)體芯片測(cè)量中的可行性。

對(duì)于該難題，推薦專(zhuān)家認(rèn)為：大深寬比納米結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)對(duì)于三維半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)提升和工藝控制至關(guān)重要，其率先突破將直接影響半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域，進(jìn)一步促進(jìn)航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域微納器件的制造水平提升，并將極大豐富和擴(kuò)展計(jì)量科學(xué)和方法創(chuàng)新。

芯片制程從二維向三維發(fā)展，現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

隨著芯片工藝日益精細(xì)，物理尺寸幾乎達(dá)到了極限，摩爾定律遇到發(fā)展瓶頸，但是市場(chǎng)對(duì)芯片性能的要求卻越來(lái)越高。為了尋求更好的方式提升芯片性能，世界各大芯片制造廠商提出三維堆疊的概念，芯片結(jié)構(gòu)也開(kāi)始從二維走向三維。

晶體管正在從傳統(tǒng)的平面型發(fā)展為具有三維結(jié)構(gòu)的鰭式場(chǎng)效應(yīng)管(FinFET)，并且已經(jīng)成為14 nm以下乃至5 nm工藝節(jié)點(diǎn)的主要結(jié)構(gòu);存儲(chǔ)芯片也向具有大深寬比三維垂直結(jié)構(gòu)的3D NAND發(fā)展，通過(guò)在垂直方向增加存儲(chǔ)疊層而非縮小器件二維尺寸實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度增長(zhǎng)。

目前國(guó)產(chǎn)芯片最高可做到64層，而三星、海力士、鎂光等已可做到128層以上，這些芯片結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性給制造工藝帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了新的更高要求，即滿(mǎn)足二維特征尺寸測(cè)量的同時(shí)兼顧三維結(jié)構(gòu)的深度信息。

無(wú)損和定量獲取三維芯片的關(guān)鍵尺寸、深度及缺陷等信息對(duì)于新一代三維芯片制造技術(shù)提升和工藝控制至關(guān)重要。對(duì)于上述具有極限特征尺寸的極大深寬比三維結(jié)構(gòu)，如3D NAND閃存芯片中深寬比>80:1的通道孔，國(guó)際上最先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器也難以對(duì)其進(jìn)行無(wú)損定量檢測(cè)。

可見(jiàn)，測(cè)量大深寬比納米芯片結(jié)構(gòu)仍然極具挑戰(zhàn)。

突破大長(zhǎng)徑比納米探針測(cè)量技術(shù)難題，迅速占領(lǐng)三維芯片檢測(cè)制高點(diǎn)

在半導(dǎo)體芯片量檢測(cè)領(lǐng)域，國(guó)際上最先進(jìn)的技術(shù)和儀器主要被美國(guó)KLA-Tecor和Applied Materials和日立三家公司壟斷。受中美貿(mào)易摩擦影響，國(guó)產(chǎn)替代迫在眉睫。

目前用于芯片結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸(CD)和三維檢測(cè)的儀器主要包括TEM、OCD、CD-SEM和3D-AFM。TEM通過(guò)切片檢測(cè)截面信息，屬于破壞式測(cè)量，不利于規(guī)模化量產(chǎn)。OCD基于光學(xué)散射-模型匹配原理，通過(guò)分析周期性納米結(jié)構(gòu)的散射光場(chǎng)，主要用于定性缺陷識(shí)別和二維關(guān)鍵尺寸檢測(cè);利用X射線透視技術(shù)，通過(guò)對(duì)芯片不同深度處進(jìn)行斷層分析可定性獲得三維形狀信息。CD-SEM基于電壓襯度成像原理，使用精細(xì)聚焦的電子束掃描樣品，具有亞納米級(jí)分辨率，能夠測(cè)量芯片二維特征尺寸，是芯片在線檢測(cè)最通用的技術(shù)之一;采用最新的背向散射電子探測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)基于模型的三維檢測(cè)，但仍無(wú)法定量獲得深度信息;此外，電子與被測(cè)材料相互作用，可能引起損傷。3D-AFM具有納米級(jí)分辨率和實(shí)現(xiàn)三維定量檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，但由于原子力硅探針的展寬效應(yīng)，對(duì)于具有極大深寬比的三維結(jié)構(gòu)測(cè)量存在嚴(yán)重失真。

通過(guò)在原子力硅探針上組裝或生長(zhǎng)具有大長(zhǎng)徑比的碳納米管探針可有效擴(kuò)大AFM的測(cè)量深度，這是實(shí)現(xiàn)大深寬比納米結(jié)構(gòu)測(cè)量的最新發(fā)展方向，目前研究該技術(shù)的機(jī)構(gòu)主要有美國(guó)加州大學(xué)、日本大阪大學(xué)以及西安交通大學(xué)等。

未來(lái)面臨的關(guān)鍵難點(diǎn)與挑戰(zhàn)是如何突破探針的長(zhǎng)徑比與力學(xué)性能的相互制約瓶頸，實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)徑比納米探針的可控制備;或者以大長(zhǎng)徑比探針作為光誘導(dǎo)介質(zhì)，突破光學(xué)衍射分辨率極限，實(shí)現(xiàn)光學(xué)非接觸測(cè)量。以上方法在全球范圍內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未出現(xiàn)成熟的可溯源測(cè)量設(shè)備。三維芯片大深寬比結(jié)構(gòu)可溯源測(cè)量是世界性難題，該難題取得突破后，將極大豐富和擴(kuò)展計(jì)量科學(xué)和方法的創(chuàng)新，直接影響半導(dǎo)體芯片制造領(lǐng)域，并將促進(jìn)半導(dǎo)體芯片進(jìn)一步向多層堆疊結(jié)構(gòu)發(fā)展，在三維世界中延續(xù)摩爾定律。

我國(guó)當(dāng)下的半導(dǎo)體檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)受制于人，迅速發(fā)展大深寬比納米結(jié)構(gòu)的三維定量檢測(cè)技術(shù)，不但可以打破國(guó)外的技術(shù)封鎖，還可以迅速占領(lǐng)科技制高點(diǎn)，在三維半導(dǎo)體芯片檢測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車(chē)。