随着芯片走向垂直化，目前的量测技术已经难以跟上步伐

先进节点制造正推动半导体检测超越传统的自上而下测量方式，转向重建埋藏式三维结构；这些结构已不再是传统工具能够轻易看清的对象。

半导体检测传统上意味着“向下看”。光学量测和关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）系统曾针对横向微缩进行优化，当时的核心挑战是在硅片表面不断缩小尺寸。只要晶体管架构仍相对平面化且易于观察，这种方法就行之有效。

然而如今，先进节点制造正越来越多地沿 Z 轴方向发展。环绕栅晶体管、凹陷式纳米片、HBM 高带宽存储器、垂直堆叠 NAND、混合键合以及未来的 CFET 架构，正在形成更窄、更深、也更难检测的结构。关键变异越来越多地出现在埋藏式侧壁和凹陷区域，而不再只是器件的顶表面。

“微缩不再只是发生在 X-Y 平面，而是越来越多地发生在 Z 方向，”imec 先进图形化副总裁 Philippe Leray 说。“我们越来越需要深入这些结构内部，以表征缺陷、成分、粗糙度和尺寸变化。”

传统透射电子显微镜（TEM）仍能提供极其详尽的截面信息，但它具有破坏性、观测区域高度局部化，而且对于埃米时代制造所需的统计要求而言速度太慢。晶圆厂越来越需要能够在生产晶圆上实时监控变异的内联、非破坏性检测方法。

这一转变正在推动业界重新关注快速原子力显微镜（AFM）、扫描探针方法、先进 X 射线系统，以及结合多种检测技术的混合量测平台。

为什么传统量测技术已难以支撑先进节点制造

光学量测和 CD-SEM 仍在先进节点工艺控制中发挥核心作用，但它们很大程度上是为关键尺寸可以自上而下测量的时代而设计的。

在先进逻辑、存储器和封装结构中，重要的变异越来越多地出现在深纳米级沟槽内部的埋藏式侧壁上。粗糙度、扇贝状形貌、底切和刻蚀轮廓的变化，都可能直接影响晶体管行为、漏电、良率和长期可靠性。

Nearfield Instruments 创始人兼首席执行官 Hamed Sadeghian 认为，这正成为传统检测技术日益突出的局限。“如果你观察先进节点，无论是 NAND、DRAM、HBM 还是逻辑芯片，都会看到狭窄而深的结构，”Sadeghian 告诉 EE Times。

传统 CD-SEM 系统可以提供非常精细的自上而下测量，但在全面表征越来越深结构内部的埋藏式侧壁方面却力有不逮。“CD-SEM 可以给你非常好的俯视图，但看不到侧壁是什么样子，”Sadeghian 说。

这一挑战并不局限于逻辑晶体管。先进封装和混合键合也在越来越多地走向 Z 轴方向，引入了更多埋藏界面和高深宽比结构，而这些结构很难用传统方法进行检测。

另一个问题在于，许多传统测量仍是在邻近的工艺控制测试图形上完成，而不是直接测量生产晶体管本身。“传统量测通常测量的是专门放置在划片道中的靶标、标记或结构，”Sadeghian 说。“这些并不是实际器件结构。它们经历的工艺条件和图形化效应往往与有源器件区域不同，这意味着测量结果可能无法完全代表器件本身正在发生的情况。”

行业对 TEM 依赖的增加，也反映出半导体工艺控制如今面临的需求变化。TEM 仍是半导体行业用于检测埋藏结构和侧壁的最精密工具之一。但这项技术从来不是为先进节点制造的统计要求而设计的。

要进行 TEM 分析，必须对晶圆进行物理切片，并将其从生产线上取出用于截面分析。

“晶圆离开了生产线，”Sadeghian 说。

这一流程具有破坏性、速度慢，且观测区域高度局部化。制造商也许能从某个结构的一小块区域获得极为详尽的信息，但仍然无法看到晶圆其他位置的变异情况。“我们正在进入埃米世界，”Leray 说。“要达到埃米级精度，你需要统计数据。”

在先进节点，工艺控制已不再只是测量单个结构是否符合规格。制造商越来越需要理解微小变化如何在数十亿个晶体管以及遍布整片晶圆的复杂三维几何结构中重复出现。

这改变了量测本身的角色。晶圆厂不再只是依赖少数位置上的孤立高精度测量，而是越来越需要大量测量数据，以便从统计上揭示整个生产过程中的工艺变异。

传统 TEM 可以提供极其详尽的结构信息，但只能在经过破坏性样品制备后，来自小范围的局部区域。这使得它很难扩展到内联制造所要求的统计规模。

其结果是，业界正越来越多地转向内联、非破坏性检测方法，希望在制造过程中获得更广泛的结构可见性。

AFM 的回归

这些需求变化带来的一个结果，是业界重新对原子力显微镜产生兴趣，因为它能够在不破坏晶圆的情况下生成详尽的结构信息。AFM 已存在数十年，并长期因其极高分辨率的表面表征能力而受到重视。但传统 AFM 系统最初并不是为先进节点制造中日益常见的狭窄深沟槽而设计的。

如今，对日益复杂三维结构进行统计检测的需求，正在重新激发业界对快速 AFM 方法的兴趣。“用 AFM 获得统计数据的想法自然而然地出现了，”Leray 说。

多家公司正在尝试将扫描探针方法调整到先进半导体制造的需求之中。Nearfield Instruments 正是其中之一，该公司使用基于 AFM 的技术来检测高深宽比结构内部的埋藏式侧壁。这家量测工具供应商正与 imec 合作，处理涉及 CFET、高深宽比结构、高数值孔径 EUV、以及先进封装的工艺控制挑战。

Nearfield 的方法试图在保持内联和非破坏性的同时，提供类似 TEM 的结构可见性。

该公司的 QUADRA 平台使用极小的 AFM 探针针尖扫描纳米级结构内部。但随着沟槽变得越来越窄，探针本身也必须变得更细，才能进入结构内部。然而，极窄的探针可能会在侧壁原子相互作用下发生弯曲，从而扭曲测量结果并限制精度。

“当针尖非常细时，即便你成功进入沟槽，它也无法给出真实结构，”Sadeghian 说。Nearfield 的方法加入了对扭转敏感的传感设计，旨在直接测量这些侧壁相互作用，而不是将其视为测量噪声。

其目标并不仅仅是获得更好的轮廓测量结果，而是在内联制造过程中更完整地呈现埋藏结构。“我们给出的不是单一轮廓，而是一幅完整图像，”Sadeghian 说。他将这种差异比作只看到一堵墙的单一截面，与以三维方式观察整座城市之间的区别。

该公司表示，这项技术可以检测开口小至约 15 纳米、深度超过 100 纳米且深宽比较高的结构，同时仍可兼容半导体内联制造流程。

量测成为微缩瓶颈

Sadeghian 认为，改进侧壁控制最终不仅可能影响制造良率，还可能影响大规模 AI 基础设施的能效。“如果我能更好地控制侧壁，就需要更低的电压来驱动那颗芯片，”他说。“想象一下，把这一点扩展到 AI 数据中心以及数以百万计的这类芯片上。”

内联非破坏性检测还可以减少为破坏性分析而牺牲的晶圆数量，并降低晶圆厂内部所需配套失效分析基础设施的规模。

随着半导体制造变得更加复杂，量测本身正成为生产流程中更大、更具战略意义的一环。“流程中的量测和检测步骤数量正在增加，”Leray 说。“而且从比例上看，量测和检测增长得更多。”

imec 和 Nearfield 都不认为单一检测技术能够解决未来所有工艺控制挑战。相反，行业看起来正越来越多地转向由光学、电子束、X 射线、AFM 和数据分析系统共同构成的组合方案，以便在先进半导体结构内部建立更完整的可见性。

在 Leray 看来，半导体行业尚未解决的最大挑战，是能否充分看清制造商正在越来越不透明的三维器件内部构建的东西。他补充说，这一挑战只会变得更加艰巨。“因为它很深。它不透明。而我们需要检测的东西很小。”

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原文：As Chips Go Vertical, Metrology Struggles to Keep Up - EE Times