作者：Laura Peters

文章來源：SEMICONDUCTOR ENGINEERING

每一代3D NAND閃存的存儲(chǔ)容量都比上一代增加約30%，目前的芯片尺寸僅相當(dāng)于指甲蓋大小，卻能存儲(chǔ)高達(dá)2TB的數(shù)據(jù)。隨著新產(chǎn)品發(fā)布周期從18個(gè)月縮短至12個(gè)月，芯片制造商們正不斷創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)如此驚人的擴(kuò)展速度。

作為智能手機(jī)、固態(tài)硬盤、數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)系統(tǒng)、個(gè)人電腦和 SD 卡的核心存儲(chǔ)方案，3D NAND 每年吸引超 30% 的半導(dǎo)體設(shè)備投資，同時(shí)推動(dòng)三維計(jì)量與檢測(cè)技術(shù)邁向新高度 —— 不僅需整合光學(xué)、X 射線、高能電子束、電子束電壓對(duì)比等成熟技術(shù)，氮化鎵基電子束等新型方法也正憑借缺陷檢測(cè)優(yōu)勢(shì)逐步落地。

3D NAND 縮放：三大方向與核心挑戰(zhàn)

自 3D NAND 應(yīng)用于企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤以來，全環(huán)繞柵極電荷俘獲單元成為主流方案。該結(jié)構(gòu)采用氮化硅作為電荷俘獲層，相比多晶硅更不易產(chǎn)生缺陷和發(fā)生漏電，且所需編程 / 擦除電壓更低，可搭配更薄的氧化層以提升器件耐久性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更快的讀寫速度和更低的功耗。

3D NAND 的制造流程中，廠商需沉積多層水平存儲(chǔ)單元薄膜，并蝕刻出垂直通道孔。為提升存儲(chǔ)容量，氧化硅 - 氮化硅（SiO?-SiN）薄膜堆疊層數(shù)不斷增加，且采用 2-3 層堆疊設(shè)計(jì)。Lam Research 和 TEL 提供的深冷蝕刻系統(tǒng)，能在 - 60℃ 超低溫環(huán)境下，利用高濃度活性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)直徑 < 100nm、深度 6-10?μm的高深寬比孔蝕刻，配合非晶碳硬掩模保障垂直輪廓，但如何避免孔的彎曲、扭曲和傾斜仍是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

當(dāng)前 3D NAND 的縮放主要沿三個(gè)方向推進(jìn)：一是縮小接觸孔間距，在相同硅片面積內(nèi)集成更多存儲(chǔ)單元；二是垂直增加氧化層 / 字線的堆疊層數(shù)；三是邏輯縮放，通過提升單單元存儲(chǔ)比特?cái)?shù)（從三級(jí)單元 TLC 向四級(jí)單元 QLC、五級(jí)單元 PLC 演進(jìn)）實(shí)現(xiàn)容量提升。Lam Research 全球產(chǎn)品副總裁 Tae Won Kim 強(qiáng)調(diào)，水平與垂直縮放的結(jié)合對(duì)蝕刻工藝的輪廓控制提出極高要求，孔的尺寸和形狀精度直接決定邏輯縮放的可行性。

在 3D NAND 的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（包括存儲(chǔ)孔、狹縫、階梯接觸和外圍接觸）中，垂直存儲(chǔ)孔尺寸最小。Onto Innovation光學(xué)計(jì)量應(yīng)用開發(fā)總監(jiān) Nick Keller 指出，客戶需要通道孔、字線切割溝槽和硬掩?？椎母叻直媛?Z 向輪廓數(shù)據(jù)，同時(shí)需檢測(cè)通道孔底部（或頂部）蝕刻后退步驟中的垂直凹陷。

圖 1：3D NAND 的關(guān)鍵特征包括微小的存儲(chǔ)孔、狹縫、階梯狀觸點(diǎn)和外圍觸點(diǎn)。來源：Lam Research

計(jì)量技術(shù)矩陣：穿透深結(jié)構(gòu)的 “火眼金睛”

1. 紅外關(guān)鍵尺寸計(jì)量（IRCD）

散射測(cè)量法（又稱光學(xué)關(guān)鍵尺寸 OCD）在晶圓廠中應(yīng)用廣泛，其紅外延伸版本（IRCD）憑借波長優(yōu)勢(shì)，已在高產(chǎn)量制造（High-Volume Manufacturing, HVM）中實(shí)現(xiàn)高深寬比 Z 向輪廓測(cè)量。相比臨界尺寸小角 X 射線散射（CD-SAXS），IRCD 在吞吐量上更具優(yōu)勢(shì)，而 CD-SAXS 僅在層級(jí)間傾斜度和疊對(duì)測(cè)量等特殊場景中選擇性應(yīng)用。

IRCD 的核心優(yōu)勢(shì)源于中長波紅外波段的介電材料吸收特性 —— 如二氧化硅的 Si-O 鍵在 1000cm?1 附近有強(qiáng)吸收峰，吸收峰的幅度和寬度隨波長變化，通過調(diào)節(jié)波長可控制光的穿透深度。此外，紅外波段的 OCD 建模速度更快，因高頻振蕩更少，降低了嚴(yán)格耦合波分析（RCWA）的計(jì)算復(fù)雜度。該技術(shù)可用于測(cè)量通道孔關(guān)鍵尺寸及一、二級(jí)通道孔的氮化硅凹陷，而氮化硅凹陷的精準(zhǔn)控制對(duì)防止橫向電荷遷移、提升數(shù)據(jù)保留能力至關(guān)重要。

2. 電子束技術(shù)

電子束工具常用于光學(xué)系統(tǒng)識(shí)別缺陷后的精細(xì)化復(fù)查。 Applied Materials 和 KLA 開發(fā)的高能電子束系統(tǒng)（著陸能量可達(dá) 30keV 甚至 60keV），能穿透高深寬比孔，通過檢測(cè)背散射電子和二次電子，識(shí)別數(shù)μm深處的缺陷（如殘留鎢）。深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了缺陷分類效率，可有效區(qū)分干擾缺陷與致命缺陷。

需注意的是，高能電子束的電離輻射可能損傷敏感的 NAND 介質(zhì)堆疊，尤其會(huì)影響電荷俘獲區(qū)的閾值電壓，進(jìn)而降低器件性能和可靠性，因此廠商在使用時(shí)需謹(jǐn)慎控制劑量。電子束點(diǎn)掃描電壓對(duì)比檢測(cè)則適用于器件研發(fā)和量產(chǎn)爬坡階段，能精準(zhǔn)識(shí)別罕見的熱點(diǎn)缺陷。PDF Solutions（普迪飛）總裁兼 CEO John Kibarian 強(qiáng)調(diào)，隨機(jī)缺陷的統(tǒng)計(jì)特性要求技術(shù)人員在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)數(shù)百億個(gè)點(diǎn)位，軟件算法在熱點(diǎn)定位中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

電子束檢測(cè)：攻克5nm以下先進(jìn)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵缺陷的利器

半導(dǎo)體缺陷檢測(cè)：細(xì)抓1nm 瑕疵，量產(chǎn)難題靠這招破局！

此外Kioxa 正評(píng)估名古屋大學(xué)與初創(chuàng)公司 Photo Electron Soul 聯(lián)合開發(fā)的氮化鎵基電子束工具，該技術(shù)通過選擇性電子束輻射和束流強(qiáng)度實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)非接觸式缺陷檢測(cè)、電學(xué)檢測(cè)和輪廓測(cè)量，助力故障根因分析。

3. X 射線與聲學(xué)顯微鏡

X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（X-ray CT）是檢測(cè)高深寬比孔內(nèi)部缺陷的有效方案，布魯克（Bruker）推出的新型 X 射線工具通過提升光源功率和探測(cè)器性能，滿足高量產(chǎn)場景需求。在 3D NAND 的 “陣列下 CMOS” 鍵合工藝中，聲學(xué)顯微鏡可檢測(cè)混合鍵合或熔融鍵合界面的微小空洞。諾信的非浸沒式聲學(xué)掃描方案通過高速旋轉(zhuǎn)晶圓和瀑布式傳感器，在避免污染的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同焦距下的空洞檢測(cè)。

驗(yàn)證與建模：從物理檢測(cè)到虛擬計(jì)量

1. 破壞性驗(yàn)證（FIB-SEM）

聚焦離子束 - 掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）通過器件橫截面切割，可直觀觀察蝕刻不完全、孔彎曲、扭曲及通道孔間差異等問題，是工藝開發(fā)和爬坡階段的 “基準(zhǔn)驗(yàn)證工具”。

2. 虛擬計(jì)量與工藝建模

隨著 3D NAND 特征尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)晶圓實(shí)驗(yàn)的成本和周期持續(xù)增加，虛擬晶圓制造、工藝建模和虛擬計(jì)量成為行業(yè)熱點(diǎn)。泛林集團(tuán)旗下 Coventor 的工程師通過虛擬工藝建模，量化了孔關(guān)鍵尺寸變化和通道錐度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)各堆疊層的側(cè)壁角 > 88° 時(shí)，蝕刻才能到達(dá)通道底部。這種虛擬計(jì)量方法可在大規(guī)模硅片試錯(cuò)前優(yōu)化工藝參數(shù)邊界，加速研發(fā)周期。

結(jié)語

3D NAND 的持續(xù)縮放對(duì)計(jì)量與檢測(cè)技術(shù)提出極致挑戰(zhàn)，高深寬比孔的精準(zhǔn)測(cè)量、亞表面缺陷檢測(cè)和疊層對(duì)準(zhǔn)控制成為核心課題。IRCD、高能電子束、X 射線等技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，搭配 FIB-SEM 基準(zhǔn)驗(yàn)證和虛擬計(jì)量建模，構(gòu)成了下一代 3D NAND 的量產(chǎn)保障體系。隨著鎧俠、三星、美光、SK 海力士等廠商推進(jìn)更高堆疊層數(shù)、更小狹縫和存儲(chǔ)孔的新型 NAND 研發(fā)，多技術(shù)融合的計(jì)量方案將成為突破產(chǎn)能瓶頸、實(shí)現(xiàn)良率目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。