新材料對測量技術(shù)的挑戰

熱門(mén)半導體制造技術(shù)

工藝技術(shù)的進(jìn)步對測量意味著(zhù)什么？在日前舉行的2009納米電子測量與表征技術(shù)國際會(huì )議上，與會(huì )者對新興技術(shù)和材料為測量技術(shù)帶來(lái)的挑戰交換了觀(guān)點(diǎn)。

首先是芯片尺寸已接近原子級和量子級，這已成為測量領(lǐng)域的一大難題。諸如不斷增加的能耗、工藝和器件的多樣性，以及器件和互連性能的降低等。對于工程師來(lái)說(shuō)，及時(shí)獲得工藝信息至關(guān)重要，檢測手段必須足以滿(mǎn)足工藝制程的發(fā)展。

對于高k／金屬柵來(lái)說(shuō)，主要的挑戰是如何在實(shí)現一定性能的同時(shí)保證與標準CMOS制造的可兼容性。能夠取代傳統SiON材料的先進(jìn)介質(zhì)必須具有較高的電容率、良好的熱穩定性、高遷移率、較低的隧穿效應和與金屬電極的兼容性。與此趨勢相應，測量技術(shù)的支持與發(fā)展是必要條件之一。如今，掩膜版檢測必須與完整的光刻工藝相對應，以便及時(shí)預測可能在硅片上出現的缺陷。檢測系統要能夠提供復雜的照明，并與光刻機的精確結構匹配。

另一個(gè)比較熱門(mén)的領(lǐng)域就是3D集成和硅通孔技術(shù)（TSV），它們將為芯片帶來(lái)更小的尺寸、更低的能耗以及更強大的功能性，是半導體技術(shù)下一步發(fā)展的契機（圖2）。

新材料、新器件和結構將促使測量技術(shù)繼續發(fā)展，從而滿(mǎn)足各種新現象的出現。在接近原子級的尺寸時(shí)，高k介質(zhì)、金屬柵和SOI被寄予厚望，極有可能滿(mǎn)足16nm節點(diǎn)的要求。盡管某些新材料已經(jīng)開(kāi)始應用于IC制造，但是有關(guān)相應測量技術(shù)的研發(fā)仍在繼續。Airgap和其它低k材料也在不斷涌現。

經(jīng)過(guò)多年的學(xué)術(shù)研究，人們很熟悉納米碳管，更知道納米碳管不好實(shí)用，至少很難在納米電子學(xué)上應用。原因是納米碳管很難并可重復地結合到電子器件中去。如果能將納米碳管“切”開(kāi)，并展開(kāi)成性能穩定的平面，目前一流的集成電路微細加工技術(shù)就能用上，實(shí)現碳材料電子學(xué)(改進(jìn)目前的硅材料電子學(xué))。近年科學(xué)界重大發(fā)現--石墨烯（Graphene）就是這種材料。石墨烯是由碳原子構成的二維晶體，一般厚度方向為單原子層或雙原子層碳原子排列。Graphene(石墨烯)是其英文名，該命名與graphite（石墨）有關(guān)，也有人使用“單層石墨”

石墨烯是一種穩定材料，也是一種禁帶寬度幾乎為零的半金屬/半導體材料。它具有比硅高得多的載流子遷移率(200000cm2/V)，在室溫下有微米級的平均自由程和很長(cháng)的相干長(cháng)度。因此，石墨烯是納米電路的理想材料，也是驗證量子效應的理想材料。然而這種材料也非常難以測量（圖3）。石墨稀顯微鏡是測量該新材料的必要手段。關(guān)鍵問(wèn)題之一是單個(gè)樣品和多層樣品中石墨稀的層數。TEM和低能電子顯微鏡（LEEM）是確定層數的重要檢測設備，多層切片模擬式確定TEM檢測能力和成像條件的有效方式。LEEM可以檢測層數及樣品的形貌。

二嵌段共聚物（diblockcopolymers）是另一種新型材料，它可在光刻圖形上排列一致，極有潛力在傳統的光刻條件下增大光刻圖形密度，并減少線(xiàn)條邊緣粗糙度（LER）。對該材料的測量主要是通過(guò)x射線(xiàn)散射方法，精確度可到到粗糙度小于0.5nm。因為不同的化學(xué)物質(zhì)有不同的共振態(tài)，共振散射加強了不同化學(xué)物質(zhì)之間的對比，以此實(shí)現準確測量。