新材料對測量技術的挑戰

熱門半導體制造技術

工藝技術的進步對測量意味著什么？在日前舉行的2009納米電子測量與表征技術國際會議上，與會者對新興技術和材料為測量技術帶來的挑戰交換了觀點。

首先是芯片尺寸已接近原子級和量子級，這已成為測量領域的一大難題。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。對于工程師來說，及時獲得工藝信息至關重要，檢測手段必須足以滿足工藝制程的發展。

對于高k／金屬柵來說，主要的挑戰是如何在實現一定性能的同時保證與標準CMOS制造的可兼容性。能夠取代傳統SiON材料的先進介質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，測量技術的支持與發展是必要條件之一。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。

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

新材料、新器件和結構將促使測量技術繼續發展，從而滿足各種新現象的出現。在接近原子級的尺寸時，高k介質、金屬柵和SOI被寄予厚望，極有可能滿足16nm節點的要求。盡管某些新材料已經開始應用于IC制造，但是有關相應測量技術的研發仍在繼續。Airgap和其它低k材料也在不斷涌現。

經過多年的學術研究，人們很熟悉納米碳管，更知道納米碳管不好實用，至少很難在納米電子學上應用。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，并展開成性能穩定的平面，目前一流的集成電路微細加工技術就能用上，實現碳材料電子學(改進目前的硅材料電子學)。近年科學界重大發現--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，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的相干長度。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。關鍵問題之一是單個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，并減少線條邊緣粗糙度（LER）。對該材料的測量主要是通過x射線散射方法，精確度可到到粗糙度小于0.5nm。因為不同的化學物質有不同的共振態，共振散射加強了不同化學物質之間的對比，以此實現準確測量。