《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新材料對測量技術(shù)的挑戰(zhàn)

2010-10-14

          熱門半導(dǎo)體制造技術(shù)

  工藝技術(shù)的進(jìn)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(shù)國際會議上,與會者對新興技術(shù)和材料為測量技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)交換了觀點(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。對于工程師來說,及時(shí)獲得工藝信息至關(guān)重要,檢測手段必須足以滿足工藝制程的發(fā)展。

芯片尺寸已接近原子級和量子級

  對于高k/金屬柵來說,主要的挑戰(zhàn)是如何在實(shí)現(xiàn)一定性能的同時(shí)保證與標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造的可兼容性。能夠取代傳統(tǒng)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(wěn)定性、高遷移率、較低的隧穿效應(yīng)和與金屬電極的兼容性。與此趨勢相應(yīng),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(yīng),以便及時(shí)預(yù)測可能在硅片上出現(xiàn)的缺陷。檢測系統(tǒng)要能夠提供復(fù)雜的照明,并與光刻機(jī)的精確結(jié)構(gòu)匹配。

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

3D集成和硅通孔技術(shù)

  新材料、新器件和結(jié)構(gòu)將促使測量技術(shù)繼續(xù)發(fā)展,從而滿足各種新現(xiàn)象的出現(xiàn)。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,極有可能滿足16nm節(jié)點(diǎn)的要求。盡管某些新材料已經(jīng)開始應(yīng)用于IC制造,但是有關(guān)相應(yīng)測量技術(shù)的研發(fā)仍在繼續(xù)。Airgap和其它低k材料也在不斷涌現(xiàn)。

  經(jīng)過多年的學(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(yīng)用。原因是納米碳管很難并可重復(fù)地結(jié)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(wěn)定的平面,目前一流的集成電路微細(xì)加工技術(shù)就能用上,實(shí)現(xiàn)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(xiàn)--石墨烯(Graphene)就是這種材料。石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維晶體,一般厚度方向?yàn)閱卧訉踊螂p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(wěn)定材料,也是一種禁帶寬度幾乎為零的半金屬/半導(dǎo)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(yàn)證量子效應(yīng)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)鍵問題之一是單個(gè)樣品和多層樣品中石墨稀的層數(shù)。TEM和低能電子顯微鏡(LEEM)是確定層數(shù)的重要檢測設(shè)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(shù)及樣品的形貌。

石墨烯

  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(tǒng)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?yàn)椴煌幕瘜W(xué)物質(zhì)有不同的共振態(tài),共振散射加強(qiáng)了不同化學(xué)物質(zhì)之間的對比,以此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量。

 

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