3D NAND结构 - 3D量测技术 - 半导体制造

用于3D NAND结构制造的先进量测技术

在这篇博客文章中，了解现代3D NAND结构的设计如何带来独特的半导体制造挑战，以及可用的先进3D量测解决方案如何克服这些挑战。

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新一代3D NAND器件在垂直方向上拥有更多堆叠存储单元层，结构变得更高。同时，存储单元之间的间距在水平方向上持续缩小。这种三维缩放产生了高且高纵横比（HAR）的3D NAND结构，从而带来了独特的制造和量测挑战。

3D NAND structure manufacturing challenges — 图1. 3D NAND结构制造每一步面临的挑战

识别3D NAND结构制造问题

在制造方面，3D NAND器件需要经过多个关键步骤，包括通道孔刻蚀、单元沉积、芯片堆叠、狭缝和阶梯结构形成等。在每一步，制造过程都要求高度的精确性和工艺控制。例如，通道孔刻蚀是一个非常严苛的过程，容易受到如图1所示的弯曲、倾斜、扭曲和蚀刻不完全等众所周知的问题影响。当这些问题发生时，会导致柱状结构接触，从而引发比特故障。

解决3D量测数据相关问题

在量测方面，由于难以获取3D量测数据，晶圆厂在理解这些高纵横比（HAR）结构的行为和性能时面临挑战。目前的解决方案，如光学CD（OCD）和CD-SAXS，并不能直接测量隐藏在3D结构内部的小型关键尺寸（CD）。其主要限制是无法提供直接的量测数据来准确分析局部CD，例如通道孔之间的变化。这些信息对于工艺开发和快速良率提升尤为重要。

用于解决3D NAND结构挑战的SEM与TEM量测工作流程

幸运的是，可以通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）获取3D NAND结构的数据。在每个工艺步骤中，基于SEM和TEM的工作流程能够从存储堆栈顶部到底部，以亚纳米或亚埃级分辨率直接测量隐藏的关键尺寸。这些数据可用于创建高精度参考数据，对于工艺优化与控制至关重要。通过对晶圆多个区域进行采样，每个位置可以捕获数千个关键尺寸，从而实现对ONO层厚度、弯曲CD、扭曲、倾斜及锥度等关键工艺性能指标进行完整统计分析。

SEM and TEM based metrology for each NAND process step — 图2. 基于SEM与TEM的量测方法对应图1中每个工艺步骤

根据不同的工艺步骤及所需精度，晶圆厂可以选择基于SEM或TEM的量测工作流程，但通常会结合两者，以获得最全面的结果并解决所有工艺步骤中的关键挑战，如图2所示。

虽然基于TEM的量测具有最高精度，但对于部分关键工艺步骤，通过配备在线聚焦离子束（FIB）功能辅助下使用SEM量测，可更快地获得大量3D量测数据。

Channel hole etch challenges: a SEM metrology case study

通道孔蚀刻挑战：SEM量测案例研究

理解并控制高纵横比蚀刻过程依赖于从3D NAND结构顶部到底部获得贯穿堆栈的量测数据。一种基于氙等离子体FIB去层技术的SEM量测工作流程，通过逐层去除材料并获取SEM图像进行量测测量，有效解决了这一挑战。在本例中，对一款商用双层3D NAND器件上的30微米×30微米存储阵列区域进行了目标定位（见图3），并对高纵横比结构进行了去层处理。

一种专有的气体化学物质被注入到感兴趣区域，以确保每一层的平整度和光滑度，直到目标区域被去层至存储堆栈底部。在每一层，都会自动采集高分辨率的扫描电子显微镜（SEM）图像，为整个体积提供量测源图像。

随后使用 Thermo Fisher Metrology 对 SEM 图像进行分析，Avizo 软件以提取用于三维剖面和重建的关键参数。

Targeted memory array on a 3D NAND device — 图 3. 商用 3D NAND 器件上的目标存储阵列

数据如图 3 所示，通过分析 SEM 图像上目标区域内约 170 个存储孔在全球坐标中的最近邻及中心，并跨越 144 层获得。

数据显示，平均倾斜度随着堆栈增加而提升，并且局部倾斜度在图 3 的左右容器之间有所不同。此外，通过显示顶部各存储孔标准差较小，相比于每层底部，蚀刻工艺在堆栈顶部更加一致，同时该技术还捕捉到了层接口处结点叠加的不匹配（约为17纳米）。

Highly localized CD variations on a 3D NAND device — 图 4. 商用 3D NAND 器件上的高度局部化 CD 波动

采用这种方法，晶圆厂可以直接对每一层的存储单元进行测量，为其他量测方案提供高精度参考数据，同时获得其他量测方案无法提供的高度局部化 CD 波动测量结果。

该方法论为堆栈内参数提供了清晰完整的理解，用于指导工艺趋势和分布分析。全自动倾斜台实现了 FIB 去层与 SEM 成像无缝工作流程，以最高吞吐量获取三维体积数据。SEM 还允许用户在堆栈中任意层停留，实现针对性采样与比较，根据需求提供更多采样。

了解更多关于在Thermo Scientific Helios 5 PXL上进行的SEM去层和量测工作流程的信息，请参阅我们的2022年FCMN大会报告*以及我们的半导体3D NAND白皮书。

赛默飞世尔科技是全球领先的量测解决方案供应商，专注于3D NAND开发与制造，包括基于SEM和TEM的工作流程解决方案。信息图：赛默飞3D NAND量测解决方案

Infographic: Thermo Fisher Metrology Solutions for 3D NAND structure analysis — *论文发表于FCMN 2022：与去层相关的3D存储孔剖析，合著者：

*Paper presented at FCMN 2022: 3D Profiling Memory Holes with Delayering by co-authors: Zhenxin Zhong, Minkook Kim, Umesh Adiga, Arun Sundar, Melissa Mullen, Binxing Wu, Ruixin Zhang, Sean Zumwalt, David Tien

// 与赛默飞世尔科技高级市场开发经理顾晓汀合作撰写。