7月28日，中國科協(xié)在第二十三屆年會閉幕式上發(fā)布了10個對工程技術創(chuàng)新具有關鍵作用的工程技術難題，由中國計量測試學會推薦的西安交通大學楊樹明教授提出的《如何解決三維半導體芯片中納米結構測量難題?》入選。

西安交通大學楊樹明教授提出的《如何解決三維半導體芯片中納米結構測量難題?》，分析了三維半導體芯片未來發(fā)展對測量技術的需求，探索大深寬比納米結構測量的最新發(fā)展方向，研究了大長徑比納米探針技術在新一代半導體芯片測量中的可行性。

對于該難題，推薦專家認為：大深寬比納米結構測量技術對于三維半導體芯片制造技術提升和工藝控制至關重要，其率先突破將直接影響半導體芯片制造領域，進一步促進航空航天、國防軍工等領域微納器件的制造水平提升，并將極大豐富和擴展計量科學和方法創(chuàng)新。

芯片制程從二維向三維發(fā)展，現(xiàn)有測量技術面臨嚴峻挑戰(zhàn)

隨著芯片工藝日益精細，物理尺寸幾乎達到了極限，摩爾定律遇到發(fā)展瓶頸，但是市場對芯片性能的要求卻越來越高。為了尋求更好的方式提升芯片性能，世界各大芯片制造廠商提出三維堆疊的概念，芯片結構也開始從二維走向三維。

晶體管正在從傳統(tǒng)的平面型發(fā)展為具有三維結構的鰭式場效應管(FinFET)，并且已經(jīng)成為14 nm以下乃至5 nm工藝節(jié)點的主要結構;存儲芯片也向具有大深寬比三維垂直結構的3D NAND發(fā)展，通過在垂直方向增加存儲疊層而非縮小器件二維尺寸實現(xiàn)存儲密度增長。

目前國產芯片最高可做到64層，而三星、海力士、鎂光等已可做到128層以上，這些芯片結構的高度復雜性給制造工藝帶來了全新的挑戰(zhàn)，同時對測量技術提出了新的更高要求，即滿足二維特征尺寸測量的同時兼顧三維結構的深度信息。

無損和定量獲取三維芯片的關鍵尺寸、深度及缺陷等信息對于新一代三維芯片制造技術提升和工藝控制至關重要。對于上述具有極限特征尺寸的極大深寬比三維結構，如3D NAND閃存芯片中深寬比>80:1的通道孔，國際上最先進的測量儀器也難以對其進行無損定量檢測。

可見，測量大深寬比納米芯片結構仍然極具挑戰(zhàn)。

突破大長徑比納米探針測量技術難題，迅速占領三維芯片檢測制高點

在半導體芯片量檢測領域，國際上最先進的技術和儀器主要被美國KLA-Tecor和Applied Materials和日立三家公司壟斷。受中美貿易摩擦影響，國產替代迫在眉睫。

目前用于芯片結構關鍵尺寸(CD)和三維檢測的儀器主要包括TEM、OCD、CD-SEM和3D-AFM。TEM通過切片檢測截面信息，屬于破壞式測量，不利于規(guī)模化量產。OCD基于光學散射-模型匹配原理，通過分析周期性納米結構的散射光場，主要用于定性缺陷識別和二維關鍵尺寸檢測;利用X射線透視技術，通過對芯片不同深度處進行斷層分析可定性獲得三維形狀信息。CD-SEM基于電壓襯度成像原理，使用精細聚焦的電子束掃描樣品，具有亞納米級分辨率，能夠測量芯片二維特征尺寸，是芯片在線檢測最通用的技術之一;采用最新的背向散射電子探測技術，可實現(xiàn)基于模型的三維檢測，但仍無法定量獲得深度信息;此外，電子與被測材料相互作用，可能引起損傷。3D-AFM具有納米級分辨率和實現(xiàn)三維定量檢測的優(yōu)勢，但由于原子力硅探針的展寬效應，對于具有極大深寬比的三維結構測量存在嚴重失真。

通過在原子力硅探針上組裝或生長具有大長徑比的碳納米管探針可有效擴大AFM的測量深度，這是實現(xiàn)大深寬比納米結構測量的最新發(fā)展方向，目前研究該技術的機構主要有美國加州大學、日本大阪大學以及西安交通大學等。

未來面臨的關鍵難點與挑戰(zhàn)是如何突破探針的長徑比與力學性能的相互制約瓶頸，實現(xiàn)大長徑比納米探針的可控制備;或者以大長徑比探針作為光誘導介質，突破光學衍射分辨率極限，實現(xiàn)光學非接觸測量。以上方法在全球范圍內仍處于實驗室研究階段，尚未出現(xiàn)成熟的可溯源測量設備。三維芯片大深寬比結構可溯源測量是世界性難題，該難題取得突破后，將極大豐富和擴展計量科學和方法的創(chuàng)新，直接影響半導體芯片制造領域，并將促進半導體芯片進一步向多層堆疊結構發(fā)展，在三維世界中延續(xù)摩爾定律。

我國當下的半導體檢測技術及設備已經(jīng)受制于人，迅速發(fā)展大深寬比納米結構的三維定量檢測技術，不但可以打破國外的技術封鎖，還可以迅速占領科技制高點，在三維半導體芯片檢測領域實現(xiàn)彎道超車。