淺談新材料為測量帶來的挑戰(zhàn)

編輯點評：在談及芯片技術進步時，除了不斷縮小的技術節(jié)點，新材料的采用往往可以另辟蹊徑。目前談論較多的是高k介質、金屬柵、低k材料等，其它一些較為冷門的材料，如碳納米管、石墨稀、二嵌段共聚物等也開始進入人們的視野。越是新興的物質越難以捉摸和測量，這就要求測量技術能夠“與時俱進”。本文對新材料為測量帶來的挑戰(zhàn)進行了概述。

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(zhàn)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(fā)展。

對于高k／金屬柵來說，主要的挑戰(zhàn)是如何在實現(xiàn)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(tǒng)SiON材料的先進介質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(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，以便及時預測可能在硅片上出現(xiàn)的缺陷。檢測系統(tǒng)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(fā)展的契機（圖2）。

新材料、新器件和結構將促使測量技術繼續(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，高k介質、金屬柵和SOI被寄予厚望，極有可能滿足16nm節(jié)點的要求。盡管某些新材料已經(jīng)開始應用于IC制造，但是有關相應測量技術的研發(fā)仍在繼續(xù)。Air gap和其它低k材料也在不斷涌現(xiàn)。

經(jīng)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(wěn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)--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(wěn)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(shù)。TEM和低能電子顯微鏡（LEEM）是確定層數(shù)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(shù)及樣品的形貌。

二嵌段共聚物（diblock copolymers）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。因為不同的化學物質有不同的共振態(tài)，共振散射加強了不同化學物質之間的對比，以此實現(xiàn)準確測量。