新材料挑战测量技术

在谈及芯片技术进步时，除了不断缩小的技术节点，新材料的采用往往可以另辟蹊径。目前谈论较多的是高k介质、金属栅、低k材料等，其它一些较为冷门的材料，如碳纳米管、石墨稀、二嵌段共聚物等也开始进入人们的视野。越是新兴的物质越难以捉摸和测量，这就要求测量技术能够“与时俱进”。本文对新材料为测量带来的挑战进行了概述。

工艺技术的进步对测量意味着什么？在日前举行的2009纳米电子测量与表征技术国际会议上，与会者对新兴技术和材料为测量技术带来的挑战交换了观点。

首先是芯片尺寸已接近原子级和量子级，这已成为测量领域的一大难题。诸如不断增加的能耗、工艺和器件的多样性，以及器件和互连性能的降低等。对于工程师来说，及时获得工艺信息至关重要，检测手段必须足以满足工艺制程的发展。

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图1. 单碳纳米管上的CMOS环形振荡器（来源：IBM）

对于高k／金属栅来说，主要的挑战是如何在实现一定性能的同时保证与标准CMOS制造的可兼容性。能够取代传统SiON材料的先进介质必须具有较高的电容率、良好的热稳定性、高迁移率、较低的隧穿效应和与金属电极的兼容性。与此趋势相应，测量技术的支持与发展是必要条件之一。如今，掩膜版检测必须与完整的光刻工艺相对应，以便及时预测可能在硅片上出现的缺陷。检测系统要能够提供复杂的照明，并与光刻机的精确结构匹配。

另一个比较热门的领域就是3D集成和硅通孔技术（TSV），它们将为芯片带来更小的尺寸、更低的能耗以及更强大的功能性，是半导体技术下一步发展的契机（图2）。

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图2. 3D测量技术满足下一代半导体技术的发展（来源：IBM）

新材料、新器件和结构将促使测量技术继续发展，从而满足各种新现象的出现。在接近原子级的尺寸时，高k介质、金属栅和SOI被寄予厚望，极有可能满足16nm节点的要求。尽管某些新材料已经开始应用于IC制造，但是有关相应测量技术的研发仍在继续。Air gap和其它低k材料也在不断涌现。

经过多年的学术研究，人们很熟悉纳米碳管，更知道纳米碳管不好实用，至少很难在纳米电子学上应用。原因是纳米碳管很难并可重复地结合到电子器件中去。如果能将纳米碳管“切”开，并展开成性能稳定的平面，目前一流的集成电路微细加工技术就能用上，实现碳材料电子学(改进目前的硅材料电子学)。近年科学界重大发现--石墨烯（Graphene）就是这种材料。石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，一般厚度方向为单原子层或双原子层碳原子排列。Graphene(石墨烯)是其英文名，该命名与graphite（石墨）有关，也有人使用“单层石墨”

石墨烯是一种稳定材料，也是一种禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料。它具有比硅高得多的载流子迁移率(200000cm2/V)，在室温下有微米级的平均自由程和很长的相干长度。因此，石墨烯是纳米电路的理想材料，也是验证量子效应的理想材料。然而这种材料也非常难以测量（图3）。石墨稀显微镜是测量该新材料的必要手段。关键问题之一是单个样品和多层样品中石墨稀的层数。TEM和低能电子显微镜（LEEM）是确定层数的重要检测设备，多层切片模拟式确定TEM检测能力和成像条件的有效方式。LEEM可以检测层数及样品的形貌。

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图3. 石墨烯（Graphene）为测量带来新难题（来源：CNSE）

二嵌段共聚物（diblock copolymers）是另一种新型材料，它可在光刻图形上排列一致，极有潜力在传统的光刻条件下增大光刻图形密度，并减少线条边缘粗糙度（LER）。对该材料的测量主要是通过x射线散射方法，精确度可到到粗糙度小于0.5nm。因为不同的化学物质有不同的共振态，共振散射加强了不同化学物质之间的对比，以此实现准确测量。