先进节点制造正推动半导体检测超越传统的自上而下测量方式，转向重建传统设备已难以清晰观测的埋入式三维结构。

图1：Philippe Leray，imec先进图案化部门副总裁

传统透射电子显微镜（TEM）仍能提供极其详尽的截面信息，但其具有破坏性、观测范围高度局限，且速度无法满足埃米时代制造对统计数据的需求。晶圆厂日益需要能够实时在线、无损监控整片生产晶圆工艺波动的检测方法。

这一转变正重新唤起业界对诸多技术的关注，包括快速原子力显微镜（AFM）、扫描探针技术、先进X射线系统，以及融合多种检测技术的混合量测平台。

传统量测为何在先进节点制造中日益力不从心

光学量测和CD-SEM继续在先进节点工艺控制中发挥核心作用，但它们主要是为关键尺寸可自上而下测量的时代而设计的。

在先进的逻辑、存储及封装结构中，关键工艺偏差越来越多地出现在深纳米级沟槽内部的埋入式侧壁上。粗糙度、扇形起伏、侧向钻蚀及刻蚀形貌的变化，会直接影响晶体管性能、漏电流、良率及长期可靠性。

Nearfield Instruments创始人兼CEO Hamed Sadeghian认为，这正日益成为传统检测技术的局限。“纵观先进节点，无论是NAND、DRAM、HBM还是逻辑器件，都面临着窄而深的结构，”Sadeghian表示。

传统CD-SEM系统虽能提供极为精细的自上而下测量，却难以全面表征日益加深的结构内部的埋入式侧壁。“CD-SEM能呈现非常清晰的俯视图，却无法展示侧壁的真实形貌，”Sadeghian说道。

【编者按：半导体表征（广义）是对晶圆、薄膜、器件、材料的物理、电学、光学、结构、缺陷等参数进行系统性检测、量测与分析的总称，涵盖检测（Inspection，发现缺陷）、量测（Metrology，量化参数）及深度材料分析三个层次，贯穿材料研发、制程管控、失效分析、良率提升全流程。从技术原理上，主要包括光学检测、电子束检测和X光量测三大类。】

图2：采用侧壁模式对密集线宽与线距进行三维轮廓测量 图片来源：Nearfield Instruments

这一挑战不仅限于逻辑晶体管。先进封装与混合键合也日益向Z轴方向拓展，引入了更多传统方法难以检测的埋入式界面和高深宽比结构。

另一个问题在于，许多传统量测仍在邻近的工艺控制目标图形上进行，而非直接在生产的晶体管本体上实施。"传统量测通常测量的是置于划片槽内的专用目标图形、标记或结构，"Sadeghian表示，"这些并非实际的器件结构。它们所经历的工艺条件和图形化效应往往与有源器件区域不同，这意味着量测结果可能无法完全反映器件本体上的实际情况。"

业界对TEM的日益依赖，也凸显了半导体工艺控制当前面临的需求转变。TEM仍是半导体行业中用于检测埋入式结构与侧壁的最精密工具之一。然而，该技术从一开始就不是为满足先进节点制造的统计学要求而设计的。

进行TEM分析时，必须将晶圆进行物理切片并从产线中取出，以进行截面分析。

“晶圆就此离开了产线，”Sadeghian表示。

图3：Hamed Sadeghian，Nearfield Instruments创始人兼CEO

这种工作流程具有破坏性、耗时且高度局部化。制造商或许能从结构的某个微小区域获取极其详尽的信息，却依然无法洞察晶圆其他区域的工艺波动。“我们正在迈入埃米时代，”Leray说道，“要达到埃米级的精度，你必须依赖统计数据。”

在先进节点，工艺控制已不再仅仅是测量单一结构是否符合规格。制造商日益需要了解微小的工艺偏差是如何在遍布整片晶圆的数十亿个晶体管和复杂的三维几何结构中重复出现的。

这改变了量测技术本身的角色。晶圆厂不再依赖少数几个位置的孤立高精度测量，而是日益需要海量的量测数据，以便在统计层面上揭示整个生产过程中的工艺波动。

传统TEM能够提供极其详尽的结构信息，但仅限于破坏性制样后的小范围局部区域。这使其难以扩展以满足在线制造的统计学需求。

其结果是，业界正大力推动在线、无损检测方法的发展，以期在制造过程中获取更广泛的结构可见性。

原子力显微镜的回归

这些需求变化带来的后果之一，是业界重新燃起了对AFM的兴趣，该技术能够在不破坏晶圆的情况下生成详尽的结构信息。AFM问世已有数十年，长期以来因其超高分辨率的表面表征能力而备受推崇。但传统AFM系统最初并非为先进节点制造中日益普遍的窄深沟槽而设计。

如今，对日益复杂的三维结构进行统计学检测的需求，正重新唤起业界对快速AFM技术的关注。“让AFM具备统计能力的想法自然而然地应运而生，”Leray表示。

目前，多家公司正致力于使扫描探针技术适应先进半导体制造的要求。Nearfield Instruments便是其中之一，该公司利用基于AFM的技术来检测高深宽比结构内部的埋入式侧壁。这家量测设备供应商正与imec合作，共同应对涉及CFET、高深宽比结构、高数值孔径EUV及先进封装的工艺控制挑战。

Nearfield的方案旨在提供类似TEM的结构可见性，同时保持在线和无损的特性。

该公司的QUADRA平台采用极小的AFM探针尖端扫描纳米级结构内部。但随着沟槽变得越来越窄，探针本身也必须更细才能进入结构内部。然而，极细的探针在侧壁原子相互作用下容易发生弯曲，从而导致测量失真并限制精度。

“当探针尖端非常细时，即使你能设法进入沟槽，它也无法呈现真实的结构，”Sadeghian说道。Nearfield的方案增加了扭转敏感传感设计，旨在直接测量这些侧壁相互作用，而不是将其视为测量噪声。

其目标不仅仅是实现更好的轮廓测量，而是在在线制造过程中更完整地呈现埋入式结构。“我们提供的不是单一轮廓，而是一幅完整的图像，”Sadeghian说道，他将这种差异比作仅看墙壁的单一截面与以三维视角俯瞰整座城市的区别。

该公司表示，该技术可检测开口小至约15纳米、深宽比超过100:1的结构，且完全兼容半导体在线制造流程。

量测成为微缩瓶颈

Sadeghian认为，改善侧壁控制最终不仅会影响制造良率，还将影响大规模AI基础设施的能效。“如果我能更好地控制侧壁，驱动该芯片所需的电压就会更低，”他表示，“想象一下将此应用于AI数据中心和数百万颗这样的芯片所带来的规模化效应。”

在线无损检测还能减少为破坏性分析而牺牲的晶圆数量，并降低晶圆厂内部所需的配套失效分析基础设施规模。

随着半导体制造变得日益复杂，量测本身正成为生产流程中占比更大、更具战略意义的环节。“流程中的量测和检测步骤数量正在增加，”Leray说道，“而且按比例来看，量测和检测的增幅更大。”

imec和Nearfield都不认为单一检测技术能够解决未来所有的工艺控制挑战。相反，业界似乎正日益转向将光学、电子束、X射线、AFM和数据分析系统结合起来，协同工作，以实现对先进半导体结构内部更全面的可见性。

在Leray看来，半导体行业面临的最大未决挑战，是如何彻底看清制造商在日益不透明的三维器件内部所构建的结构。他补充道，这一挑战只会变得越来越艰难。“因为它很深，它不透明，而我们需要检测的特征又极其微小。”