5、半导体制造中的材料分析与工艺监测技术

半导体制造中的材料分析与工艺监测技术

1. 材料分析实验室的重要性

在现代集成电路（IC）生产中，材料分析实验室发挥着至关重要的作用。大量的投资用于建设和装备这些实验室，这充分证实了其不可或缺的地位。这些实验室是晶圆厂初始设计的一部分，配备了专业的人员和先进的设备。

其投资驱动因素众多，其中最关键的是认识到材料分析实验室对于支持晶圆厂早期启动、满足生产需求以及推动工艺发展的重要性。随着IC生产工艺的不断发展，计量技术也变得日益多样化，不同公司甚至同一公司内部的计量实施方式都存在很大差异。因此，合理平衡厂内和厂外测量至关重要。

展望未来，100nm和70nm节点的成像需求极具挑战性，需要具备超高分辨率的扫描电子显微镜（SEM）。例如，现代微处理器的物理栅长约为技术节点尺寸的一半，因此需要以500KX的倍率对35nm的晶体管进行成像。同时，引入如高K和低K氧化物以及超薄阻挡层等新型材料，也带来了特殊的挑战，引发了关于所需测量方法、在厂内进行测量的可行性、周转时间和成本等问题的热烈讨论。

2. 新材料与结构带来的挑战

2.1 新材料的特性与影响

在亚130nm节点中，新材料和新结构的引入将给半导体制造带来巨大变革。这些新材料具有特定的性能优势，但通常也存在显著的“负面特性”，需要加以控制、设计和监测。

以钛金属和低K电介质为例，20世纪80年代中期，钛被引入后端金属化堆叠中，解决了IC制造中日益严重的诸多问题，如Si结尖峰、高接触电阻和差的电迁移寿命等。虽然钛沉积步骤增加了一定的成本和时间，并需要开发新的蚀刻配方，但总体上对IC工艺流程有益且无害。

然而，低K材料的引入却并非一帆