深耕计量技术：助力下一代 3D NAND 突破存储极限

作者：Laura Peters

文章来源：SEMICONDUCTOR ENGINEERING

每一代3D NAND闪存的存储容量都比上一代增加约30%，目前的芯片尺寸仅相当于指甲盖大小，却能存储高达2TB的数据。随着新产品发布周期从18个月缩短至12个月，芯片制造商们正不断创新，以实现如此惊人的扩展速度。

作为智能手机、固态硬盘、数据中心存储系统、个人电脑和 SD 卡的核心存储方案，3D NAND 每年吸引超 30% 的半导体设备投资，同时推动三维计量与检测技术迈向新高度 —— 不仅需整合光学、X 射线、高能电子束、电子束电压对比等成熟技术，氮化镓基电子束等新型方法也正凭借缺陷检测优势逐步落地。

3D NAND 缩放：三大方向与核心挑战

自 3D NAND 应用于企业级固态硬盘以来，全环绕栅极电荷俘获单元成为主流方案。该结构采用氮化硅作为电荷俘获层，相比多晶硅更不易产生缺陷和发生漏电，且所需编程 / 擦除电压更低，可搭配更薄的氧化层以提升器件耐久性，同时实现更快的读写速度和更低的功耗。

3D NAND 的制造流程中，厂商需沉积多层水平存储单元薄膜，并蚀刻出垂直通道孔。为提升存储容量，氧化硅 - 氮化硅（SiO₂-SiN）薄膜堆叠层数不断增加，且采用 2-3 层堆叠设计。Lam Research 和 TEL 提供的深冷蚀刻系统，能在 - 60℃ 超低温环境下，利用高浓度活性物质实现直径 < 100nm、深度 6-10 μm的高深宽比孔蚀刻，配合非晶碳硬掩模保障垂直轮廓，但如何避免孔的弯曲、扭曲和倾斜仍是关键挑战。

当前 3D NAND 的缩放主要沿三个方向推进：一是缩小接触孔间距，在相同硅片面积内集成更多存储单元；二是垂直增加氧化层 / 字线的堆叠层数；三是逻辑缩放，通过提升单单元存储比特数（从三级单元 TLC 向四级单元 QLC、五级单元 PLC 演进）实现容量提升。Lam Research 全球产品副总裁 Tae Won Kim 强调，水平与垂直缩放的结合对蚀刻工艺的轮廓控制提出极高要求，孔的尺寸和形状精度直接决定逻辑缩放的可行性。

在 3D NAND 的关键结构（包括存储孔、狭缝、阶梯接触和外围接触）中，垂直存储孔尺寸最小。Onto Innovation光学计量应用开发总监 Nick Keller 指出，客户需要通道孔、字线切割沟槽和硬掩模孔的高分辨率 Z 向轮廓数据，同时需检测通道孔底部（或顶部）蚀刻后退步骤中的垂直凹陷。

图 1：3D NAND 的关键特征包括微小的存储孔、狭缝、阶梯状触点和外围触点。来源：Lam Research

计量技术矩阵：穿透深结构的 “火眼金睛”

1. 红外关键尺寸计量（IRCD）

散射测量法（又称光学关键尺寸 OCD）在晶圆厂中应用广泛，其红外延伸版本（IRCD）凭借波长优势，已在高产量制造（High-Volume Manufacturing, HVM）中实现高深宽比 Z 向轮廓测量。相比临界尺寸小角 X 射线散射（CD-SAXS），IRCD 在吞吐量上更具优势，而 CD-SAXS 仅在层级间倾斜度和叠对测量等特殊场景中选择性应用。

IRCD 的核心优势源于中长波红外波段的介电材料吸收特性 —— 如二氧化硅的 Si-O 键在 1000cm⁻¹ 附近有强吸收峰，吸收峰的幅度和宽度随波长变化，通过调节波长可控制光的穿透深度。此外，红外波段的 OCD 建模速度更快，因高频振荡更少，降低了严格耦合波分析（RCWA）的计算复杂度。该技术可用于测量通道孔关键尺寸及一、二级通道孔的氮化硅凹陷，而氮化硅凹陷的精准控制对防止横向电荷迁移、提升数据保留能力至关重要。

2. 电子束技术

电子束工具常用于光学系统识别缺陷后的精细化复查。 Applied Materials 和 KLA 开发的高能电子束系统（着陆能量可达 30keV 甚至 60keV），能穿透高深宽比孔，通过检测背散射电子和二次电子，识别数μm深处的缺陷（如残留钨）。深度学习技术进一步优化了缺陷分类效率，可有效区分干扰缺陷与致命缺陷。

需注意的是，高能电子束的电离辐射可能损伤敏感的 NAND 介质堆叠，尤其会影响电荷俘获区的阈值电压，进而降低器件性能和可靠性，因此厂商在使用时需谨慎控制剂量。电子束点扫描电压对比检测则适用于器件研发和量产爬坡阶段，能精准识别罕见的热点缺陷。PDF Solutions（普迪飞）总裁兼 CEO John Kibarian 强调，随机缺陷的统计特性要求技术人员在短时间内检测数百亿个点位，软件算法在热点定位中发挥关键作用。

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此外Kioxa 正评估名古屋大学与初创公司 Photo Electron Soul 联合开发的氮化镓基电子束工具，该技术通过选择性电子束辐射和束流强度实时控制，实现非接触式缺陷检测、电学检测和轮廓测量，助力故障根因分析。

3. X 射线与声学显微镜

X 射线计算机断层扫描（X-ray CT）是检测高深宽比孔内部缺陷的有效方案，布鲁克（Bruker）推出的新型 X 射线工具通过提升光源功率和探测器性能，满足高量产场景需求。在 3D NAND 的 “阵列下 CMOS” 键合工艺中，声学显微镜可检测混合键合或熔融键合界面的微小空洞。诺信的非浸没式声学扫描方案通过高速旋转晶圆和瀑布式传感器，在避免污染的同时，实现不同焦距下的空洞检测。

验证与建模：从物理检测到虚拟计量

1. 破坏性验证（FIB-SEM）

聚焦离子束 - 扫描电子显微镜（FIB-SEM）通过器件横截面切割，可直观观察蚀刻不完全、孔弯曲、扭曲及通道孔间差异等问题，是工艺开发和爬坡阶段的 “基准验证工具”。

2. 虚拟计量与工艺建模

随着 3D NAND 特征尺寸不断缩小，传统晶圆实验的成本和周期持续增加，虚拟晶圆制造、工艺建模和虚拟计量成为行业热点。泛林集团旗下 Coventor 的工程师通过虚拟工艺建模，量化了孔关键尺寸变化和通道锥度，发现当各堆叠层的侧壁角 > 88° 时，蚀刻才能到达通道底部。这种虚拟计量方法可在大规模硅片试错前优化工艺参数边界，加速研发周期。

结语

3D NAND 的持续缩放对计量与检测技术提出极致挑战，高深宽比孔的精准测量、亚表面缺陷检测和叠层对准控制成为核心课题。IRCD、高能电子束、X 射线等技术的协同应用，搭配 FIB-SEM 基准验证和虚拟计量建模，构成了下一代 3D NAND 的量产保障体系。随着铠侠、三星、美光、SK 海力士等厂商推进更高堆叠层数、更小狭缝和存储孔的新型 NAND 研发，多技术融合的计量方案将成为突破产能瓶颈、实现良率目标的关键支撑。