تحديات القياس من الجيل التالي لعقد أشباه الموصلات دون 5 نانومتر

صناعة أشباه الموصلات تتجاوز الحدود المادية.

مع انخفاض التصنيع إلى ما دون عتبة 5 نانومتر (nm)، وصولاً إلى عقد 3 نانومتر و2 نانومتر، يجب أن تتكيف الطرق المستخدمة لقياس وفحص رقائق السيليكون.

يواجه علم القياس، المعروف باسم علم القياس، تحديات تقنية كبيرة. ويتطلب الكشف الدقيق عن العيوب وقياس الأبعاد الحرجة (CD) على هذا النطاق مناهج جديدة كلياً للفحص البصري وفحص حزم الإلكترونات.

فيما يلي تحليل للتحديات الرئيسية في مجال القياس التي تواجهها الصناعة على مستوى أقل من 5 نانومتر وكيف تتعامل معها.

التحول إلى بنى ثلاثية الأبعاد معقدة

في العقد القديمة، كانت الترانزستورات مسطحة إلى حد كبير. تصميمات أقل من 5 نانومتر تعتمد على هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة مثل ترانزستورات تأثير المجال ذات البوابة المحيطة (GAA) والصفائح النانوية.

يجب أن تقيس أدوات القياس الآن الميزات المخفية، والتجاويف، والخنادق ذات النسبة العالية بين الطول والعرض. المسح الضوئي التقليدي ثنائي الأبعاد من الأعلى إلى الأسفل المجهر الإلكتروني لا تستطيع تقنية المجهر الإلكتروني الماسح ذي البعد الحرج (CD-SEM) تحديد العمق بدقة أو الكشف عن العيوب المدفونة في هذه الهياكل متعددة الطبقات. يحتاج المهندسون إلى أجهزة قادرة على اختراق الطبقات المعتمة دون إتلاف الرقاقة.

العقبات الرئيسية في فحص رقائق السيليكون ذات الأبعاد الأقل من 5 نانومتر

1) عجز الدقة مقابل عجز الإنتاجية

توفر القياسات البصرية إنتاجية عالية، مسح الرقاقات على خط الإنتاج. ومع ذلك، تفتقر الأنظمة البصرية إلى الدقة اللازمة للكشف عن العيوب على مستوى النانومتر.

في المقابل، يوفر فحص الحزمة الإلكترونية الدقة العالية اللازمة لرؤية العيوب التي يقل حجمها عن 5 نانومتر، ولكنه يعمل ببطء شديد بالنسبة لـ تصنيع بكميات كبيرة (HVM). لا يزال تحقيق التوازن بين سرعة الأدوات البصرية ودقة أنظمة الحزم الإلكترونية يمثل عقبة تشغيلية رئيسية لمرافق التصنيع.

2) أخطاء قياس الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى

تُنتج تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) أنماطًا دقيقة للغاية. وتتميز المواد المقاومة للضوء المستخدمة في هذه التقنية بأنها رقيقة وهشة وحساسة للغاية.

متى أدوات القياسعند استخدام أشعة الليزر، وخاصةً حزم الإلكترونات، لأخذ القياسات، قد تتسبب الطاقة في انكماش أو تشوه طبقة المقاومة. لذا، يُعد قياس الأبعاد بدقة دون تغيير البنية المادية أمرًا صعبًا.

3) خطأ في وضع الحواف (EPE)

مع تقلص الميزات إلى المستوى الذري، أصبح محاذاة طبقات أشباه الموصلات المتعددة فوق بعضها البعض أمراً لا غنى عنه.

يؤدي عدم المحاذاة بمقدار نانومتر واحد أو اثنين فقط إلى حدوث خطأ في وضع الحافة (EPE)، مما يؤدي إلى فشل الجهاز بالكامل. أنظمة القياس يجب قياس التراكب من طبقة إلى أخرى بدقة دون النانومتر عبر السطح الكامل لرقاقة السيليكون 300 مم.

أهمية معايرة الأدوات الدقيقة

للتغلب على عدم اليقين في القياسات على مستوى أقل من 5 نانومتر، يجب أن تكون دقة أدوات الفحص الأساسية مطلقة. تتطلب أنظمة فحص المسح السطحي (SSIS) وعدادات الجسيمات معايرة دقيقة لضمان دقة مخرجات البيانات.

يضمن استخدام معايير معايرة عالية الجودة، مثل كرات اللاتكس البوليسترين (PSL) ومعايير رقائق السيليكا، أن علم القياس تُحدد الأجهزة بدقة العيوب القاتلة مقابل الضوضاء الخلفية غير الضارة. في تقنية تصنيع 3 نانومتر، حتى جسيم بحجم 10 نانومتر قادر على إتلاف الترانزستور. معايرة الأجهزة بانتظام باستخدام معايير حجم معتمدة هي الطريقة الوحيدة للحفاظ على بيانات قياس أساسية موثوقة.

تحديات وحلول القياسات دون 5 نانومتر

القياس الهجين: المسار المستقبلي

لأنه لا توجد أداة واحدة قادرة على قياس كل شيء على مستوى أقل من 5 نانومتر، فإن مرافق التصنيع تعتمد القياس الهجين.

تتضمن هذه العملية دمج بيانات القياس من مصادر متعددة، مثل قياس التشتت الضوئي، ومجهر القوة الذرية (AFM)، وقياس الأشعة السينية (CD-SAXS). من خلال تغذية هذه البيانات المدمجة في برامج التحليلات المتقدمةوبذلك يستطيع المهندسون تقليل ضوضاء القياس، والقضاء على النقاط العمياء، وتحقيق صورة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للرقاقة.

خاتمة

إن تقليص حجم عقد أشباه الموصلات يضمن أن القياسات ستصبح أكثر صعوبة.

إن تجاوز حاجز أقل من 5 نانومتر يتطلب تجاوز الفحص التقليدي من أعلى إلى أسفل، وتنفيذ بروتوكولات معايرة صارمة بمعايير رقائق معتمدة، واعتماد تقنيات قياس هجينة.

يعتمد الحفاظ على إنتاجية عالية عند 3 نانومتر وما بعدها بشكل كامل على ما يمكن للمصنعين قياسه والتحقق منه بدقة.

الأسئلة الشائعة (FAQs)

1. لماذا يصعب قياس البنى ثلاثية الأبعاد مثل GAA؟

تعتمد أدوات القياس التقليدية بشكل أساسي على مسح الميزات السطحية. أما التصاميم ثلاثية الأبعاد الحديثة، مثل تقنية البوابة الشاملة (GAA) والصفائح النانوية، فتحتوي على طبقات رأسية مخفية وأخاديد عميقة. غالبًا ما تكون هذه الميزات الداخلية غير مرئية للأدوات البصرية القياسية، مما يستلزم استخدام تقنيات متقدمة مثل الأشعة السينية أو القياس الهجين للتحقق من الأبعاد الداخلية.

2. ما هي العقبة الرئيسية في فحص العيوب التي تقل عن 5 نانومتر؟

تتمثل العقبة الرئيسية في تحقيق التوازن بين الدقة وسرعة الإنتاج. فبينما توفر تقنية الحزمة الإلكترونية الدقة العالية اللازمة للكشف عن العيوب التي يقل حجمها عن 5 نانومتر، إلا أنها أبطأ بكثير من الفحص البصري. ويُعدّ إيجاد طريقة لتحقيق تصوير عالي الدقة دون إبطاء خط الإنتاج تحديًا كبيرًا في هذا القطاع.

3. لماذا تعتبر معايرة الأدوات أمراً بالغ الأهمية بالنسبة للعقد الفرعية 5 نانومتر؟

على مستوى أقل من 5 نانومتر، يكاد هامش الخطأ ينعدم. حتى جسيم بحجم 10 نانومتر قد يتسبب في عيب قاتل يُدمر الترانزستور. يضمن المعايرة الدورية باستخدام معايير رقائق السيليكون المعتمدة وكرات PSL دقة أجهزة الفحص وقدرتها على التمييز بين التشويش المجهري والعيوب الحقيقية.