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半導體進入10奈米以下技術節點或三維(3D)結構時，將面臨嚴重的導孔偏移問題，所幸，設備商已研發出具備更高影像解析能力的微距量測掃描式電子顯微鏡(CD -SEM)，可提供更清晰的對焦和更精細的量測影像，有效克服導孔對準挑戰。

多年來，業界一直使用微距量測掃描式電子顯微鏡(CD-SEM)來進行量測，此種顯微鏡會射出電子束，與要掃描的材料作用，然後回傳訊號，再由量測機台比對運算這些訊號。今日，針對小於10奈米(nm)的尺寸，CD-SEM或其他所有量測設備，必須處理更多的薄膜層、更高的縱橫比(HAR)、更窄的間距，以及三維(3D)架構的輪廓和形狀，人們對於這些設備是否具備此等能力，提出嚴重的質疑。

在量測技術、多重微影技術與材料的改良下，半導體裝置的3D記憶體與臨界尺寸(CD)能夠沿用到小於10奈米製程。在10奈米製程上，元件的複雜度不斷提高，使得目前的光微影技術遭遇到極為重大的挑戰。鰭式場效電晶體(FinFET)與3D儲存型快閃記憶體(NAND Flash)設計，讓需要量測與控制的參數持續增加，進一步提高圖案製作與量測的複雜性。

技術新突破CD-SEM量測精準度受矚目

應用材料對CD-SEM技術進行重大的改良，在最近於加州舉行的國際光學工程學會(SPIE)先進微影技術研討會上，展示這項量測技術的可沿用性。此項改良技術的主要應用，包括有效將新的先進CD-SEM技術應用於邏輯導孔(Logic Vias)、複雜的疊層(Overlay)、超高縱橫比的先進記憶體(HAR Contacts)等高難度製程挑戰。

CD-SEM已可做為有效量測技術

從圖1可看出在溝槽內導孔底部臨界尺寸與對準方面，所面臨的量測與監控挑戰--導孔的邊緣與位置必須精確，才能確保底層與疊覆金屬層間的正確連結。位在右側的導孔並未與下方的銅線對準，將會影響到各層間的導電性；底下的SEM影像則顯示偏移與對準導孔間的差異。這兩組關鍵影像，都是採用稱為背向散射電子(BSE)影像技術取得，這項技術正成為可行的量測技術。這個例子顯示，在此等複雜的多步驟製程中，可使用CD-SEM做為有效的量測與對準技術。

圖1溝槽中的導孔影像，由Fischer博士等人在2013年SPIE會議上發表。

CD-SEM擁有高解析影像顯示能力

由於目前的CD-SEM技術不夠精確，若要針對小於10奈米尺寸找出導孔對準的問題，則須提高掃描電子顯微鏡(SEM)的解析度。由於製程必須一路往下對準底部抗反射塗層(BARC)、硬質罩幕層，以及金屬(接點或鰭片)，因此今日業界的新發展，是使用數千伏特能源的SEM來「透視」到最低層，比較先進CD-SEM與傳統SEM技術，可看出在透視材料時，擁有更高解析度影像顯示能力。

CD-SEM可結合BSE訊號輕取導孔真實影像

圖2中最上方的SEM顯示適當蝕刻後的接觸導孔，導孔完全蝕刻穿透，而下圖中的導孔則未完全穿透，須要在進行沉積前修正。能夠針對此等HAR接觸導孔取得影像，是因為使用改良的偵測與收集技術。結合BSE訊號與增強的過濾技術(只針對碰到底層表面後返回的電子，運用其訊號)，就能夠取得底層的影像，並傳回HAR導孔的真實影像。

 
圖2完全蝕刻與部分蝕刻的接觸導孔

2D升級3D量測技術迭有突破

除了以上範例成功針對小於10奈米尺寸運用CD-SEM技術外，應用材料也提出先前所述應用的案例，將CD-SEM應用於FinFET電晶體與矽奈米線3D量測。前述的這些主題都有一個共通點，就是能夠讓受到光微影限制的2D影像縮放技術，轉換為以量測與材料為主的3D圖案影像技術。

幸運的是，量測技術的進展正在克服主要的製程微縮問題。小於10奈米結構與3D記憶體需要更高解析度的SEM，提供更清晰的對焦、更精細的影像與資料擷取方法，以及對形狀更為敏感、以物理學為基礎的模型和模擬技術。未來也會須要結合不同的量測技術，包括CD-SEM、CD原子力顯微鏡(AFM)，以及穿透式電子顯微鏡(TEM)。

(本文作者為應用材料公司全球量測產品與技術經理)