作者：Laura Peters

文章來源：SEMICONDUCTOR ENGINEERING

每一代3D NAND閃存的存儲容量都比上一代增加約30%，目前的芯片尺寸僅相當于指甲蓋大小，卻能存儲高達2TB的數據。隨著新產品發布周期從18個月縮短至12個月，芯片制造商們正不斷創新，以實現如此驚人的擴展速度。

作為智能手機、固態硬盤、數據中心存儲系統、個人電腦和 SD 卡的核心存儲方案，3D NAND 每年吸引超 30% 的半導體設備投資，同時推動三維計量與檢測技術邁向新高度 —— 不僅需整合光學、X 射線、高能電子束、電子束電壓對比等成熟技術，氮化鎵基電子束等新型方法也正憑借缺陷檢測優勢逐步落地。

3D NAND 縮放：三大方向與核心挑戰

自 3D NAND 應用于企業級固態硬盤以來，全環繞柵極電荷俘獲單元成為主流方案。該結構采用氮化硅作為電荷俘獲層，相比多晶硅更不易產生缺陷和發生漏電，且所需編程 / 擦除電壓更低，可搭配更薄的氧化層以提升器件耐久性，同時實現更快的讀寫速度和更低的功耗。

3D NAND 的制造流程中，廠商需沉積多層水平存儲單元薄膜，并蝕刻出垂直通道孔。為提升存儲容量，氧化硅 - 氮化硅（SiO?-SiN）薄膜堆疊層數不斷增加，且采用 2-3 層堆疊設計。Lam Research 和 TEL 提供的深冷蝕刻系統，能在 - 60℃ 超低溫環境下，利用高濃度活性物質實現直徑 < 100nm、深度 6-10?μm的高深寬比孔蝕刻，配合非晶碳硬掩模保障垂直輪廓，但如何避免孔的彎曲、扭曲和傾斜仍是關鍵挑戰。

當前 3D NAND 的縮放主要沿三個方向推進：一是縮小接觸孔間距，在相同硅片面積內集成更多存儲單元；二是垂直增加氧化層 / 字線的堆疊層數；三是邏輯縮放，通過提升單單元存儲比特數（從三級單元 TLC 向四級單元 QLC、五級單元 PLC 演進）實現容量提升。Lam Research 全球產品副總裁 Tae Won Kim 強調，水平與垂直縮放的結合對蝕刻工藝的輪廓控制提出極高要求，孔的尺寸和形狀精度直接決定邏輯縮放的可行性。

在 3D NAND 的關鍵結構（包括存儲孔、狹縫、階梯接觸和外圍接觸）中，垂直存儲孔尺寸最小。Onto Innovation光學計量應用開發總監 Nick Keller 指出，客戶需要通道孔、字線切割溝槽和硬掩模孔的高分辨率 Z 向輪廓數據，同時需檢測通道孔底部（或頂部）蝕刻后退步驟中的垂直凹陷。

圖 1：3D NAND 的關鍵特征包括微小的存儲孔、狹縫、階梯狀觸點和外圍觸點。來源：Lam Research

計量技術矩陣：穿透深結構的 “火眼金睛”

1. 紅外關鍵尺寸計量（IRCD）

散射測量法（又稱光學關鍵尺寸 OCD）在晶圓廠中應用廣泛，其紅外延伸版本（IRCD）憑借波長優勢，已在高產量制造（High-Volume Manufacturing, HVM）中實現高深寬比 Z 向輪廓測量。相比臨界尺寸小角 X 射線散射（CD-SAXS），IRCD 在吞吐量上更具優勢，而 CD-SAXS 僅在層級間傾斜度和疊對測量等特殊場景中選擇性應用。

IRCD 的核心優勢源于中長波紅外波段的介電材料吸收特性 —— 如二氧化硅的 Si-O 鍵在 1000cm?1 附近有強吸收峰，吸收峰的幅度和寬度隨波長變化，通過調節波長可控制光的穿透深度。此外，紅外波段的 OCD 建模速度更快，因高頻振蕩更少，降低了嚴格耦合波分析（RCWA）的計算復雜度。該技術可用于測量通道孔關鍵尺寸及一、二級通道孔的氮化硅凹陷，而氮化硅凹陷的精準控制對防止橫向電荷遷移、提升數據保留能力至關重要。

2. 電子束技術

電子束工具常用于光學系統識別缺陷后的精細化復查。 Applied Materials 和 KLA 開發的高能電子束系統（著陸能量可達 30keV 甚至 60keV），能穿透高深寬比孔，通過檢測背散射電子和二次電子，識別數μm深處的缺陷（如殘留鎢）。深度學習技術進一步優化了缺陷分類效率，可有效區分干擾缺陷與致命缺陷。

需注意的是，高能電子束的電離輻射可能損傷敏感的 NAND 介質堆疊，尤其會影響電荷俘獲區的閾值電壓，進而降低器件性能和可靠性，因此廠商在使用時需謹慎控制劑量。電子束點掃描電壓對比檢測則適用于器件研發和量產爬坡階段，能精準識別罕見的熱點缺陷。PDF Solutions（普迪飛）總裁兼 CEO John Kibarian 強調，隨機缺陷的統計特性要求技術人員在短時間內檢測數百億個點位，軟件算法在熱點定位中發揮關鍵作用。

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此外Kioxa 正評估名古屋大學與初創公司 Photo Electron Soul 聯合開發的氮化鎵基電子束工具，該技術通過選擇性電子束輻射和束流強度實時控制，實現非接觸式缺陷檢測、電學檢測和輪廓測量，助力故障根因分析。

3. X 射線與聲學顯微鏡

X 射線計算機斷層掃描（X-ray CT）是檢測高深寬比孔內部缺陷的有效方案，布魯克（Bruker）推出的新型 X 射線工具通過提升光源功率和探測器性能，滿足高量產場景需求。在 3D NAND 的 “陣列下 CMOS” 鍵合工藝中，聲學顯微鏡可檢測混合鍵合或熔融鍵合界面的微小空洞。諾信的非浸沒式聲學掃描方案通過高速旋轉晶圓和瀑布式傳感器，在避免污染的同時，實現不同焦距下的空洞檢測。

驗證與建模：從物理檢測到虛擬計量

1. 破壞性驗證（FIB-SEM）

聚焦離子束 - 掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）通過器件橫截面切割，可直觀觀察蝕刻不完全、孔彎曲、扭曲及通道孔間差異等問題，是工藝開發和爬坡階段的 “基準驗證工具”。

2. 虛擬計量與工藝建模

隨著 3D NAND 特征尺寸不斷縮小，傳統晶圓實驗的成本和周期持續增加，虛擬晶圓制造、工藝建模和虛擬計量成為行業熱點。泛林集團旗下 Coventor 的工程師通過虛擬工藝建模，量化了孔關鍵尺寸變化和通道錐度，發現當各堆疊層的側壁角 > 88° 時，蝕刻才能到達通道底部。這種虛擬計量方法可在大規模硅片試錯前優化工藝參數邊界，加速研發周期。

結語

3D NAND 的持續縮放對計量與檢測技術提出極致挑戰，高深寬比孔的精準測量、亞表面缺陷檢測和疊層對準控制成為核心課題。IRCD、高能電子束、X 射線等技術的協同應用，搭配 FIB-SEM 基準驗證和虛擬計量建模，構成了下一代 3D NAND 的量產保障體系。隨著鎧俠、三星、美光、SK 海力士等廠商推進更高堆疊層數、更小狹縫和存儲孔的新型 NAND 研發，多技術融合的計量方案將成為突破產能瓶頸、實現良率目標的關鍵支撐。