imec公布半导体计量与检测技术40年演进路线图

要点

• 半导体计量最初以光学技术为核心发展，随着微细化推进，电子束计量也被引入
• 进入2000年代，新材料的采用与HKMG的导入，使X射线材料分析走进量产线
• 为应对ArF浸没式曝光产生的微小缺陷，宽带等离子体检测设备得到普及

比利时研究机构imec公布了半导体工厂所用计量与检测技术在1986年以来40年间的演进历程，以及今后的技术路线图。

在半导体制造中，计量技术负责把图形尺寸、膜厚等数值化，确认制造工艺是否满足设计规格；检测技术则负责发现晶圆上产生的缺陷，并确定其位置与种类。

两者都是确保半导体良率、性能和可靠性不可或缺的技术，但所需能力并不相同：计量看重准确性，检测则强调从整片晶圆中发现多种缺陷的探测能力。要在量产线上使用，除精度与检测灵敏度之外，还必须考虑再现性、处理能力、成本以及环境负荷。

1986～2005年：光学计量唱主角

imec把1986年至2005年定位为“Happy Scaling”时代，即依靠微细化按预期提升半导体性能与集成度。作为起点的1986年，是原子力显微镜（AFM）与宽带等离子体（BBP）等计量技术首次得到应用的一年，而这些技术如今已成为最先进半导体制造中不可或缺的要素。

1986年以后imec逻辑微缩路线图的概要。图中将其与光刻及器件技术中值得关注的创新相关联（出处：imec）

当时，微细化以使用248nm光的KrF曝光设备为中心推进，计量与检测则采用光学显微镜、椭偏仪（ellipsometer）等，以光学方式测量线宽、膜厚、层间位置偏移即overlay，以及晶圆上的缺陷等。

早期的计量多依赖人工，可测量的晶圆和位置也有限，因此主要用于试产工序的确认。

当微细化逼近130nm世代时，仅靠光学技术已难以确保所需分辨率，利用电子束的计量与检测设备随之被引入。测量线宽的CD-SEM、对检出的缺陷进行观察与分类的review SEM、从整片晶圆上检测缺陷的电子束检测设备等开始投入使用。

到了1990年代，计量的自动化与测量点位的增加同步推进，使得测量多个图形层之间的位置偏移、并将结果反馈给制造设备加以修正的工艺控制成为可能。

同一时期还出现了散射测量（scatterometry），它通过向周期性结构照射光、利用衍射信息推算尺寸与形状。该技术不仅可非破坏、高速测量，还能获取线宽之外的高度与图形形状，因而成长为支撑先进工艺的计量技术。

新材料导入，X射线计量进入工厂

进入2000年代，仅靠缩小尺寸已无法维持性能提升，新的材料被引入半导体器件。

在90nm世代，业界采用了在源漏区形成SiGe等、向硅沟道施加应变以提高载流子迁移率的技术。45nm世代以后，传统的SiO2与多晶硅栅极结构被高介电常数膜与金属栅极组合而成的High-k/Metal Gate（HKMG）所取代。

由于需要在生产线上确认材料的组成、晶体结构和应变，X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等X射线技术被引入半导体晶圆厂。

曝光技术同样迎来进化浪潮。继KrF之后投入的是波长193nm的ArF干式曝光，随后又出现了在投影透镜与晶圆之间充满纯水以提升数值孔径（NA）的ArF浸没式曝光。与ArF干式曝光相比，其数值孔径提高了45%，从而能够形成更精细的图形。

另一方面，使用水也带来了气泡等引发的新缺陷。为了从整片晶圆上找出这类微小的工艺起因缺陷，采用激光激发等离子体光源的宽带等离子体检测设备被导入量产工序。

该设备至今仍用于先进器件结构的检测以及配线工序的缺陷检测。

（未完待续）

本文是对imec在“SPIE Advanced Lithography and Patterning Conference（SPIE光刻与图形化会议）”的分会“2026 Metrology, Inspection and Process Control conference（计量、检测与工艺控制会议）”创立40周年纪念活动上所作主题演讲的内容摘要，并以“Four decades of in-fab metrology and inspection: pivotal milestones, and the road ahead”为题刊发文章的翻译与改编。

作者简介

Anne-Laure Charley（安娜-洛尔·夏尔利）：imec研发计量经理。在法国INPG取得半导体物理学博士学位。职业生涯初期作为光刻研发工程师活跃于一线，2008年加入imec，从事面向先进图形化应用的计量技术研究。目前作为imec研发经理，统管先进半导体技术的计量与检测。她致力于开发下一代计量与检测解决方案，以实现先进逻辑、存储器、图形化和封装领域的未来突破。据她介绍，其团队的使命是借助imec独有的全球产业合作伙伴协作生态与全球一流研究基础设施，预先把握行业需求并加速创新。

Philippe Leray（菲利普·勒雷）：imec研发副总裁，负责先进图形化开发。在法国萨克雷大学取得等离子体物理学博士学位。2001年加入imec，至2018年5月担任imec计量组组长，之后出任先进图形化部门总监，并于2025年就任负责Angstrom Patterning Development的研发副总裁。该部门由150名工程师组成，统管imec面向先进节点（CFET、高NA、背面图形化、3D DRAM等）的先进光刻、成像、材料、OPC、在线计量与检测的开发。加入imec后的前12年，他负责overlay技术（DBO与多层靶标）的评估，并为imec的工艺（CMP后的鳍、栅极、BEOL）开发了散射测量模型。迄今已为100多篇论文作出贡献。