在談及芯片技術(shù)進(jìn)步時(shí)，除了不斷縮小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，新材料的采用往往可以另辟蹊徑。目前談?wù)撦^多的是高k介質(zhì)、金屬柵、低k材料等，其它一些較為冷門的材料，如碳納米管、石墨稀、二嵌段共聚物等也開始進(jìn)入人們的視野。越是新興的物質(zhì)越難以捉摸和測(cè)量，這就要求測(cè)量技術(shù)能夠“與時(shí)俱進(jìn)”。本文對(duì)新材料為測(cè)量帶來(lái)的挑戰(zhàn)進(jìn)行了概述。

工藝技術(shù)的進(jìn)步對(duì)測(cè)量意味著什么？在日前舉行的2009納米電子測(cè)量與表征技術(shù)國(guó)際會(huì)議上，與會(huì)者對(duì)新興技術(shù)和材料為測(cè)量技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)交換了觀點(diǎn)。

首先是芯片尺寸已接近原子級(jí)和量子級(jí)，這已成為測(cè)量領(lǐng)域的一大難題。諸如不斷增加的能耗、工藝和器件的多樣性，以及器件和互連性能的降低等。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，及時(shí)獲得工藝信息至關(guān)重要，檢測(cè)手段必須足以滿足工藝制程的發(fā)展。

600)this.style.width=600;" border="0" />

圖1. 單碳納米管上的CMOS環(huán)形振蕩器（來(lái)源：IBM）

對(duì)于高k／金屬柵來(lái)說(shuō)，主要的挑戰(zhàn)是如何在實(shí)現(xiàn)一定性能的同時(shí)保證與標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造的可兼容性。能夠取代傳統(tǒng)SiON材料的先進(jìn)介質(zhì)必須具有較高的電容率、良好的熱穩(wěn)定性、高遷移率、較低的隧穿效應(yīng)和與金屬電極的兼容性。與此趨勢(shì)相應(yīng)，測(cè)量技術(shù)的支持與發(fā)展是必要條件之一。如今，掩膜版檢測(cè)必須與完整的光刻工藝相對(duì)應(yīng)，以便及時(shí)預(yù)測(cè)可能在硅片上出現(xiàn)的缺陷。檢測(cè)系統(tǒng)要能夠提供復(fù)雜的照明，并與光刻機(jī)的精確結(jié)構(gòu)匹配。

另一個(gè)比較熱門的領(lǐng)域就是3D集成和硅通孔技術(shù)（TSV），它們將為芯片帶來(lái)更小的尺寸、更低的能耗以及更強(qiáng)大的功能性，是半導(dǎo)體技術(shù)下一步發(fā)展的契機(jī)（圖2）。

600)this.style.width=600;" border="0" />

圖2. 3D測(cè)量技術(shù)滿足下一代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展（來(lái)源：IBM）

新材料、新器件和結(jié)構(gòu)將促使測(cè)量技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，從而滿足各種新現(xiàn)象的出現(xiàn)。在接近原子級(jí)的尺寸時(shí)，高k介質(zhì)、金屬柵和SOI被寄予厚望，極有可能滿足16nm節(jié)點(diǎn)的要求。盡管某些新材料已經(jīng)開始應(yīng)用于IC制造，但是有關(guān)相應(yīng)測(cè)量技術(shù)的研發(fā)仍在繼續(xù)。Air gap和其它低k材料也在不斷涌現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)多年的學(xué)術(shù)研究，人們很熟悉納米碳管，更知道納米碳管不好實(shí)用，至少很難在納米電子學(xué)上應(yīng)用。原因是納米碳管很難并可重復(fù)地結(jié)合到電子器件中去。如果能將納米碳管“切”開，并展開成性能穩(wěn)定的平面，目前一流的集成電路微細(xì)加工技術(shù)就能用上，實(shí)現(xiàn)碳材料電子學(xué)(改進(jìn)目前的硅材料電子學(xué))。近年科學(xué)界重大發(fā)現(xiàn)--石墨烯（Graphene）就是這種材料。石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維晶體，一般厚度方向?yàn)閱卧訉踊螂p原子層碳原子排列。Graphene(石墨烯)是其英文名，該命名與graphite（石墨）有關(guān)，也有人使用“單層石墨”

石墨烯是一種穩(wěn)定材料，也是一種禁帶寬度幾乎為零的半金屬/半導(dǎo)體材料。它具有比硅高得多的載流子遷移率(200000cm2/V)，在室溫下有微米級(jí)的平均自由程和很長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度。因此，石墨烯是納米電路的理想材料，也是驗(yàn)證量子效應(yīng)的理想材料。然而這種材料也非常難以測(cè)量（圖3）。石墨稀顯微鏡是測(cè)量該新材料的必要手段。關(guān)鍵問(wèn)題之一是單個(gè)樣品和多層樣品中石墨稀的層數(shù)。TEM和低能電子顯微鏡（LEEM）是確定層數(shù)的重要檢測(cè)設(shè)備，多層切片模擬式確定TEM檢測(cè)能力和成像條件的有效方式。LEEM可以檢測(cè)層數(shù)及樣品的形貌。

600)this.style.width=600;" border="0" />

圖3. 石墨烯（Graphene）為測(cè)量帶來(lái)新難題（來(lái)源：CNSE）

二嵌段共聚物（diblock copolymers）是另一種新型材料，它可在光刻圖形上排列一致，極有潛力在傳統(tǒng)的光刻條件下增大光刻圖形密度，并減少線條邊緣粗糙度（LER）。對(duì)該材料的測(cè)量主要是通過(guò)x射線散射方法，精確度可到到粗糙度小于0.5nm。因?yàn)椴煌幕瘜W(xué)物質(zhì)有不同的共振態(tài)，共振散射加強(qiáng)了不同化學(xué)物質(zhì)之間的對(duì)比，以此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。