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【芯生态】高层堆叠瓶颈凸显:APG 量测技术如何破解 3D NAND 制程难题
2026-07-068

作为当前主流的高端存储技术,3D NAND 凭借垂直多层堆叠架构,彻底突破了传统平面闪存的存储密度上限,凭借高容量、高性能、低成本的核心优势,广泛应用于数据中心、车载存储、消费电子等各类场景。但随着堆叠层数不断提升,工艺制造难度呈指数级增长,层数越高,深孔更深,孔径更难保持一致,晶圆更容易翘曲,层间对准更难,良率更难爬坡。因此,在 3D NAND 时代,能否在三维尺度上看清并控制每一次形貌偏差,对提升 3D NAND 的良率至关重要。在此行业背景下,图案化晶圆几何量测(APG)技术凭借全域、高精度、在线化的检测能力,成为解决高层堆叠制程痛点、实现工艺可控的核心技术手段。

一、3D NAND 高层堆叠的核心制程痛点

1. 多层工艺叠加,晶圆翘曲问题突出

3D NAND 采用氧化硅/氮化硅多层交替堆叠结构,反复的高温沉积、退火、高深宽比刻蚀工艺,会因材料热膨胀系数差异持续累积产生应力。应力大到一定程度,晶圆会变凹、变凸,更糟的是变成马鞍形,也叫土豆片形。由于 3D NAND 要堆几百层金属上去,应力只往一个方向释放,整片晶圆就会翘成不对称的土豆片形状。一旦晶圆翘曲严重,会导致良率低下。目前针对这种 3D NAND 土豆片翘曲,单点曲率是不够用的,得看全片 3D 形貌,需要把晶圆竖起来放进 wafer palette,双面 Fizeau 干涉同时扫,使用纳米级分辨率重建整片形状,因为竖起来测量可以克服重力的影响,能拿到最精准的形貌数据,目前昂坤半导体形貌测量设备 APG-5000 就是这样的测试原理。

(马鞍形晶圆翘曲图)

(1400um的warp shape map)

2. 纳米级形貌偏差累积,工艺控制难度呈指数级上升
超高层数堆叠对薄膜厚度均匀性、表面微观平整度、晶圆边缘形貌精度提出极致纳米级要求,且 3D NAND 制程存在典型的多层误差累积效应,是行业公认的精密管控难点。上百层的堆叠,要求每一层厚度都要均匀,不能有颗粒、裂纹、空洞,不能因为应力太大把晶圆翘弯,而层数越高,面临的问题就越严重,工艺控制难度呈指数级上升。
当堆叠高度突破300层、向400层推进时,超高层堆叠的工艺窗口收窄,单步缺陷导致整片报废的风险陡增。此时如果你看不见三维形貌的偏差,那么 recipe 调整只能靠试错,沉积-刻蚀协同(DECO)无法形成闭环,良率问题只能在后段“被动发现”。
二、APG量测技术在3D NAND制程中的核心价值
图案化晶圆几何量测(APG)是适配 3D NAND 先进制程的高精度在线检测技术,依托精密光学扫描、三维形貌建模与智能算法架构,可一站式采集晶圆整体形态、厚度均匀性、双面纳米形貌、边缘特征、内应力分布等多维核心数据,覆盖薄膜沉积、光刻、刻蚀、键合等全工艺流程,为高层堆叠制程的精细化管控提供核心数据支撑。
1. 精准量化晶圆形变,实现应力工艺可控
针对3D NAND 高层堆叠多层薄膜叠加引发的大尺度翘曲问题,APG 可同步检测晶圆正反面纳米级微观形貌,精准量化整片晶圆微米级全域翘曲形变,全域采集晶圆翘曲、应力、局部形状曲率等数据,精准定位局部应力异常区域。工艺人员可依据量化数据反向调整薄膜沉积、退火等工艺参数,校正设备状态,从源头抑制应力累积,避免批量工艺缺陷,保障高层堆叠制程稳定性。
2. 联动形变与套准偏差,解决超高层堆叠对准难题
针对单片超高层 3D NAND 应力累积引发的局部非线性形变、微观形貌偏差放大等层间光刻对准难题,APG 可精准量化各类形变并定位偏移高发区域。设备依托 IPD、PIR 等指标搭建 “应力 - 三维形貌 - 图形偏移” 关联模型,精准预测分区对位残差,突破传统静态补偿局限。检测后的单片形变数据实时前馈至光刻设备,动态分区域校正曝光对位参数,提前抵消形变带来的图形偏移,削减多轮套刻累积误差,有效拓宽超高层堆叠狭窄的对位工艺窗口,大幅提升层间对准精度。
3. 全流程常态化监控,支撑规模化高良率量产
APG 可兼容裸晶圆与图案化晶圆一体化检测,单次测量即可输出宏观翘曲、晶圆内应力、全域纳米形貌等全维度工艺指标,检测效率与精度完全适配高产量量产工况。通过全工序闭环监控,可快速定位工艺异常、缩短良率爬坡周期、指导设备校正与晶圆返工,形成完整制程优化闭环,有效降低量产成本,支撑3D NAND超高堆叠技术规模化落地。
AKO全新自研发的APG-5000 300MM硅晶圆量测设备
  • 建立在AMG-5000平台的双面同步干涉纳米技术上,高于PWG5+光学分辨率和亚纳米的精度
  • 迭代对应PWG2+和PWG5
  • 测图形晶圆的厚度分布、平整度、面型、双面微观亚纳米形貌(nanotopography)
  • 在线测验和监控IC生产中镀膜,CMP晶圆的极大翘曲和工艺引起应力和它的变化,极大翘曲造成的高价形变和它引起的平面内的位移(光刻机的overlay误差)
  • 可测最大翘曲<500um 1-shot,<1500um multiple shots
  • 应用于R&D和HVM IC Fab(大规模集成电路芯片)生产中各种前端工艺节点的量测,提高晶圆和芯片生产的良率,能满足大于3纳米IC生产工艺节点需求
  • 产能>100 WSP
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    浙江省半导体行业协会

           浙江省半导体行业协会于2001年经省民政厅批复成立,在省经信厅的业务指导下,紧紧围绕“服务政府、服务企业、服务行业”的宗旨,为企业提供“一站式”专业化综合服务。

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