數據是我們生活中不可或缺的一部分。過去我們必須定期刪除文件以釋放存儲空間，現在則相反，假設我們的數據永遠不需要被刪除。為什么冒險錯刪文件呢？保存它們！這種新方法將耗費大量內存，提高了對存儲空間的需求。內存部分的兩個主力是NAND 快閃內存和DRAM。DRAM是動態、易失和快速的，非常適合用作短期系統內存。相反，NAND 快閃內存是非易失的，這意味著它具有良好的保留性，可很好地用于長期低成本存儲。隨著需求的不斷增加，這兩種內存類型的主要目標都是更快的速度，更高的密度和更低的存儲單元成本1。
為了更好的實現NAND和DRAM的性能，所采用的開發途徑略有不同。DRAM的開發途徑與邏輯產品類似，采用持續微縮的單元設計。這種單元尺寸的微縮推動了多重圖案化技術的引入，并最終在批量制造中需要采用EUV光刻技術。平面 NAND也曾面臨微縮的限制，并最終采取垂直方向上的轉變。這種垂直集成放寬了對3D NAND器件的光刻要求，卻將最復雜的工藝挑戰遷移到沉積和蝕刻2。其主要的結構由交替薄膜沉積，然后對整個堆疊進行高縱深比（HAR）蝕刻。3D NAND中的每個新節點的工藝都采用更高的垂直堆疊。高縱深比結構具有獨特的工藝控制要求，因為溝槽的深度是微米級，而精度要求達到埃級3。如圖1所示，這類HAR結構的示例如3D NAND中的通道電洞，以及高級DRAM中的儲存節點電容。
圖1：3D NAND結構，顯示例如通道電洞的高縱深比（HAR）特征。
3D NAND的一些重點工藝挑戰包括通道電洞和字線輪廓的可變性和缺陷率，以及連接觸點和階梯的短路。DRAM的挑戰包括存儲節點電容輪廓的可變性和缺陷率、位線缺陷以及多重圖案化誤差預算不斷減少。改善這些深窄孔的工藝需要克服缺陷和輪廓控制的挑戰——在開發階段實現良率，并最終在批量生產中提高和維持良率。對于其中一些挑戰目前已有明確的工藝控制解決方案，而其他挑戰則仍處于開發階段。解決這些復雜堆疊的工藝問題需要多管齊下。
第一道防線–設備監控
當涉及顆粒缺陷時，首先最好避免它們。在進一步的圖案化步驟中，這些顆粒可能變成如短路和斷路等良率限制缺陷。因為HAR堆疊和3D NAND的一個工藝步驟中就包括許多沉積層，所以避免缺陷尤為重要。清潔的工藝設備不會有顆粒落入薄膜堆疊中。因此，確保工藝設備的清潔度可以主動地避免埋藏顆粒缺陷。控片晶圓檢測可以對反應室進行高采樣監控，迅速發現任何顆粒問題。然而，一些缺陷僅在圖案晶圓上出現; 因此，全面的設備監控策略還包括對圖案化晶圓進行充分采樣。
設備監控策略的另外一個重要的方面是反應室監控。單一蝕刻設備內的溫度均勻性以及設備之間的匹配對于在晶圓上保持蝕刻輪廓均勻以保持通道電洞形狀一致是非常重要的。這種均勻性對于這些微米級蝕刻工藝尤其重要，因為它們具有嚴格的埃級精度要求。對反應室的溫度監測可以自動化，將當前數據與基準線數據進行比較，并在檢測到偏差時迅速糾正。
為了保證設備監控有效工作，工藝設備的條件應盡可能接近生產環境。溫度監測應在“等離子體開啟”的蝕刻條件下進行，控片監控應包括真實的薄膜疊層。由于產品晶圓的復雜集成方案，設備監控策略需要配備包括額外的在線高靈敏度檢測和測量的第二道防線。
第二道防線-在線檢測控制
具有HAR結構的在線產品晶圓需要監控晶圓表面及其前層的缺陷。對晶圓表面上的缺陷進行檢測將有助于在表面層上發現顆粒和圖案類型缺陷。
高縱深比晶圓生產中另一個工藝控制問題是晶圓彎曲。3D NAND結構采用交替材料堆疊，在晶圓上產生很大應力。一個深入的工藝監控方案還需要監控晶圓的彎曲和翹曲程度，確保其仍然符合下游工藝步驟的規格。
那么，HAR堆疊中的埋藏缺陷怎么辦？通常，可以在多個工藝步驟中進行晶圓檢測發現缺陷起源。然而，3D NAND的通道電洞蝕刻之前的堆疊沉積是一個工藝步驟，因而沒有機會暫停工藝進行檢測。理想情況下，工藝工程師可以通過保持極其干凈的工藝設備來避免埋藏顆粒，但仍會出現與集成相關的缺陷。埋在堆疊中的缺陷是目前高產量中直接檢測面臨的挑戰。
與此同時，晶圓廠正在尋求檢測埋藏缺陷的替代策略。埋藏缺陷將會改變其周圍環境，并擾動晶圓頂部的圖案。對于圓形通道電洞，這種擾動可能導致臨界尺寸（CD）大約10%的變化，這可以通過高靈敏度晶圓檢測系統發現。另一種解決埋藏缺陷的檢查策略是采用對晶圓的破壞性回蝕來暴露如蝕刻不足之類的工藝問題，并隨后進行高靈敏度缺陷檢測。
在缺陷檢測的同時，內存制造工程師部署了基于量測的各種在線控制策略，用以研究諸如輪廓、疊對和工藝窗口等圖形化問題。對于3D NAND和DRAM，光學散射測量可以提供有限的結構訊息，而像TEM這樣的破壞性實驗室技術則是揭示完整輪廓形狀的唯一方法。目前還沒有針對通道電洞或存儲節點電容之類的HAR完整輪廓的迅速且非破壞性的測量。與3D NAND相比，DRAM的疊對要求更趨嚴格，因為存儲節點電容的構建采用了雙重或三重圖案。多重圖案化建立具有小且密集的特征，當與激進的HAR蝕刻工藝同時使用時，建立工藝窗口將變得具有挑戰性4。這是一個應用綜合工藝窗口發現、擴展和控制策略（圖2）的機會，幫助晶圓廠團隊識別可能的熱點問題，取得有效工藝窗口5。
圖2：工藝窗口的發現、擴展和控制策略。第一步是確定熱點的相關設計和工藝起源; 第二步是通過全廠范圍的工藝改進來擴展工藝窗口，第三步是實施檢測和量測，發現并控制關鍵工藝隨時間的波動變化。
所有這些測量建立了一個全廠范圍的數據流，必須將其與智能數據分析相結合，推動工藝控制的反饋回路以及高效的工程分析。
不要遺忘晶邊
晶圓邊緣附近的HAR結構往往有最多的工藝控制問題。為了取得最高良率，晶圓廠工程師必須加強對晶圓邊緣的檢測控制，并且采用與晶圓的其余部分相比更為密集的采樣。
新內存技術
隨著3D NAND和DRAM持續發展，堆疊高度不斷增加，而特征尺寸不斷縮小。此外，將NAND的容量、成本和非易失性與DRAM更快的存儲速度相結合的嘗試已經促進了許多新型內存的開發。這些新型內存包括相變內存（PCM）、鐵電RAM（FeRAM），自旋轉移扭矩磁阻RAM（STT-MRAM），電阻RAM（RRAM或ReRAM）等6。
隨著3D NAND和DRAM中的先進節點而不斷發展的新技術，以及與新型內存類型相關的新工藝流程，都需要晶圓廠不斷調整其工藝控制策略，持續提升先進的內存元件的生產和良率。