復享光學首次提出薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡 3D NAND多層薄膜量測獲突破

2022年11月29日，據(jù)知名半導體和微電子情報提供商TechInsights報道，長江存儲的232層3D NAND閃存X3-9070已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，領(lǐng)先于三星、美光、SK海力士等廠商，這也是中國品牌在半導體領(lǐng)域首次領(lǐng)先于國際競爭者。

中國半導體在先進制程制造上的持續(xù)重大突破，給國產(chǎn)量檢測設(shè)備的發(fā)展提出了同樣的要求，只有追求全產(chǎn)業(yè)鏈的整體提升，才能真正保持國際領(lǐng)先。復享光學作為國內(nèi)集成電路核心光譜零部件供應商，配合設(shè)備廠商解決各類芯片制程工藝控制中的量檢測核心問題，為實現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)的全鏈突破保駕護航。

近期，復享光學下屬的上海微納制程智能檢測工程中心首次提出薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡，突破百層3D NAND量測關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)成果發(fā)表于國際知名光學期刊Light: Advanced Manufacturing。

圖片來源：msi.com

業(yè)內(nèi)對3D NAND堆疊層數(shù)的不斷追求來源于市場對單芯片存儲容量需求的不斷提升。由于芯片的微縮化已經(jīng)接近2x nm性價比極限，通過實現(xiàn)存儲單元在垂直方向的層層堆疊，就可以大幅度提升NAND芯片的性能和存儲密度。業(yè)內(nèi)預測，在2025年左右3D NAND會達到500層，而在2030年左右達到800層。

百層膜厚檢測，3D NAND制備的新挑戰(zhàn)

多層膜的制備是3D NAND的前道工序。由于層間應力的存在，工藝完成后的實際層厚與設(shè)計值相比會存在較大的偏差，因此多層膜的不均勻性對芯片生產(chǎn)的良率構(gòu)成了嚴峻的挑戰(zhàn)。

3D NAND 制備工藝挑戰(zhàn)

圖片來源：Lam Research

目前市場上針對薄膜的厚度量測方法，通常使用參數(shù)微擾差分獲取梯度，并結(jié)合Levenberg-Marquardt算法構(gòu)建映射關(guān)系進行在線優(yōu)化。對于超過20層以上較多參數(shù)的多層結(jié)構(gòu)，該方案必須預先假定其為周期性結(jié)構(gòu)才能適用。并且，較多的結(jié)構(gòu)參數(shù)會導致優(yōu)化時間長達幾小時，相當于在一次迭代中進行上百次計算，大大增加了等待耗時。

可見，傳統(tǒng)厚度量測方法在3D NAND領(lǐng)域存在較大的局限性，亟需開發(fā)新的膜厚量測方案，以滿足在線實時檢測的產(chǎn)線需求。

薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡，百層膜厚檢測的新路徑

在深度學習領(lǐng)域，多參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)化過程中，常常采用反向傳播算法來對神經(jīng)網(wǎng)絡中的大量參數(shù)進行優(yōu)化。反向傳播算法，是適合于多層神經(jīng)元網(wǎng)絡的一種學習算法。相較于傳統(tǒng)的差分求梯度，反向傳播算法是一種非常有效的快速獲取梯度優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡的手段，可上百倍，甚至上千倍地提升效率。

復享光學將光學逆問題研究主體（多層薄膜）視為神經(jīng)網(wǎng)絡來構(gòu)建映射關(guān)系，并進行優(yōu)化訓練。這是全球首次將反向傳播算法引入薄膜優(yōu)化過程，在復享深度光譜?技術(shù)框架下開創(chuàng)性地發(fā)展了薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，極大地縮短了百層薄膜厚度的優(yōu)化時間，相比于傳統(tǒng)微擾差分的方法，其單次優(yōu)化時間縮短為原來的2%。

薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)原理

圖片來源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.

目前，復享光學已成功將此技術(shù)應用于232層非周期薄膜結(jié)構(gòu)的厚度量測，有望解決百層3D NAND量測的痛點。

準確高效，比肩國際量測標準數(shù)據(jù)

除時間的大幅縮短外，薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)的另一項優(yōu)勢在于，該技術(shù)無需前期準備大量數(shù)據(jù)集進行神經(jīng)網(wǎng)絡訓練學習，直接構(gòu)建于精確電磁仿真計算的映射關(guān)系上，即使在薄膜層數(shù)達到232層，依然能保證光譜結(jié)果的精確性。

232層薄膜優(yōu)化案例

圖片來源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.

經(jīng)研究驗證，復享光學提出的薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡的技術(shù)方案，不僅可以實現(xiàn)多層薄膜厚度的快速檢測，同時還能判斷樣品是否異常以及異常層位置。

圖片來源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.

在晶圓膜厚量測過程中，基于薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡的測量結(jié)果與國際量測標準的數(shù)據(jù)進行對比，誤差在萬分之一以內(nèi)(＜0.1 nm)。這一結(jié)果證明了該技術(shù)在晶圓級薄膜厚度測量場景中的可行性。

薄膜厚度實測結(jié)果

賦能微納制造，微納光學逆問題求解

3D NAND多層膜厚量測是一個典型的光學逆問題。對光學逆問題的求解，是指從已知的光學響應反向推測微納結(jié)構(gòu)的求解過程。除3D NAND的量測以外，還有一系列存在于微納光學與半導體制程檢測領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，都是典型的光學逆問題。

薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)的提出，得益于復享光學長期以來對微納光學逆問題的研究工作，并深度引入神經(jīng)網(wǎng)絡算法實現(xiàn)多維度光譜量檢測的復雜應用，在光學算法上具有堅實的基礎(chǔ)和應用經(jīng)驗。光譜量檢測技術(shù)存在于各類微納制造與量檢測設(shè)備之中，是支撐集成電路和光電子芯片產(chǎn)業(yè)制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，復享光學的多系列光譜模組已在半導體前道工藝之中成功應用，并獲得多家半導體頭部客戶的驗證、生產(chǎn)導入及小批量訂單。憑借復享深度光譜?技術(shù)，復享光學希望與國內(nèi)量檢測設(shè)備廠商一起，解決先進制程核心工藝問題，以光譜硬科技助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

關(guān)于復享光學

復享光學是深度光譜技術(shù)的創(chuàng)導者，歷時十年，深耕微納光電子領(lǐng)域，發(fā)展智能化全光譜技術(shù)，著力于光子學與人工智能的融合，形成了國際領(lǐng)先的深度光譜技術(shù)平臺，向市場提供從技術(shù)到產(chǎn)品，從模塊到系統(tǒng)的全面解決方案。

通過成立對接產(chǎn)業(yè)需求的“上海微納制程智能檢測工程技術(shù)研究中心”，并與復旦大學共建致力于研究微納制造前沿共性關(guān)鍵技術(shù)的“復旦大學光檢測與光集成校企聯(lián)合研究中心”，復享光學形成了多層次的研發(fā)平臺，以深度響應市場需求，持續(xù)推出突破性的產(chǎn)品。

復享光學已擁有國內(nèi)外超3000家優(yōu)質(zhì)客戶，并與超170家半導體、高端材料、生物醫(yī)藥企業(yè)形成交流與合作，與客戶一起，致力于實現(xiàn)科學技術(shù)創(chuàng)新，推動微納制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

參考文獻：

Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.