应对45nm缺陷挑战

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欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 在半导体行业的早期，在实施缺陷检查时，会将晶圆置于光线明亮之处，查看表面上的灰尘和其它微粒，并计算散射中心的数量。上世纪 90 年代初，业界领先企业开始引入在线缺陷检查，以提高良率，增加盈利并加快其产品上市步伐。如今，全球最先进的晶圆代工厂使用一整套高度自动化的缺陷检查和复查系统，借助尖端的光学或电子束技术及专门算法，可以发现并区分各种微粒和图形缺陷。 45nm 缺陷挑战 业界领先的逻辑、存储及晶圆厂家已推出许多创新性解决方案，以应对其技术挑战，从而完成 45nm 节点的工艺开发工作。在光刻领域，出现了两次成形和间隔掩膜等新技术。但是，越来越多的层数需要使用浸没式扫描曝光机产生期望的图形。45nm 节点级的新材料和技术包括应变强化、超浅接面 (USJ)、超低介电常数材料、高介电常数或金属门，以及新的后段制程 (BEOL) 覆层和阻障层。晶圆厂还采用了新的体系架构和设备结构，例如 FinFET DRAM，相变内存和 NAND 电荷陷阱。 所有这些创新都对缺陷性有所影响（图 1）。随着更细微的新型缺陷的出现，检查系统必须具备极高的灵敏度。每个晶圆上有成千上万的缺陷， 扫描电子显微镜 (SEM) 只能检测到并区分 50 到 100 个缺陷。因此，这一微小样本必须准确呈现晶圆上影响良率的缺陷（“致命缺陷”）数量，这一点正变得越来越重要。借助一个好的扫描电子显微镜样本，检查工具能够给出一个可操作的缺陷分类柱状图分析，帮助缺陷和良率工程师以对周期的最小影响，快速准确地解决缺陷问题。 晶圆检查技术 在 45nm 节点级，芯片制造商利用一系列检查和复查工具，包括明暗场光学图形晶圆检查仪、电子束图形晶圆检查仪、晶圆边缘及斜面专用检查仪以及无图形晶圆检查仪。这些工具使用光子（光）或电子检测缺陷，并生成一个缺陷坐标图。根据散射／反射／放射的光或电子的特性，它们还能够对缺陷进行大致分类。 晶圆检查和复查的目的是生成一个能够精确反应被检查晶圆上关键缺陷 (DOI) 的缺陷分类柱状图。缺陷检查系统的作用是最大化关键缺陷的捕获，并最小化非关键缺陷的捕获，或将其准确识别为非关键缺陷。随后，关键缺陷的样本被发送到复查系统，进行详细分类。最后将生成一个缺陷分类柱状图，帮助缺陷和良率工程师迅速识别并解决缺陷问题。 借助准确、可操作的缺陷分类柱状图，工程师们还能够预测一个批次、一个晶圆甚至同一印模产品的良率。一个好的缺陷分类柱状图还能够帮助工程师调整抽样计划，例如，通过引入其它检查点来检查制程中可能产生缺陷的一个中间环节。 在制程开发过程中，可能每一片晶圆在每一个站点都被检查，所使用的技术和方法能够确保发现所有缺陷类型。一些缺陷在开发阶段即可被消除；另一些将被确认为需要在生产中密切关注的类型。在准备工艺运行和量产时，可以对检查系统进行调整，使其有选择地捕获关键缺陷。在工艺运行和量产期间，并非对每个晶圆进行抽样，而是制订一个抽样计划，该计划将考虑检查系统对关键缺陷类型的捕获率。具有较低捕获率需求的检查系统在每一批次中抽样更多晶圆。 明暗场图形晶圆检查系统 当晶圆产品在生产流程中，明暗场图形晶圆检查系统使用光对其表面缺陷进行检查。这些工具会检查图形中的缺陷以及如微粒等附着缺陷。使用明场还是暗场系统主要取决于对被检查层表面的关键缺陷的捕获率及工具的所有成本（产能）的平衡考虑。在很多情况下，暗场系统有更高的产能，而宽带明场系统有更好的灵敏度，能够感测到更广泛的缺陷类型——虽然也有例外。多数晶圆厂使用明场和暗场结合的检查系统，以确保发现所有层中的全部关键缺陷，并实施最有效力和效率的抽样策略。 近年来，被半导体行业称作明场和暗场检查系统之间的区别已经变得比较模糊。如今的明场系统通常具备暗场操作模式，这基本上是通过采用特殊的专业光圈实现。另一方面，某些暗场系统也通过增加新的采集器或探测器引入了明场模式。但是，在光学显微领域，术语明场和暗场在最初有着其清晰的含义。明场系统（或子系统）利用反射束（以与入射角相同的反射角度从基底反射的光束）构造其图像。暗场系统（或子系统）利用反射束之外的散射光构造其图像。研究用显微镜往往均包括这两种模式，这是由于某些样本在明场模式下有更好的对比度，而另一些样本则在暗场模式下更为清晰。同样，在缺陷检测中：明场可以帮助更好地捕获特定层上的某些缺陷类型，而暗场则能够帮助更好地捕获其它层上的其它缺陷类型。 在设计中有关光学检查技术的另一个重要的考虑是宽带和窄带光源的比较。宽带系统使用一个非常高光强度的灯提供一系列波长，而窄带系统则使用激光来产生单独一个波长。宽带设计的优势在于灵活性和对非关键缺陷的抑制。在明场系统（图 2）中，微粒缺陷类型和各层的对比度（或信噪比）在很大程度在取决于使用波长的不同。2 基于激光的单波长明场系统可能会得益于高光强，但仅限于有限的应用。绝大多数制造商使用宽带明场系统，以便更加灵活地捕获特定层的缺陷类型，并能够随着制程变化更改检查点。 但是，对于暗场技术，激光源比宽带有更大优势。由于暗场系统依赖反射束之外的散射光，激光源提供的更高强度对于在高速下捕捉强缺陷信号至关重要。此外，结合入射余角设计（见下段）时，暗场系统比明场系统更多地依赖外形特征而非材质对比来捕获缺陷。因此，暗场系统不需要在明场系统中具有优势的波长灵活性。 在光学晶圆检查技术中另一个重要因素是入射角。调整光射到缺陷上的角度将显著影响缺陷与其周围的对比。暗场系统经常使用入射余角以提高对多种类型缺陷的捕获率。入射余角还会极大地缩短光穿透表面的距离，使系统能够将表面下缺陷排除在其捕获的缺陷群之外。排除表面下的缺陷将为缺陷工程师识别缺陷源提供有力帮助。 目前，领先的晶圆代工厂大多使用宽带明场晶圆检查系统和窄带（基于激光的）暗场系统。最新的宽带明场系统也具备暗场模式（借助专业光圈实现）和相衬模式（使用光的相位作为另一个对比机制）。先进的暗场检查仪同时具备入射余角和常规（垂直）照明模式，并可包括一个明场通道。“明场”和“暗场”系统之间的平衡（二者区别已经变得非常模糊，故使用引号）以及对特定检查点或检查层使用哪个系统逐渐取决于主要的关键缺陷类型、芯片技术和芯片厂商的良率管理策略。近期已在其它地方公布了一项确定检查技术最佳组合的新方法。 随着集成电路的关键尺寸变得越来越小，关键缺陷的尺寸也相应缩小。探测灵敏度因不同的光源强度和波长以及探测仪的像素大小而异。为了探测到影响良率的最小缺陷，光学晶圆检查系统已经向着更高灵敏度、更小像素和更短波长发展。宽带光源现在包含可见光、紫外光 (UV) 和深紫外光 (DUV) 波长，而激光源也在向着这一方向发展。图像处理速度的提高将弥补因使用更小像素而减少的产能。 电子束晶圆检查系统 最初引入电子束 (e-beam) 检查系统是因为预期将来光学检查系统可能无法再检测到最小的关键缺陷。的确，即使是低能量电子的波长也比 DUV 光子的波长短许多倍，电子束系统能够检测到光学检查系统无法探测到的微小缺陷。但是，实际情况却比简单的缩短波长而获得灵敏度更加复杂：电子和光子是完全不同的类别。 如上所述，光的波长变化对缺陷及其周围的材质与外形有着不同影响，从而形成不同的光学对比和捕获率（见图2）。与之相似，电子与缺陷及其周围的材质和外形的相互作用也与光子不同。因此，对于相同缺陷，光学检查系统与电子束系统检测到的对比也有显著区别。材质的电子特性不同于其光学特性。电子束的穿透深度也要远远小于光子束。因此，电子束检查系统会检测到光学系统漏掉的一些缺陷类型，同时也会漏掉一些光学系统能够捕获的缺陷类型。电子束检查系统的速度也慢于光学检查仪，因此，只有当明场和暗场光学检查系统无法检测到关键缺陷时（通常发生在制程开发或故障分析期间），才会使用物理缺陷探测模式（电子束检查领域的专用术语）。 电子束检查系统的独特价值在用于电压对比 (VC) 模式时可以得到体现。在 VC 模式下，使用电子束检查仪作为一个线内电子缺陷探测系统，其利用的工作原理是，在检查期间，断路或不完全蚀刻通孔会比接地结构积累越来越多的更高电荷，而造成多余材料的图形缺陷会引起短路，与没有缺陷的相邻单元相比，短路会更高效率地消耗电荷。4这种电位差会形成一个系统可以轻易探测到的信号。因此，VC 模式允许使用比物理缺陷检查模式大得多的检查像素，且由于其速度更快，并具备探测隐藏电路缺陷的独特能力，所以电子束检查已被所有领先的晶圆厂应用于实际生产。 最新的电子束检查系统提供广泛的电子束条件（轰击能量和电子束电流等）和偏压，以及使用电子流对晶圆表面进行预处理的能力。这些特性确保了系统能够涵盖广泛的层和缺陷类型，包括前端泄漏、错位、细微的通孔蚀刻变形、后段高纵横比蚀刻和金属喷镀缺陷。 边缘检查系统 工艺规范很早就认可了边缘排除区。在边缘排除区中，不必实施一致性规范，且无需保证工艺性能。侵入排除区的印模也不要求发挥作用。最近，工程师们已经开始认识到，排除区内的缺陷会对内部印模造成影响。 从平面到晶圆斜面和顶点区的过渡部分会形成一个薄膜容易脱层的高应力区。在制程整合期间，这些区域的界面应力会使薄膜与基层间的附着性变差。晶圆处理机器人和其它机械接触可能会损伤覆盖边缘斜面的薄膜，形成颗粒。热工艺循环和污染源也会降低薄膜的附着性，造成边缘气泡。如果这些气泡在处理过程中破碎，将产生更多颗粒。湿法加工会侵蚀边缘薄膜，引起脱层，并产生更多颗粒。尤其是浸没式光刻，会沿晶圆表面高速拖曳出一个液体泡，从而在晶圆边缘形成明显的律波。由于以上所有原因形成的颗粒均会污染设备表面，或转移到光刻工具的外露面。一项对十家晶圆厂的基准研究表明，靠近边缘区域的良率比中心区域的小 50%（图 3）。5 半数以上靠近边缘区域的良率损失是由缺陷而非参数变化造成的。 边缘区域包括 3mm 宽的边缘排除区，缺陷会出现在晶圆的顶面、顶斜面、斜面顶点、底斜面或底面。由于景深要求超出了传统的明场和暗场检查系统的范围，因此边缘检查需要专用系统。 边缘检查工具的检查方法是在晶圆的边缘之上从顶面到底面对极化激光束进行追踪。探测器同时捕获散射光和反射光，并测量散射强度、极化、光束偏转和相衬。四个最终成像各自反映不同的信息。反射光和相通道对诸如脱层、剥落和残余等薄膜缺陷源最为敏感。散射光通道则对微粒源、破损和裂缝等最为敏感。这些图像结合在一起，就会展现晶圆边缘的完整视图。使用缺陷分析工具，工艺师能够关联边缘缺陷和良率或内部印模上发现的缺陷问题。 无图形晶圆检查系统 制造商使用无图形晶圆检查工具以达到几个目的：检查进来的原坯晶圆是否有表面质量问题和微粒；审批新的工艺设备或刚刚完成例行保养的设备；以及通过检查覆膜晶圆监控工艺设备，查找是否有微粒及其它缺陷。无图形晶圆检查系统还被晶圆制造商广泛应用于制造原硅、外延硅、绝缘硅片 (SOI) 和其它先进基底的各种工艺当中。 现今的无图形检查系统使用带有椭圆光点的一条激光束扫过螺旋形旋转的晶圆表面。跨越大立体角的分段光学采集器采集由晶圆表面多种不规则体散射的光。这些不规则体包括局部缺陷、模糊的划痕、宽的浅残留、颗粒尺寸偏差和覆膜厚度变化。这些缺陷被展现在两幅图中：局部缺陷展现在光点缺陷 (LPD) 图中，表面质量信息展现在背景散射图中。这两幅图同时源于相同的缺陷信号：LPD 源于强度超过用户定义阈值的事件，而背景散射图则源于背景信号。这些工具主要依赖于暗场光学采集器。但是，与成形晶圆检查系统类似，它们最近也引入了一个明场通道，以捕获更多缺陷类型。 最新的系统有两项重大进步。首先是通过比较不同采集器中的信号来区分晶体缺陷和裸晶圆上的掉落缺陷。这是一项重要进步，因为只存在掉落缺陷的晶圆才能被清洗和重新打磨，而晶体中存在的缺陷会干扰门的形成，所以有此类缺陷的晶圆只能被丢弃。 第二个关键进步存在于背景散射图中。最新的系统能够在一分钟内以 sub-A分辨率绘出整个晶圆的表面质量，形成一幅可使用统计工艺控制实施监测的高分辨率的定量表面质量图（图4）。这些表面变化可能缘于进来的晶圆质量、因工艺原因形成的不规则形状或加工工具或搬运造成的表面破损。 复查和分类 检查系统探测到缺陷并对其简单分类后，一个通常包括 50 到 100 个缺陷的关键缺陷样本集被发送到复查系统进行重新检测和分类。到 0.25祄 节点以下，芯片业就无法再使用光学显微镜完成这项工作。自此，晶圆厂一般开始使用扫描电子显微镜 (SEM) 成像系统进行复查和分类。如今，随着领先的制造商开始攻关 45nm 节点工艺，对更高分辨率的需求正在促成缺陷复查和分类领域的另一个转折点。最新的 SEM 复查系统已被完全重新设计，使用了类似于高端 CD SEM 系统中使用的“浸没式”光采集器。在新的设计中，一个强电磁场笼罩晶圆的一个局部区域，非常类似于在浸没式光刻中水浸没晶圆的一个局部区域。浸没式设计提高了 SEM 的分辨率，以满足 45nm 节点及更精密级的复查要求。 另一个在 45nm 节点上凸现的问题是，缺陷工程师发现，在他们的缺陷分类柱状图中，最大的类别之一是 SEM 不可见 (SNV)，也称作未发现 (NF)（图 5）。SNV 或 NF 类别包含大量检查工具已发现，但 SEM 复查系统未能再次发现并分类的缺陷。缺陷分类柱状图中存在大量的 SNV，它们会干扰缺陷或良率工程师对关键缺陷进行监控的能力。 最新的缺陷复查和分类系统能够呈量级降低 SNV 的数量，从而获得更好的缺陷分类柱状图。为实现这一点：(1) 系统使用了“浸没式”技术以提高分辨率；(2) 系统配备了高精度平台、一个光学子系统和先进的缺陷偏斜消除算法，使该工具具备了更出色的微小及模糊缺陷的再检测能力；(3) 连接到检查系统，以便其光学检测图像可被用于区分前层缺陷和假缺陷；并且 (4) 将检查程序的调谐转移至 SEM 复查系统中。当检查仪的程序在 SEM 复查工具上优化时，将获得更高分辨率的图像来分类缺陷。此外，采用这一策略，晶圆不必在系统间频繁转移，便于将空闲的检查工具用于其它检查工作。该方法的效率使全面优化程序成为可行之举——在当今时间紧迫的制造商那里，很难有时间实施此类优化。通过使用新的复查系统来帮助优化检查系统的程序，非关键缺陷的比例将大大降低（图 6）。 新的复查系统能够显著降低 SNV 的比例。借助一个能够更准确反映晶圆上关键缺陷数量的帕雷托图分析，良率和缺陷工程师能够更加轻松和迅速地采取行动，以解决重要缺陷问题，并确保其良率。 新特性：基于设计的检查 在工艺开发阶段，当检查灵敏度被设置为最大值，以确保捕获所有类型的缺陷。此时，每个晶圆上大约能捕获 105 甚至 106 个缺陷。但是，复查抽样常常被限制在每个晶圆 50 至 100 个缺陷。为此已开发并公布了一项新的技术，5 可以帮助提高复查样本中关键缺陷的呈现。通过关联 GDSII 片断（设计布局）信息与各缺陷，并考虑诸如大小和亮度等缺陷属性，可将缺陷关键性指数 (DCI) 分配到各缺陷（图 7）。指数接近 0 的缺陷，例如在稀疏背景中的小缺陷，通常不会影响良率，而指数接近 1.0 的缺陷，例如在复杂背景图形中的大缺陷，则更有可能影响良率。先期工作显示，只将具有高 DCI 值的缺陷发送给 SEM 进行复查和分类会将复查样本中的关键缺陷指数提高五倍。 总结 尽管 45nm 节点的技术创新带来了新的缺陷挑战，但检查技术和方法的进步将在确保高良率的同时加快量产步伐。其中，最关键的技术进步包括新的专用边缘检查系统；在无图形晶圆上的高速、全晶圆表面质量扫描；能够改善检查程序并降低 SNV 比例的更高分辨率 SEM 复查与分类系统；以及使用设计布局信息帮助提高 SEM 复查样本的关键缺陷指数。 参考资料 1. 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文章内容仅供参考 (投稿) (6/23/2008)