檢測(cè)更小、更致命缺陷所面臨的障礙

摘要：與更先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)相伴而生的不利之處在于，隨著器件尺寸的縮小，那些在以前節(jié)點(diǎn)上曾經(jīng)不太重要的缺陷和顆粒可能會(huì)變成器件殺手。

　　與更先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)相伴而生的不利之處在于，隨著器件尺寸的縮小，那些在以前節(jié)點(diǎn)上曾經(jīng)不太重要的缺陷和顆?？赡軙?huì)變成器件殺手。這樣一來(lái)，就要求器件制造商具備更強(qiáng)大的、能夠?qū)υ絹?lái)越小的缺陷和顆粒進(jìn)行檢測(cè)的能力。雖然在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)剛剛起步時(shí)，檢測(cè)能力與尺寸縮小的缺陷之間的賽跑就已經(jīng)開(kāi)始并持續(xù)至今。但是現(xiàn)在及不遠(yuǎn)的將來(lái)，對(duì)3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀表征面臨著巨大障礙和各種基本限制，會(huì)給檢查、測(cè)量和測(cè)試平臺(tái)技術(shù)帶來(lái)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
　　浸沒(méi)式光刻帶來(lái)的困難
　　浸沒(méi)式光刻將加大缺陷檢測(cè)的難度。正如Applied Materials公司工藝診斷和控制部門(mén)的市場(chǎng)策略經(jīng)理Ehud Tzuri所說(shuō)的那樣，發(fā)現(xiàn)缺陷的難度增大“不僅是因?yàn)槌霈F(xiàn)新的缺陷類(lèi)型，還因?yàn)槿毕莸某叽绱笮?。大多?shù)的新缺陷都很大而且通常已被很好地了解，比如與浸沒(méi)式光刻有關(guān)的水泡、水痕等等?！边@些缺陷能夠被控制到與干法光刻相同的程度，因?yàn)橐呀?jīng)知道它們的來(lái)源。
　　然而似是而非的是，由于浸沒(méi)式光刻的分辨率更高，因此出來(lái)尺寸更小的致命 
　　缺陷。晶圓上超過(guò)70％的缺陷都小于50nm。在早期的表征過(guò)程中，許多缺陷會(huì)被以前的設(shè)備漏檢，不是因?yàn)樗鼈儾淮嬖?，?
是因?yàn)檫@些設(shè)備無(wú)法檢測(cè)到它們。這些小的橋接、基腳等極微小的缺陷——曾經(jīng)被忽略或不用確認(rèn)——現(xiàn)在已經(jīng)變得很重要了（圖1）。

　　必須對(duì)這些微小的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。“提高分辨率是最佳的辦法?！盩zuri說(shuō)：“然而，傳統(tǒng)的明場(chǎng)顯微鏡，即便是用DUV光源，也已經(jīng)達(dá)到分辨率的極限了。因此不可能分辨出非常密集的圖形，比如目前小于55nm的NAND閃存圖形?！?Applied Materials公司的解決方案使用結(jié)合深紫外（DUV）和激光照明的3-D采集方法，從而使缺陷檢測(cè)的分辨率能夠達(dá)到1/10波長(zhǎng)的范圍。
　　隨著22nm節(jié)點(diǎn)的接近，光學(xué)檢查將遇到很多問(wèn)題，因此用電子束設(shè)備來(lái)檢測(cè)極微小缺陷的必要性不斷上升。這就要求提高電子束設(shè)備的單位時(shí)間的產(chǎn)量以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要——一個(gè)工程性的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，光學(xué)和電子束方法可能會(huì)被結(jié)合使用。
　　有用的破壞性方法
　　FEI公司納米電子事業(yè)群的產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Larry Dworkin相信，在32和22nm節(jié)點(diǎn)，對(duì)TEM數(shù)據(jù)的需求會(huì)大為增加?！跋到y(tǒng)被用于在整個(gè)晶圓上進(jìn)行FIB輔助的TEM薄層準(zhǔn)備工作，而晶圓的其余部分則能夠被送回生產(chǎn)線(xiàn)。用TEM來(lái)分析這片小的薄層就可以確認(rèn)缺陷的產(chǎn)生根源?！币恍?5和45nm器件制造商已經(jīng)在這樣做，而且將來(lái)還可能需要更多的掃描TEM和TEM圖像，來(lái)研究那些只能通過(guò)電子束檢查或電子探針來(lái)觀察的缺陷（圖2）。

　　在22nm節(jié)點(diǎn)到來(lái)之前，TEM必須從離線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)入fab的線(xiàn)上技術(shù)。短期目標(biāo)是使檢測(cè)周期縮短到2小時(shí)左右，而長(zhǎng)期目標(biāo)則是必須具有移動(dòng)性。在應(yīng)變硅領(lǐng)域需要考慮的重要因素是，當(dāng)晶圓被切開(kāi)時(shí)，樣品內(nèi)的應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化。這就要求采用新的TEM樣品準(zhǔn)備技術(shù)以防止薄層的變形。
　　在通往22nm節(jié)點(diǎn)的道路上，缺陷檢測(cè)問(wèn)題的嚴(yán)重程度將主要取決于我們是否使用目前的晶體管設(shè)計(jì)——盡管變得更小——在這種情況下會(huì)更多地用到TEM；標(biāo)準(zhǔn)的截面SEM和基本的自頂至底的CD-SEM無(wú)法測(cè)量或量化那些必須被觀察的缺陷。取而代之的是finFET等3D結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的SEM和自頂至底CD-SEM技術(shù)不足以測(cè)量這些結(jié)構(gòu)，因此非破壞性的測(cè)量技術(shù)成為必須。
　　一個(gè)明顯的選擇是散射測(cè)量。但問(wèn)題在于它是否能夠處理尺寸微小的、復(fù)雜度高的finFET結(jié)構(gòu)，以及是否需要進(jìn)行截面測(cè)量來(lái)幫助建立和驗(yàn)證散射測(cè)量的模型，或者是否最終需要這種技術(shù)來(lái)驗(yàn)證在線(xiàn)測(cè)量的結(jié)果。如果需要散射測(cè)量來(lái)全面了解finFET結(jié)構(gòu)在22nm節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生什么，某些形式的截面測(cè)量可能是不可避免的。
　　分辨率和材料
　　設(shè)計(jì)規(guī)則的縮小推動(dòng)了分辨率的提高。測(cè)量設(shè)備必須提供更高的分辨率來(lái)測(cè)量尺寸等于或小于設(shè)計(jì)規(guī)則的缺陷，特別是對(duì)邏輯電路而言。KLA-Tencor公司晶圓檢查事業(yè)群的副總裁Mike Kirk相信，這不但會(huì)推動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)及其保真度的提升，還會(huì)提高圖像計(jì)算的要求，因?yàn)楸仨毺幚砀〉男畔⑾袼?。他說(shuō)：“從0.25mm節(jié)點(diǎn)到現(xiàn)在，像素的尺寸大約縮小了3倍?！?br />　　根據(jù)Kirk所說(shuō)，向更高分辨率發(fā)展的速度很慢，因?yàn)槿绻捎?0nm的像素，測(cè)量設(shè)備的操作會(huì)變得很慢和很貴。他說(shuō)：“正如掃描式光刻機(jī)的開(kāi)發(fā)者關(guān)注k因子一樣，我們也有一個(gè)類(lèi)似的因子，稱(chēng)之為缺陷與像素的比率。通過(guò)在像素尺寸給定的條件下找到尺寸不斷變小的缺陷，我們不斷地嘗試著提高這個(gè)比率。為了獲得更多的信息，我們必須縮小像素。這意味著更好的處理過(guò)程、更好的算法和對(duì)于給定像素的分辨率更高的光學(xué)系統(tǒng)——更高的數(shù)值孔徑?！?br />　　另一個(gè)涉及到的問(wèn)題與新材料有關(guān)。確定一個(gè)缺陷的物理起因以及其光學(xué)或電學(xué)圖像是很復(fù)雜的。由于存在近場(chǎng)干涉效應(yīng)，電介質(zhì)也或多或少會(huì)吸收一些光，而且測(cè)量設(shè)備不能被設(shè)計(jì)成只針對(duì)具有特定厚度、n和k值的給定層（因?yàn)橛脩?hù)需要改變測(cè)量要求以針對(duì)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的器件或稍有不同的器件），因此要求不同的光學(xué)性質(zhì)。光學(xué)系統(tǒng)的照明和檢測(cè)方案都必須具有足夠的靈活性，以應(yīng)對(duì)可能會(huì)被采用的不同結(jié)構(gòu)或材料。
　　在開(kāi)發(fā)階段，計(jì)量供應(yīng)商必須與fab緊密合作。器件制造商不會(huì)只因?yàn)槟撤N材料具有所需的電學(xué)性質(zhì)或熱管理預(yù)算就決定使用它；他們還想知道它能否被檢查、測(cè)量和控制。他們?cè)诠に囬_(kāi)發(fā)的早期就做好相關(guān)的決定，然后請(qǐng)計(jì)量供應(yīng)商為先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)規(guī)則提供設(shè)備來(lái)幫助他們選擇。Kirk 說(shuō)：“問(wèn)題在于他們可能會(huì)先選擇六種不同的設(shè)備，而后來(lái)卻決定只用一種，因此我們必須幫助提供所有的六種設(shè)備，并且需要在合適的時(shí)間擁有合適的測(cè)試平臺(tái)?！边@意味著在很早的階段就應(yīng)該為fab進(jìn)行復(fù)雜的缺陷和器件建模，以保證設(shè)備具有合適的數(shù)值孔徑、照明、波長(zhǎng)、角度和采集幾何結(jié)構(gòu)。
　　粗糙度問(wèn)題
　　亞22nm節(jié)點(diǎn)的缺陷檢測(cè)和噪聲抑制 
　　是有待解決的棘手問(wèn)題。在制作柵極線(xiàn)條時(shí)，圖形轉(zhuǎn)移一般都是不完美的，而且器件的邊緣都會(huì)存在一些粗糙度。芯片與芯片之間（die-to
-die）或晶體管與晶體管之間不可能是完全均勻的。Kirk說(shuō)：“設(shè)備將它（非均勻性造成的局部漲落）當(dāng)作缺陷，而用戶(hù)在其尺寸大到足以引起麻煩之前不希望它被標(biāo)記出來(lái)?！眴?wèn)題是沒(méi)有人能夠先驗(yàn)地知道這個(gè)尺寸將是多大。在線(xiàn)邊緣粗糙度的范疇內(nèi)，可能會(huì)在溝槽底部找到一個(gè)小的基腳。這個(gè)從線(xiàn)條內(nèi)伸出的小突刺會(huì)導(dǎo)致短接或泄漏；因此，必須采集來(lái)自尺寸小于20或15nm的特征結(jié)構(gòu)的信號(hào)，而這些信號(hào)被掩藏在LER背底噪聲的海洋內(nèi)。
　　掩膜版設(shè)計(jì)也會(huì)引起系統(tǒng)缺陷。在給定的工藝窗口下，某一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)可能會(huì)在整個(gè)芯片內(nèi)重復(fù)數(shù)次，而針對(duì)它的稍微強(qiáng)烈的光學(xué)臨近修正（OPC）偶爾會(huì)失效。如果出現(xiàn)這種情況，F(xiàn)ab工程師必須知道并追蹤到它的設(shè)計(jì)。他還想知道系統(tǒng)失效的來(lái)源，比如是不是刻蝕腔。可能存在使晶圓內(nèi)的刻蝕不均勻的特殊邊界條件和設(shè)置范圍。系統(tǒng)缺陷被指出來(lái)，并確定它們是來(lái)源于掩膜版還是工藝設(shè)備；與此同時(shí)還必須找出隨機(jī)缺陷，而那些無(wú)關(guān)緊要的缺陷被忽略掉。
　　Rudolph Technologies公司檢查事業(yè)部的市場(chǎng)主管Rajiv Roy說(shuō)：“在0.25mm節(jié)點(diǎn)，我們可以結(jié)合使用微觀檢查設(shè)備和一些宏觀檢查平臺(tái)來(lái)解決缺陷檢測(cè)和再檢查問(wèn)題。而在45和22nm節(jié)點(diǎn)，那些設(shè)備被用于檢測(cè)32nm的關(guān)鍵缺陷。我們必須從微觀檢測(cè)的觀點(diǎn)來(lái)考慮發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵缺陷的擁有成本以獲得最高的投資回報(bào)率?！?br />　　這簡(jiǎn)化了微觀檢查的基本原理。目前，從微觀缺陷中過(guò)濾出宏觀缺陷變得十分有用。宏觀檢查的成本已經(jīng)足夠低，但還需要進(jìn)行再檢查，這要求人們對(duì)缺陷進(jìn)行觀察并判斷其重要性。現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像捕捉，再加上功能強(qiáng)大的判定設(shè)備，手工再檢查可能會(huì)被淘汰。技術(shù)的發(fā)展使得高速、全自動(dòng)的宏觀檢查和再檢查得以實(shí)現(xiàn)（圖3）。       

                  
　　Rudolph公司數(shù)據(jù)分析和再檢查事業(yè)部的副總裁兼總經(jīng)理Mike Plisinski指出，如何有效地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息仍在探索中。“我們現(xiàn)有的技術(shù)能夠減少目前fab生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為可用的信息?！彼f(shuō)：“市面上總是有空間信號(hào)分析系統(tǒng)在出售，但是象ADC系統(tǒng)一樣，它們從來(lái)都不能提供合適的性能和易用性來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求。目前已經(jīng)有些算法能夠做到這點(diǎn)。我們已經(jīng)成功地將用戶(hù)必須再檢查的數(shù)據(jù)量減少了20-30%?！?br />　　LER和線(xiàn)寬粗糙度（LWR）的重要性與日俱增，這就是為什么需要自動(dòng)化程度更高的分類(lèi)引擎的原因?？梢杂媚?shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）引擎來(lái)判斷捕獲的缺陷并將它歸類(lèi)；如果它屬于已知的缺陷類(lèi)型，那么用戶(hù)就知道引起問(wèn)題的原因；如果是未知的類(lèi)型，用戶(hù)至少知道有一個(gè)圖形的形式需要檢查。如果沒(méi)有全自動(dòng)系統(tǒng)，就必須進(jìn)行手動(dòng)再檢查，這會(huì)很耗時(shí)，而且成品率的提升不會(huì)太快。
　　傳統(tǒng)上，SEM不太專(zhuān)注于ADC。針對(duì)SEM的ADC是存在的，但它直到最近才變得比較普遍。這意味著需要維持多ADC系統(tǒng)，這可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。需要采用專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化分析過(guò)程。
　　套刻精度和掩膜版
　　套刻精度已經(jīng)成為越來(lái)越嚴(yán)重的測(cè)量挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)在基于光學(xué)的測(cè)量方法已經(jīng)接近其極限。Hermes Microvision公司的執(zhí)行副總裁Jack Jau說(shuō)：“這不是一個(gè)工程開(kāi)發(fā)的問(wèn)題。擴(kuò)展現(xiàn)有的測(cè)量方法似乎很困難，所以SEM等創(chuàng)新方法的使用就變得很有必要，需要進(jìn)行深入的研發(fā)?！?br />　　當(dāng)尺寸變小時(shí)，令人討厭的缺陷將變得具有破壞性，Jau同意這個(gè)觀點(diǎn)?！皥D形錯(cuò)誤或系統(tǒng)缺陷會(huì)導(dǎo)致不合適的OPC或工藝窗口縮小等問(wèn)題，從而正在成為主要的成品率殺手。DFM號(hào)稱(chēng)能夠解決這個(gè)問(wèn)題；然而，它需要傳感器來(lái)觀察這個(gè)問(wèn)題并反饋到設(shè)計(jì)端?！彼f(shuō)：“采用有效的計(jì)量或檢查設(shè)備作為傳感器已 經(jīng)變得必不可少?！?br />　　掩膜版缺陷是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儠?huì)被復(fù)制?！熬A上的一個(gè)缺陷可能會(huì)使一塊芯片失效?！盫eeco Instruments公司的高級(jí)應(yīng)用工程師Ingo Schmitz說(shuō)：“但是如果在掩膜版上有一個(gè)致命的缺陷，它能使占1/4晶圓面積的整個(gè)閃存區(qū)域失效，而且根據(jù)程度的不同，它甚至可能會(huì)毀掉整個(gè)晶圓。”
　　已經(jīng)出現(xiàn)的掩膜版修復(fù)方法有兩種。一種是聚焦離子束（FIB）技術(shù)，另一種利用原子力顯微鏡（AFM）。后者類(lèi)似于AFM設(shè)備，用刀片狀的針尖磨掉多余的材料，比如多余的鉻，來(lái)修復(fù)掩膜版。這就需要知道掩膜版上的缺陷是突出的缺陷還是針孔。而光學(xué)技術(shù)就很難對(duì)它們進(jìn)行表征。
　　使用基于束的修復(fù)方法——基本上是離子束研磨或淀積——必須首先知道缺陷的體積以計(jì)算淀積、刻蝕或研磨步驟所需的離子劑量。掩膜版制造廠先對(duì)缺陷進(jìn)行定位，然后用AFM來(lái)分類(lèi)和表征它們的幾何結(jié)構(gòu)和體積。而修復(fù)所需的劑量取決于形態(tài)測(cè)量的結(jié)果。
　　現(xiàn)在，尺寸為15到20nm的顆粒已經(jīng)開(kāi)始引起關(guān)注。AFM應(yīng)該對(duì)這樣小的顆粒有足夠的敏感度，而且可能還需要具備足夠的技術(shù)能力來(lái)檢測(cè)小到5-10nm的顆粒。
　　如果缺陷本質(zhì)上是光學(xué)性的
，比如水印，AFM技術(shù)就會(huì)受到挑戰(zhàn)，因?yàn)樗褂玫募夹g(shù)與步進(jìn)式光刻機(jī)不同。水印或沾污會(huì)導(dǎo)致印制錯(cuò)誤，而對(duì)形貌變化敏感的AFM卻可能無(wú)法探測(cè)到它們。
　　SEM也無(wú)法避免與形貌有關(guān)的問(wèn)題。當(dāng)使用SEM來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行表征時(shí)，SEM引起的沖壓會(huì)使反應(yīng)腔的內(nèi)容物脫落到掩膜版上，從而帶來(lái)二次損害，比如缺陷（如圖4所示）。

　　為了使計(jì)量能夠不斷地提供所需的缺陷檢測(cè)平臺(tái)，必須填補(bǔ)設(shè)計(jì)與制造之間的空白。隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜度的上升，系統(tǒng)缺陷也在增多。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷，將它們和隨機(jī)缺陷區(qū)分開(kāi)來(lái)以消除前者的產(chǎn)生根源，會(huì)變得非常困難。