半導(dǎo)體加工正處于關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。

隨著芯片行業(yè)向前端的納米片晶體管和后端的異質(zhì)集成過渡，半導(dǎo)體晶圓廠正在采取“全員參與”的方法來解決嚴(yán)峻的計量和良率管理挑戰(zhàn)，結(jié)合工具、工藝和其他技術(shù)。

光學(xué)和電子束工具正在擴(kuò)展，同時根據(jù)具體情況添加 X 射線檢測。對于納米片晶體管制造和深溝計量等新工藝，拉曼光譜、SIMS 和質(zhì)量計量等替代方法正在發(fā)揮作用。

拐點

半導(dǎo)體加工正處于幾個關(guān)鍵的拐點之中——向EUV的過渡和最終的高 NA EUV 圖案化、使用 3D 結(jié)構(gòu)進(jìn)行高密度存儲、納米片晶體管和異質(zhì)集成。

“所有這些變化都在計量層面帶來了一些相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。首先，尺寸要小得多，因此我們需要靈敏度和精度更高的計量學(xué)，”Lam Research 計算產(chǎn)品公司副總裁 David Fried 說。“其次，越來越多的具有隱藏結(jié)構(gòu)的高縱橫比設(shè)計為偏移和風(fēng)險創(chuàng)造了更多機(jī)會。”

根據(jù) Fried 的說法，對混合計量學(xué)的需求越來越大，將不同的技術(shù)結(jié)合在一起，以了解在過程和設(shè)備級別發(fā)生的事情。建模和虛擬制造也將在缺陷和尺寸計量中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

其他人同意。“關(guān)鍵是尺寸計量，我們真正關(guān)注的是復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)，”Nova的首席技術(shù)官 Shay Wolfling 說。“它始于 3D NAND。現(xiàn)在，在納米片 FET 中，客戶真正感興趣的是控制每個單獨的納米片，例如，三個納米片。如果你看一下路線圖，它會涉及到更多的納米片，最終是 CFET，所以它只會變得更具挑戰(zhàn)性。”

Gate-all-around 晶體管

GAA 晶體管，也稱為納米片 FET，被領(lǐng)先的芯片制造商用于 3nm（三星）和 2nm（臺積電和英特爾）節(jié)點，接觸柵極間距擴(kuò)展到 40nm，金屬間距降至 30nm 以下。將這些先進(jìn)的 3D 結(jié)構(gòu)從研發(fā)引入制造需要快速、非破壞性的測量方法，具有快速的學(xué)習(xí)周期并且盡可能少地依賴離線技術(shù)。

IBM 最近對納米片晶體管制造的各個步驟和可能的實施計量工具進(jìn)行的分析指出，隨著環(huán)柵晶體管的推出而發(fā)生變化。“納米片技術(shù)可能是一些離線技術(shù)從實驗室過渡到工廠的時候，因為某些關(guān)鍵測量需要實時監(jiān)控。”

光學(xué)依然強(qiáng)勁

IBM 工程師強(qiáng)調(diào)了測量方法的使用，包括 OCD（散射測量法）、CD-SEM、AFM、Raman、XRD 和 XRF（X 射線衍射和熒光）以及 VC-SEM（電壓對比 SEM）。OCD 和 CD-SEM 都廣泛應(yīng)用于整個半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，這一趨勢有望繼續(xù)下去。也許可以結(jié)合使用散射測量法和自上而下的 CD-SEM 來測量翅片寬度，但該研究強(qiáng)調(diào)，需要做更多的工作來表征納米片和翅片結(jié)構(gòu)。計量學(xué)中的不同隨機(jī)效應(yīng)，包括線粗糙度、局部 CD 變化、邊緣位置和重疊誤差以及缺失或橋接特征，會顯著影響產(chǎn)量和設(shè)備性能。

基于光學(xué)的方法提供了最快的在線檢測和計量方法。光學(xué) CD 測量（OCD，又名散射測量）不是薄膜厚度的直接測量，需要建模和參考方法才能與實際值相關(guān)聯(lián)。OCD 測量通常發(fā)生在位于晶圓劃線處的光柵目標(biāo)上。KLA、Applied Materials、Onto Innovation 和 Nova 提供領(lǐng)先的 OCD 解決方案。

Onto Innovation 的光學(xué)解決方案將光譜反射儀和橢圓偏振儀與基于人工智能的引擎 AI-Diffract 相結(jié)合，以分析納米片晶體管中的不同層。這種方法旨在提供優(yōu)于傳統(tǒng) OCD 系統(tǒng)的層對比度。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)在強(qiáng)迫癥維度分析中發(fā)揮著越來越重要的作用，建立在長期使用的強(qiáng)迫癥物理模型之上。

Nova 有自己的 OCD 風(fēng)格，即垂直移動散射測量法，它結(jié)合了散射測量法的反射率數(shù)據(jù)和光的相位。當(dāng)在多個波長上執(zhí)行此操作時，會產(chǎn)生垂直移動散射測量法。正如 Wolfling 解釋的那樣，VTS 算法允許過濾光譜信息，忽略底層對厚度的影響。例如，可以測量 metal1 CMP 中細(xì)微的金屬線高度差異，而無需測量下面的晶體管層。

質(zhì)量計量

質(zhì)量計量是一種非破壞性方法，可以在傳統(tǒng)計量不足的應(yīng)用中對高縱橫比溝槽進(jìn)行量化。“在一些先進(jìn)的存儲器、DRAM 和 NAND 中，有趣的是你在晶圓上蝕刻了數(shù)萬億個，”Fried 說。“你在這些蝕刻中去除的質(zhì)量非常重要，這就是質(zhì)量計量學(xué)如此有效的原因。”

這是正在評估的納米片工藝技術(shù)之一（見圖 1）。第二個例子著眼于測量溝槽尺寸的質(zhì)量計量。

據(jù)Infineon的工程師稱，OCD 有效地測量溝槽深度，CD-SEM 測量頂部 CD，但事實證明直接測量底部 CD 很困難。[3] 他們使用 Lam Research 的 OCD、CD-SEM 和 Metryx 質(zhì)量計量來確定蝕刻前后 42μm 深溝槽（6.75μm 間距）中的溝槽底部寬度。該研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失和散射測量的底部 CD 之間存在線性關(guān)系。質(zhì)量損失和 CD-SEM 橫截面測量之間也有很好的相關(guān)性。“質(zhì)量損失法能夠監(jiān)測蝕刻過程的穩(wěn)定性，并提供有關(guān)深溝槽幾何形狀的定量信息，”工程師總結(jié)道。

圖 1：質(zhì)量計量檢測到納米片間隔物凹蝕中的異常值。來源：Lam Research X射線檢查

圖 2：X 射線檢查（上）和分析（下）識別由于晶格中的堆垛層錯、螺紋位錯和微管而導(dǎo)致的“死”區(qū)域。來源：布魯克

X 射線檢測提供缺陷分析的一個領(lǐng)域是功率 IC，特別是 GaN-on-SiC 晶圓（見圖 2）。必須檢查 SiC 晶圓是否存在各種類型的缺陷，包括晶格中的微管和螺紋位錯，通常沿著晶圓的基面（基底缺陷）。此類缺陷的尺寸范圍從埃級到數(shù)百納米，并可能導(dǎo)致器件故障或 SiC 晶圓本身報廢。

拉曼光譜在鍺成分測量方面是一個亮點，它可以提供在線 SiGe 應(yīng)變分析，這是晶體管性能的一個重要因素。然而，使用拉曼更難以獲得與深度相關(guān)的濃度讀數(shù)，這可能是 SIMS（二次離子質(zhì)譜）發(fā)揮作用的領(lǐng)域。

SIMS 提供化學(xué)成分信息，使用濺射離子束并測量從晶圓射出的二次離子。輸出被視為晶片上不同點處鍺濃度的深度均勻性（見圖 3）均勻性（見圖 4）。

圖 3：SiGe 層中的鍺深度分布。來源：新星

圖 4：基于 9 點晶圓測量的鍺濃度在線 SIMS。來源：新星

BEOL 計量

“所有檢查和計量的一個重要部分是我們需要在某種程度上為應(yīng)用程序定制系統(tǒng)，”CyberOptics 總裁兼首席執(zhí)行官 Subodh Kulkarni指出. 以高產(chǎn)量制造數(shù)百萬個微凸塊的需求催生了 100% 的檢測方法。“我們需要知道客戶在尋找什么。在一個簡單的例子中，如果它是一個凸點測量，客戶想要檢查 1000 萬個凸點并確保我們給他們所有的異常值——最高的凸點、最短的凸點和平均值、3 西格瑪?shù)取．?dāng)一個有缺陷的凸點是發(fā)現(xiàn)后，他們想知道所有細(xì)節(jié)、物理損壞的類型等，這樣他們就可以進(jìn)行快速故障分析。” CyberOptics 最近推出了更高分辨率的 5 μm MRS 傳感器（xy 分辨率）作為其 7μm 傳感器的升級。

在這些情況下，銅柱凸塊變得非常普遍，基本上是帶有圓形銀錫焊頭的高柱。X 射線衍射和 XRF 提供了另一種質(zhì)量檢查。“我們用 XRF 測量的最重要的東西是合金的厚度和成分。通過測量焊料成分，我們會查看 RDL 和 UBM 薄膜厚度之類的東西——例如凸塊中的銀含量——并尋找 3D 封裝中的空隙或橋接缺陷。一致性是關(guān)鍵——確保 RDL 具有正確的合金成分，”布魯克X 射線部門副總裁兼總經(jīng)理 Paul Ryan 說。

結(jié)論

OCD 和 CD-SEM 方法正在擴(kuò)展以滿足納米片晶體管的需求，但深層結(jié)構(gòu)和隱藏特征的挑戰(zhàn)繼續(xù)挑戰(zhàn)計量方法。隨著芯片制造商在 5 納米和 3 納米節(jié)點上大批量生產(chǎn)，X 射線、拉曼、SIMS 和質(zhì)量計量等替代方案正在開拓各自的利基市場。

審核編輯 ：李倩