检测更小、更致命缺陷所面临的障碍

摘要：与更先进技术节点相伴而生的不利之处在于，随着器件尺寸的缩小，那些在以前节点上曾经不太重要的缺陷和颗粒可能会变成器件杀手。

　　与更先进技术节点相伴而生的不利之处在于，随着器件尺寸的缩小，那些在以前节点上曾经不太重要的缺陷和颗粒可能会变成器件杀手。这样一来，就要求器件制造商具备更强大的、能够对越来越小的缺陷和颗粒进行检测的能力。虽然在半导体产业刚刚起步时，检测能力与尺寸缩小的缺陷之间的赛跑就已经开始并持续至今。但是现在及不远的将来，对3D结构进行形状表征面临着巨大障碍和各种基本限制，会给检查、测量和测试平台技术带来严重的挑战。
　　浸没式光刻带来的困难
　　浸没式光刻将加大缺陷检测的难度。正如Applied Materials公司工艺诊断和控制部门的市场策略经理Ehud Tzuri所说的那样，发现缺陷的难度增大“不仅是因为出现新的缺陷类型，还因为缺陷的尺寸大小。大多数的新缺陷都很大而且通常已被很好地了解，比如与浸没式光刻有关的水泡、水痕等等。”这些缺陷能够被控制到与干法光刻相同的程度，因为已经知道它们的来源。
　　然而似是而非的是，由于浸没式光刻的分辨率更高，因此出来尺寸更小的致命 
　　缺陷。晶圆上超过70％的缺陷都小于50nm。在早期的表征过程中，许多缺陷会被以前的设备漏检，不是因为它们不存在，而
是因为这些设备无法检测到它们。这些小的桥接、基脚等极微小的缺陷——曾经被忽略或不用确认——现在已经变得很重要了（图1）。

　　必须对这些微小的缺陷进行检测。“提高分辨率是最佳的办法。”Tzuri说：“然而，传统的明场显微镜，即便是用DUV光源，也已经达到分辨率的极限了。因此不可能分辨出非常密集的图形，比如目前小于55nm的NAND闪存图形。” Applied Materials公司的解决方案使用结合深紫外（DUV）和激光照明的3-D采集方法，从而使缺陷检测的分辨率能够达到1/10波长的范围。
　　随着22nm节点的接近，光学检查将遇到很多问题，因此用电子束设备来检测极微小缺陷的必要性不断上升。这就要求提高电子束设备的单位时间的产量以适应大规模生产的需要——一个工程性的挑战。当然，光学和电子束方法可能会被结合使用。
　　有用的破坏性方法
　　FEI公司纳米电子事业群的产品市场经理Larry Dworkin相信，在32和22nm节点，对TEM数据的需求会大为增加。“系统被用于在整个晶圆上进行FIB辅助的TEM薄层准备工作，而晶圆的其余部分则能够被送回生产线。用TEM来分析这片小的薄层就可以确认缺陷的产生根源。”一些65和45nm器件制造商已经在这样做，而且将来还可能需要更多的扫描TEM和TEM图像，来研究那些只能通过电子束检查或电子探针来观察的缺陷（图2）。

　　在22nm节点到来之前，TEM必须从离线的实验室技术转变为进入fab的线上技术。短期目标是使检测周期缩短到2小时左右，而长期目标则是必须具有移动性。在应变硅领域需要考虑的重要因素是，当晶圆被切开时，样品内的应力会发生变化。这就要求采用新的TEM样品准备技术以防止薄层的变形。
　　在通往22nm节点的道路上，缺陷检测问题的严重程度将主要取决于我们是否使用目前的晶体管设计——尽管变得更小——在这种情况下会更多地用到TEM；标准的截面SEM和基本的自顶至底的CD-SEM无法测量或量化那些必须被观察的缺陷。取而代之的是finFET等3D结构。然而，传统的SEM和自顶至底CD-SEM技术不足以测量这些结构，因此非破坏性的测量技术成为必须。
　　一个明显的选择是散射测量。但问题在于它是否能够处理尺寸微小的、复杂度高的finFET结构，以及是否需要进行截面测量来帮助建立和验证散射测量的模型，或者是否最终需要这种技术来验证在线测量的结果。如果需要散射测量来全面了解finFET结构在22nm节点会发生什么，某些形式的截面测量可能是不可避免的。
　　分辨率和材料
　　设计规则的缩小推动了分辨率的提高。测量设备必须提供更高的分辨率来测量尺寸等于或小于设计规则的缺陷，特别是对逻辑电路而言。KLA-Tencor公司晶圆检查事业群的副总裁Mike Kirk相信，这不但会推动光学系统及其保真度的提升，还会提高图像计算的要求，因为必须处理更小的信息像素。他说：“从0.25mm节点到现在，像素的尺寸大约缩小了3倍。”
　　根据Kirk所说，向更高分辨率发展的速度很慢，因为如果采用20nm的像素，测量设备的操作会变得很慢和很贵。他说：“正如扫描式光刻机的开发者关注k因子一样，我们也有一个类似的因子，称之为缺陷与像素的比率。通过在像素尺寸给定的条件下找到尺寸不断变小的缺陷，我们不断地尝试着提高这个比率。为了获得更多的信息，我们必须缩小像素。这意味着更好的处理过程、更好的算法和对于给定像素的分辨率更高的光学系统——更高的数值孔径。”
　　另一个涉及到的问题与新材料有关。确定一个缺陷的物理起因以及其光学或电学图像是很复杂的。由于存在近场干涉效应，电介质也或多或少会吸收一些光，而且测量设备不能被设计成只针对具有特定厚度、n和k值的给定层（因为用户需要改变测量要求以针对下一个节点的器件或稍有不同的器件），因此要求不同的光学性质。光学系统的照明和检测方案都必须具有足够的灵活性，以应对可能会被采用的不同结构或材料。
　　在开发阶段，计量供应商必须与fab紧密合作。器件制造商不会只因为某种材料具有所需的电学性质或热管理预算就决定使用它；他们还想知道它能否被检查、测量和控制。他们在工艺开发的早期就做好相关的决定，然后请计量供应商为先进的材料和设计规则提供设备来帮助他们选择。Kirk 说：“问题在于他们可能会先选择六种不同的设备，而后来却决定只用一种，因此我们必须帮助提供所有的六种设备，并且需要在合适的时间拥有合适的测试平台。”这意味着在很早的阶段就应该为fab进行复杂的缺陷和器件建模，以保证设备具有合适的数值孔径、照明、波长、角度和采集几何结构。
　　粗糙度问题
　　亚22nm节点的缺陷检测和噪声抑制 
　　是有待解决的棘手问题。在制作栅极线条时，图形转移一般都是不完美的，而且器件的边缘都会存在一些粗糙度。芯片与芯片之间（die-to
-die）或晶体管与晶体管之间不可能是完全均匀的。Kirk说：“设备将它（非均匀性造成的局部涨落）当作缺陷，而用户在其尺寸大到足以引起麻烦之前不希望它被标记出来。”问题是没有人能够先验地知道这个尺寸将是多大。在线边缘粗糙度的范畴内，可能会在沟槽底部找到一个小的基脚。这个从线条内伸出的小突刺会导致短接或泄漏；因此，必须采集来自尺寸小于20或15nm的特征结构的信号，而这些信号被掩藏在LER背底噪声的海洋内。
　　掩膜版设计也会引起系统缺陷。在给定的工艺窗口下，某一个特定的结构可能会在整个芯片内重复数次，而针对它的稍微强烈的光学临近修正（OPC）偶尔会失效。如果出现这种情况，Fab工程师必须知道并追踪到它的设计。他还想知道系统失效的来源，比如是不是刻蚀腔。可能存在使晶圆内的刻蚀不均匀的特殊边界条件和设置范围。系统缺陷被指出来，并确定它们是来源于掩膜版还是工艺设备；与此同时还必须找出随机缺陷，而那些无关紧要的缺陷被忽略掉。
　　Rudolph Technologies公司检查事业部的市场主管Rajiv Roy说：“在0.25mm节点，我们可以结合使用微观检查设备和一些宏观检查平台来解决缺陷检测和再检查问题。而在45和22nm节点，那些设备被用于检测32nm的关键缺陷。我们必须从微观检测的观点来考虑发现关键缺陷的拥有成本以获得最高的投资回报率。”
　　这简化了微观检查的基本原理。目前，从微观缺陷中过滤出宏观缺陷变得十分有用。宏观检查的成本已经足够低，但还需要进行再检查，这要求人们对缺陷进行观察并判断其重要性。现在，这项技术已经能够进行动态图像捕捉，再加上功能强大的判定设备，手工再检查可能会被淘汰。技术的发展使得高速、全自动的宏观检查和再检查得以实现（图3）。       

                  
　　Rudolph公司数据分析和再检查事业部的副总裁兼总经理Mike Plisinski指出，如何有效地将数据转化为信息仍在探索中。“我们现有的技术能够减少目前fab生产过程中产生的海量数据，并将其转化为可用的信息。”他说：“市面上总是有空间信号分析系统在出售，但是象ADC系统一样，它们从来都不能提供合适的性能和易用性来满足生产的要求。目前已经有些算法能够做到这点。我们已经成功地将用户必须再检查的数据量减少了20-30%。”
　　LER和线宽粗糙度（LWR）的重要性与日俱增，这就是为什么需要自动化程度更高的分类引擎的原因。可以用模数转换器（ADC）引擎来判断捕获的缺陷并将它归类；如果它属于已知的缺陷类型，那么用户就知道引起问题的原因；如果是未知的类型，用户至少知道有一个图形的形式需要检查。如果没有全自动系统，就必须进行手动再检查，这会很耗时，而且成品率的提升不会太快。
　　传统上，SEM不太专注于ADC。针对SEM的ADC是存在的，但它直到最近才变得比较普遍。这意味着需要维持多ADC系统，这可能会出现问题。需要采用专家系统来简化分析过程。
　　套刻精度和掩膜版
　　套刻精度已经成为越来越严重的测量挑战，因为现在基于光学的测量方法已经接近其极限。Hermes Microvision公司的执行副总裁Jack Jau说：“这不是一个工程开发的问题。扩展现有的测量方法似乎很困难，所以SEM等创新方法的使用就变得很有必要，需要进行深入的研发。”
　　当尺寸变小时，令人讨厌的缺陷将变得具有破坏性，Jau同意这个观点。“图形错误或系统缺陷会导致不合适的OPC或工艺窗口缩小等问题，从而正在成为主要的成品率杀手。DFM号称能够解决这个问题；然而，它需要传感器来观察这个问题并反馈到设计端。”他说：“采用有效的计量或检查设备作为传感器已 经变得必不可少。”
　　掩膜版缺陷是个严重的问题，因为它们会被复制。“晶圆上的一个缺陷可能会使一块芯片失效。”Veeco Instruments公司的高级应用工程师Ingo Schmitz说：“但是如果在掩膜版上有一个致命的缺陷，它能使占1/4晶圆面积的整个闪存区域失效，而且根据程度的不同，它甚至可能会毁掉整个晶圆。”
　　已经出现的掩膜版修复方法有两种。一种是聚焦离子束（FIB）技术，另一种利用原子力显微镜（AFM）。后者类似于AFM设备，用刀片状的针尖磨掉多余的材料，比如多余的铬，来修复掩膜版。这就需要知道掩膜版上的缺陷是突出的缺陷还是针孔。而光学技术就很难对它们进行表征。
　　使用基于束的修复方法——基本上是离子束研磨或淀积——必须首先知道缺陷的体积以计算淀积、刻蚀或研磨步骤所需的离子剂量。掩膜版制造厂先对缺陷进行定位，然后用AFM来分类和表征它们的几何结构和体积。而修复所需的剂量取决于形态测量的结果。
　　现在，尺寸为15到20nm的颗粒已经开始引起关注。AFM应该对这样小的颗粒有足够的敏感度，而且可能还需要具备足够的技术能力来检测小到5-10nm的颗粒。
　　如果缺陷本质上是光学性的
，比如水印，AFM技术就会受到挑战，因为它使用的技术与步进式光刻机不同。水印或沾污会导致印制错误，而对形貌变化敏感的AFM却可能无法探测到它们。
　　SEM也无法避免与形貌有关的问题。当使用SEM来对缺陷进行表征时，SEM引起的冲压会使反应腔的内容物脱落到掩膜版上，从而带来二次损害，比如缺陷（如图4所示）。

　　为了使计量能够不断地提供所需的缺陷检测平台，必须填补设计与制造之间的空白。随着设计复杂度的上升，系统缺陷也在增多。发现系统缺陷，将它们和随机缺陷区分开来以消除前者的产生根源，会变得非常困难。