計量和晶圓檢測流程正在發(fā)生變化，以跟上不斷發(fā)展的新設備應用。雖然工廠車間仍然有大量的 OCD 工具、橢圓儀和 CD-SEM，但新系統(tǒng)正在具有越來越多的 3D 結構性質以及它們所包含的新材料。例如，混合鍵合、3D NAND 閃存設備和納米片 FET 等工藝正在突破現(xiàn)有工具的界限。

半導體計量學就是關于表征、監(jiān)測和控制各個半導體工藝，以最大限度地提高成品器件的產(chǎn)量。計量和檢測平臺在能夠測量最小的缺陷或圖案邊緣，在相對較大的視場上，以確保 300mm 晶圓的高產(chǎn)量。

為了滿足亞 20nm 間距的 N3 代器件的需求，基于光學、電子束（e-beam）、X 射線、掃描探針（AFM）等系統(tǒng)的工具必須以與時俱進的速度測量相關參數(shù)與在制品 (WIP)，測量精度和準確度至關重要。晶圓檢測的目標是檢測影響良率的致命缺陷，通常是關鍵特征尺寸的 10% 到 30%。

關鍵節(jié)點的計量和檢測需求越來越受到晶圓廠中范圍廣泛的新結構的影響（見圖 1）。其中包括 3D 納米片晶體管中的 SiGe/Si 堆棧、完全耗盡的絕緣體上硅 (SOI) 器件、新的背面功率傳輸方法以及通過混合鍵合實現(xiàn)的芯片堆疊技術。

國際設備和系統(tǒng)路線圖 (IRDS) 闡述了這種范式轉變：「從廣義上講，表征邏輯和存儲設備結構所需的參數(shù)的形狀、數(shù)量和位置比單獨的尺寸帶來更大的挑戰(zhàn)。亞 20 納米的特征很難測量。然而，設備結構的復雜性和新材料的使用使具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境進一步復雜化。」關鍵計量和檢測技術的擴展系列始于支持圖案化過程的計量。

EUV 生產(chǎn)率

隨著 EUV 光刻 (EUVL) 的使用勢頭越來越強，EUVL 引起的隨機振蕩已成為一個主要挑戰(zhàn)。隨機振蕩是指可能導致圖案化抗蝕劑薄膜出現(xiàn)缺陷的圖案可變性，并已成為關鍵的計量障礙。由于 CD 通常使用 CD-SEM 進行測量，因此解決隨機變化的軟件與 CD-SEM 輸出相關聯(lián)。隨著預算的不斷縮減，覆蓋仍然是提高設備良率的制約因素。

在最好的情況下，計量系統(tǒng)是制造過程開發(fā)、控制和改進以及更快的產(chǎn)量提升的關鍵推動因素——通常是通過結合人工智能方法的更好分析來實現(xiàn)的。而且由于計量平臺是在進入晶圓廠大批量制造之前開發(fā)的，因此它們的發(fā)展遵循趨勢。

Nova 首席技術官 Shay Wolfling 表示：「過去幾年，復雜 3D 結構的計量學在 3D NAND 和高級邏輯中提出了多重挑戰(zhàn)，現(xiàn)在我們也看到客戶轉向 3D DRAM 的跡象?！?「而先進封裝，顧名思義，是一個復雜的 3D 結構。我們越來越多地看到，無論是在客戶利益方面，還是在尺寸和材料技術復雜性方面，先進封裝挑戰(zhàn)都類似于半導體前端的挑戰(zhàn)。」

因此，主要趨勢圍繞著：

器件結構和新材料的復雜性，推動了計量學的需求以及持續(xù)的縮放。

混合計量方法，它將在未來盛行，因為沒有一種技術可以解決所有需要的參數(shù)和測量。

更快的測量，這需要更亮的光源和更多的通道來提供更多的數(shù)據(jù)進行處理。

理想情況下，計量系統(tǒng)利用人工智能和深度學習工具進行智能數(shù)據(jù)分析，最終解決計量的所有方面，包括圖像和數(shù)據(jù)分析、推理、與建模和仿真的集成、預測以及與晶圓工藝步驟的關聯(lián)。

「您不僅需要以極高的速率進行數(shù)據(jù)采集，還需要能夠處理所有這些數(shù)據(jù)并生成高保真 3D 地圖，」諾信測試與檢測網(wǎng)絡光學部門研發(fā)副總裁 Tim Skunes 說?！杆阅愕乃惴ǖ哪芰π枰浅８??！?/span>

光學的優(yōu)勢

吞吐量最高的系統(tǒng)，全部基于光學，是原位（在處理室中）和在線（獨立）過程控制的首選工具。與此同時，NAND 閃存、高級邏輯和新型 3D DRAM 中更多的 3D 結構正在催生具有多個光源和多個檢測器的工具，以解析 3D 結構，同時加快吞吐量。

如今，Onto Innovation、Nova、Applied Materials、KLA 和 Hitachi High Tech 提供了多個具有生產(chǎn)價值吞吐量的平臺。

在 5nm 和 3nm 節(jié)點，芯片制造商正在從使用深紫外光刻 (193nm) 的雙重或四重圖案化過渡到關鍵級別（晶體管定義、第一金屬層）的 EUV 光刻（13.5nm），再到圖案化 25nm 特征。與 193nm 相比，EUV 提高了光刻分辨率，同時減少了光刻通道的次數(shù)，提高了保真度并降低了制造成本。向高 NA EUV 的過渡有望實現(xiàn) 20 納米圖案化和 13 納米自對準雙圖案化。

掩模上的缺陷

正確控制晶體管柵極長度的變化始于掩模計量。

「掩模和晶圓的不同之處在于，同一個掩模用于制造所有晶圓上的所有芯片，因此掩模上的缺陷就是所有晶圓上的缺陷，」D2S 董事長兼首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 說。

為了幫助進行圖案化掩模檢測，Lasertec 引入了改進的光化掩模檢測，可識別可印刷掩模缺陷。光化檢測使用高功率 EUV 光源 (13.5nm) 生成高分辨率、高對比度的缺陷圖像——最重要的是，捕獲使用非光化深紫外檢測無法解決的相位缺陷。光化圖案掩膜檢測 (APMI) 與 ASML 的多束電子束檢測器相結合，可以捕獲更多此類掩膜缺陷，并通過多束檢測實現(xiàn)更高的吞吐量。

Fujimura 指出，使用 EUV（也稱為逆光刻技術）在產(chǎn)生理想掩模圖案方面做得更好的曲線掩模正在取代曼哈頓式掩模布局?！窱LT 設計的曲線掩膜形狀使計量、檢查和維修更加復雜。由于掩膜上的真實形狀（相對于 CAD 圖紙）一直是曲線的，即使對于繪制為曼哈頓形狀的 CAD 形狀，在基礎層面上也沒有太大區(qū)別。但在實際層面上，例如考慮曲線形狀數(shù)據(jù)表示的效率，數(shù)據(jù)流和工具需要成熟，因為該行業(yè)正在將曲線格式作為 SEMI 標準?！?/span>

光刻單元中的計量

光刻單元中執(zhí)行三種計量活動——材料和工具鑒定、工藝窗口發(fā)現(xiàn)以及工藝窗口鑒定和控制。材料和工具鑒定通常使用未圖案化的晶圓檢測工具在生產(chǎn)使用前檢查缺陷。

在工藝窗口發(fā)現(xiàn)期間，光刻工程師執(zhí)行多項實驗設計 (DOE) 以量化工藝余量邊界。工藝窗口擴展涉及有目的地調制掃描儀在晶圓上的曝光和劑量值，例如，通常使用 DUV 檢查來識別熱點。此外，可以調制疊加（一個特征在底層特征上的排列），以識別布局中的模式敏感性并進一步量化工藝窗口。這些分析使用高分辨率光學檢測系統(tǒng)進行，然后進行電子束檢測以確認實際缺陷。原子力顯微鏡（AFM）測量是一種掃描探針，可作為參考標準（CD-AFM）。

光學和電子束系統(tǒng)各有優(yōu)勢，而且通常協(xié)同工作。對于缺陷檢測，光學系統(tǒng)在檢測整個晶圓、晶圓與晶圓以及批次之間的缺陷率趨勢方面做得最好。電子束檢測，無論是使用單束還是多束，都提供了優(yōu)于其他光學方法的準確性和靈敏度，并且非常擅長檢測重復（系統(tǒng)）缺陷。不幸的是，低吞吐量仍然限制了大批量生產(chǎn)中的層的使用。

3D 結構會產(chǎn)生應力和變形，從而導致邊緣放置錯誤。NAND 閃存芯片制造商是第一個采用廣泛晶圓形狀計量的制造商，這些計量與覆蓋和其他計量工具協(xié)同工作，將晶圓形狀的不規(guī)則性反饋到掃描儀，從而補償從晶圓中心到邊緣的局部晶圓形狀。根據(jù)應用材料公司的說法，晶圓廠最常量化整體誤差，稱為邊緣放置誤差，其中包含 CD、覆蓋和工藝變化（見圖 2）。該公司還發(fā)現(xiàn)了一種趨勢，即從關鍵光刻步驟中的單層圖案化控制轉向多層集成控制，其中兩到三層的工藝窗口一起進行統(tǒng)計優(yōu)化。

光學系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到使用一系列波長（寬帶紫外線檢測）、使用偏振光（橢圓光度法）或使用多角度散射測量法來收集有關設備的更多信息。除了使用多種波長和偏振的光外，光的相位還可以對形貌測量產(chǎn)生額外的敏感性。

基于圖像的疊加測量或散射測量用于大批量生產(chǎn)。對于劃線中基于圖像的目標，通常比設備特征大 5 倍，測量會針對這種計量到設備的偏移進行校正。CD-SEM 捕獲局部變化，包括隨機性。芯片制造商都在轉向更小的目標，并使用現(xiàn)場目標來更好地代表實際設備功能。莫爾效應目標——一種疊加的線網(wǎng)絡，當用散射測量法成像時會導致與對準偏移相對應的反射差異——使客戶能夠最大限度地減少疊加中的總測量不確定性。

圖 2：晶圓廠正在轉向多層測量，以捕獲導致邊緣放置誤差的所有良率限制因素。來源：應用材料

為應用選擇合適波長的光的能力很重要。例如，3D NAND 堆棧通常由二氧化硅和氮化硅層組成，因此近紅外波段橢圓偏振儀效果很好。

「對于幾十微米厚的 3D NAND 堆棧，我們有一個名為 Aspect 的工具，它利用 5 到 10 微米的中紅外波長，」Onto Innovation 應用開發(fā)總監(jiān) Nick Keller 說?！肝覀兪褂眠@種光有幾個原因，因為堆疊太厚了，還因為你從介電材料中獲得了這些強吸收帶。因此，橢圓計使用吸收帶按波長過濾不同的深度。通過建模，你基本上可以得到結構的整個輪廓?！?/span>

該系統(tǒng)可在單次測量中對縱橫比為 80:1 的通道孔的大型陣列進行在線測量。AI Diffract 軟件有助于快速處理數(shù)據(jù)。

機器學習在計量學中發(fā)揮著越來越重要的作用。「光學工具的一大優(yōu)勢在于您可以在快速覆蓋大面積的同時測量多個參數(shù)。關鍵問題是如何將靈敏度與感興趣的實際參數(shù)相關聯(lián)，」Nova 的 Wolfling 說?！肝覀円呀?jīng)證明，通過良好的機器學習培訓，我們可以將光學計量用于以前由較慢的 AFM 或 CD-SEM 或 AFM 使用的應用。我們以 CD-SEM 或 AFM 作為參考來訓練我們的光學測量，通過這種訓練，我們能夠檢測和量化，例如，光學線邊緣粗糙度和形貌變化?！顾赋?，CD-SEM 和 AFM 仍將用于監(jiān)控和不斷改進光學工具的培訓。

納米片晶體管計量

盡管納米片與 finFET 架構有普遍的相似之處，但納米片——或者更普遍地說，環(huán)柵晶體管在納米片之間具有隱藏的間隙——對檢測和計量來說具有挑戰(zhàn)性。

圖 3：需要結合計量技術來生成 3D 結構的所有必要測量值。來源：新星

基于應變的結構可以使用拉曼光譜在線表征，這是對其他方法的補充。許多客戶在大批量生產(chǎn)中使用拉曼光譜來監(jiān)測器件結構中的應變、應力和結晶度。因此，拉曼對監(jiān)測器件的晶相或檢測硅鍺周圍的缺陷或殘留物非常敏感。

Wolfling 指出，與散裝材料特性相比，拉曼光譜在設備上直接測量的性能實際上更好。「它對材料非常敏感，」他說?！咐纾琭inFET 中的硅鍺和體中的 SiGe 不會產(chǎn)生相同的原始信號。這種方法符合設備上測量的總體趨勢。」

BEOL 計量和檢測

散射測量是一種基于衍射的計量主力，在溝槽深度、接觸和過孔結構以及復雜的 3D 結構中起著關鍵作用。散射測量使用單波長或多波長工具為許多參數(shù)提供線形計量和平均計量值。與基于圖像的計量學相比，它還可以提供改進的總測量不確定度。

Nova 開發(fā)了垂直行進散射測量法，該方法除了收集反射光束的強度外，還收集光相位信息。優(yōu)點是測量靈敏度更高，而且能夠選擇要測量的層而不會受到底層的干擾。

混合鍵合

2.5D 和 3D 封裝的趨勢給計量和檢測工具帶來了重大挑戰(zhàn)。「根據(jù)定義，先進封裝是 3D 的，」Wolfling 說。在先進封裝問題上，混合鍵合是一個非常強大的領域，也是一個重大的轉折點。Nova 以集成計量起家，因此平面化和拋光起著關鍵作用。當您將晶圓鍵合在一起時，它們需要非常均勻。因此，我們看到越來越多的原位 CMP 計量要求，并且我們針對這些鍵合層提供了集成的計量解決方案。

之所以稱為混合鍵合，是因為它將銅互連從一個器件連接到另一個器件，并連接它們之間的介電場。在大約 10μm 的焊盤間距下，需要混合鍵合，因為將微凸塊鍵合到微凸塊的熱壓鍵合不再能夠可靠地擴展。

除了光學工具之外，原子力顯微鏡還廣泛用于研發(fā)，以開發(fā)混合鍵合之前所需的適當凹陷銅剖面。AFM 具有將輪廓從一個特征映射到另一個特征所需的特定 z 高度分辨率。

用于排列兩個鍵合晶圓的疊加計量使用紅外顯微鏡（1310nm 或寬帶），它可以穿透硅晶圓的整個深度。這種計量必須內置到混合鍵合工具中。

必須檢測粘合界面缺陷和空隙。事實上，對無缺陷鍵合表面的需求是晶圓到晶圓和芯片到晶圓鍵合從研發(fā)到生產(chǎn)如此具有挑戰(zhàn)性的部分原因。

使用超聲波通過去離子水的掃描聲學顯微鏡 (SAM) 可以檢測到此類空隙，但對氣密性的擔憂正在推動干法或噴涂技術的發(fā)展，以保護鍵合晶圓界面。理想情況下，缺陷審查程序是為 HVM 中的鍵合晶圓或裸片開發(fā)的。

「混合鍵合仍然存在很多挑戰(zhàn)，也許最大的挑戰(zhàn)不是技術性的，」Skunes 說。「這是生態(tài)系統(tǒng)中不同部分的數(shù)量，它們必須聚集在一起才能真正實現(xiàn)它。」

圖 4：顯示 2D 和 3D 圖像的故障缺陷審查。來源：CyberOptics 部門，Nordson Test & Inspection

在晶圓級封裝中，凸點計量對于確保每個晶圓上數(shù)百個（如果不是數(shù)千個）凸點符合規(guī)格非常重要。Skunes 指出，對微凸塊最感興趣的參數(shù)包括 XY 偏移、凸塊直徑、局部凸塊高度和每個芯片的凸塊共面性。焊膏的光學檢查可以測量 XY 偏移、面積、體積并檢測橋接。例如，光學審查結果包括顯示由 MRS 傳感器捕獲的 2D 和 3D 圖像（見圖 4），還有一個額外的高倍率光學元件，可實現(xiàn) 0.2μm 的高度分辨率。

Skunes 說：「我們相信 100% 檢查將改變游戲規(guī)則，尤其是在汽車等細分市場，汽車中的電子產(chǎn)品含量持續(xù)快速增長?！乖摴镜墓鈱W檢測工具使用多達四個探測器以 5μm 橫向分辨率 (xy) 和亞微米 z 分辨率對晶圓微凸塊進行成像。

Bruker 的應用和產(chǎn)品管理總監(jiān) Frank Chen 最近描述了對包含潛在缺陷的現(xiàn)場故障存儲設備執(zhí)行的故障分析。他們在制造過程中通過了探測和電應力測試，但是當使用 X 射線 CT（計算機斷層掃描）進行缺陷檢查進行 FA 分析時，它揭示了客戶抽樣策略遺漏的多個凸塊上的邊際缺陷?！府a(chǎn)量管理策略沒有改變的部分原因是缺乏可以快速可靠地捕獲這些隱藏的潛在缺陷的在線技術，」他說。

結論

現(xiàn)有的計量方法正在擴展，以滿足不斷增加的 3D 應用列表的需求，而新技術則為從實驗室到晶圓廠的特定應用。解決方案正在根據(jù)測量的材料以及 3D 集成的新架構需求進行定制。