先进半导体检测技术与检测机台

作者：MKS Instruments, Inc.万机仪器集团

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基板和掩模/掩模版上的特征尺寸越来越小，对起始材料和成品器件的缺陷容忍度越来越低。我们不仅对已知缺陷类型（颗粒、晶体缺陷等）接近零容忍，而且随着制造制程进入深纳米级，制造商不断发现器件对于全新类型缺陷的敏感性。此外，用于缺陷检测的可用计量器具，现在需要用来检测和量化其工作原理噪声级附近的缺陷，因此，需要不断开发新的缺陷检测方法。

本文简要介绍了晶圆和掩模版检测技术的基础知识，并讨论了当前检测机台的特性。

在开始生产之前，裸晶圆要经过晶圆制造商的质量检验，半导体晶圆厂在收到晶圆后要再次进行检验。这些检验过程定位和映射了晶圆上已经存在的缺陷，以便将它们与IC 制造过程中产生的缺陷区分开来。在生产中只使用缺陷最少的晶圆，其生产前缺陷图使得制造商得以跟踪可能导致芯片不良的区域。在经历被动或主动工艺环境之前和之后，还会测量裸晶圆或未图案化的晶圆，以确定来自特定工艺机台的粒子贡献的基线。

器件制造商使用光学检测系统来检查晶圆和掩模是否有颗粒和其他类型的缺陷，并确定这些缺陷在晶片上的X-Y网格中的位置。用于无图案晶圆缺陷检测的基本原理相对简单。激光束在旋转的晶圆表面上进行径向扫描，以确保光束投射到晶圆表面的所有部分。激光从表面反射，就像从镜子反射一样，如图1所示。这种类型的反射称为镜面反射。当激光束遇到晶圆表面的颗粒或其他缺陷时，该缺陷会散射一部分激光。根据照明场分布，散射光可以直接检测（暗场照明）或作为反射光束强度的损失（明场照明）。晶圆片的旋转位置和光束的径向位置定义了晶圆表面上缺陷的位置。

△图1：旋转无图案晶圆上的缺陷检测（左），在暗场和明场图像照明中使用镜面反射（右）。

在晶圆检测机台中，使用PMT或CCD以电子方式记录光强度，并生成晶圆表面上散射或反射强度的图，如图2所示。该图提供了有关缺陷大小和位置的信息，以及由于颗粒污染等问题导致的晶圆片表面的状况。这种方法需要对晶圆台和光学元件进行高精度和可重复的旋转和线性运动控制。

△图2：检测机台中的光收集、处理和晶圆映射。

一般来说，暗场检测是非图案化晶圆检测的首选，因为可以实现高速扫描，从而实现高的晶圆产量。图案化晶圆检查是一个慢得多的过程。它可以使用明场和/或暗场成像，具体取决于应用。请注意，图案表面散射的复杂性会降低了到检测器的总光子通量，从而导致晶圆检测的整体周期更长。

低于100nm的检测机台目前已经在制造环境中使用，以提供引入晶圆的质量保证，以及对用于大批量制造的工艺机台监控和鉴定。这些检测机台采用了与用于较大尺度缺陷检测的机台相同的基本工作原理，但使用DUV照明增强型光学系统。一些制造商声称使用复杂的图像分析算法可实现低于20nm的灵敏度。正如预期的那样，在这些应用中，晶圆台和系统中所使用的光学组件的运动控制需要很高的精度和准确度。

由于需要检测机台来检测和量化越来越小的颗粒，因此由于散射光信号的SNR降低，表面微粗糙度（雾度）等因素，开始影响小颗粒的可检测性。非图案化晶圆的低于 100nm检测因微小尺度而变得复杂，SNR是确定检测系统对晶圆表面上的颗粒和其他缺陷的检测极限的关键参数。由于环境湿度而产生的表面化学污染等也会导致SNR降低。为了克服这种影响，用于低于100nm缺陷检测的检测机台采用了高度复杂的光学空间滤波、散射信号的偏振分析和特定信号的处理算法来探测存在表面雾气时的缺陷。

测量裸晶圆形貌的原因有很多。例如，晶片可能会弯曲，或者支撑晶片的卡盘（静电或气动）会在晶片的接触点处产生凹痕。这种变形会影响纳米尺度的图案成像。人们已经开发了极其精密的干涉测量机台，以在工艺开始之前测量晶圆形状的变化。

用于测量裸晶片形貌的基本设计类似于图3中所示的斐索（Fizeau）干涉仪。这种干涉测量技术将晶片与质量和平整度非常高的参考楔（或参考平面）进行比较。楔角确保来自第一表面的反射不会对干涉信号产生影响。从第二表面反射的光用作参考，而一部分光穿过平面以探测晶片（测试平面）。从晶片和测试平面反射的光被分束器引导到成像系统。最后，对干涉图进行分析，并使用软件将测量结果拼接在一起，以形成具有纳米级分辨率的完整晶圆图。在实际应用中，用于测量裸晶圆形貌的干涉测量机台极其复杂，并利用运动解决方案、大型光学和照明光源，有助于扩大可制造性设计的边界。

△图3：斐索干涉仪。

图案化晶圆的光学检测可以采用明场照明、暗场照明或两者结合来进行缺陷检测。图案化晶圆检测系统将晶圆上测试芯片的图像与相邻芯片（或已知无缺陷的“golden”芯片）的图像进行比较。图像处理软件从一个图像中减去另一个图像。在减法过程中，测试芯片中的任何缺陷都不会归零，而会在减法图像中清楚地显示出来（图4）。确定了这些缺陷的位置就可以在图案化晶圆上生成缺陷图，类似于为非图案化晶圆生成的图。与非图案化晶圆检测一样，图案化晶圆检测要求晶圆工作台和检测系统的光学元件同时移动，因此需要精确和可重复的运动控制系统。

△图4：图案化晶圆检测程序。

亚100nm图案化晶圆的缺陷检测比非图案化晶圆检测面临更大的挑战。用于图案化晶圆检测的基于DUV的光学检测使用与旧的VIS和UV光检测系统相同的图像比较原理。然而，基于DUV的方法在光学、运动控制和图像分析算法方面需要更高的精度。DUV检测机台已成为低至65nm特征尺寸的图案化晶圆检测的行业标准；每小时高达几片晶圆的检查率使这些系统适用于生产应用。

DUV检测工具已显示出检测缺陷的高灵敏度，例如浅沟槽隔离空隙、接触刻蚀缺陷和亚100nm几何形状的光刻胶微桥接。使用宽带DUV/UV/VIS照明，现代明场图案晶圆检测系统目前可达到对DRAM和闪存器件上所有层进行缺陷检测所需的灵敏度，这些缺陷检测小至55nm特征尺寸。

虽然众所周知的特性加上相对较低的成本和高吞吐量，使 DUV光学检测系统的继续使用具有吸引力，但一些制造商报告说，DUV检测系统不具备65nm以下的几何形状所需的精度和灵敏度。一项研究声称，DUV暗场光学图案检测系统的极限缺陷灵敏度在存储器技术（例如SRAM）中约为75nm，而在逻辑区域中要大得多。DUV明场系统具有更好的灵敏度，在 SRAM中约为50nm，并且与暗场一样，在逻辑上更大。此外，使用DUV激光照射图案化晶片上非常小的、易碎的结构时，已经产生了一些不寻常的问题，例如表面材料的激光烧蚀。这些问题的解决方案可能需要对光学检测系统使用宽带等离子体照明（现有的DUV系统采用266nm波长并正在转向 193nm照明）或使用具有生产制造能力的电子束检测机台。最近推出的基于等离子体产生的宽带照明的检测工具可用于生产环境。这些系统声称分辨率达到10纳米以下，因为较短的波长可在较小的范围内提供更准确的检测。

电子束(EB)成像也可以用于缺陷检测，尤其是在光学成像效果较差的较小几何形状中。EB检测可以提供具有比光学检测系统大得多的动态分辨率范围的材料对比度。然而，EB的测量速度缓慢，因而应用受到限制，使其主要用于研发环境和工艺开发以验证新的技术。新的EB工具可用于 10纳米和更低节点的缺陷检测应用，并且正在开发具有多达100列或通道的多EB测试机台。

掩模版是透射或反射投影掩模，带有精细特征图案，通常比晶圆上所需的图案尺寸大4到5倍。它们与光学照明系统一起使用，该系统对被掩模图案化的光进行成像和微缩，以选择性地显影光刻胶，作为晶圆图案化过程的一部分。

可以说，掩模版检测远比非图案化或图案化晶圆检测重要。这是因为，虽然裸晶圆或图案化晶圆上的单个缺陷有可能“杀死”一个器件，但掩模版上的单个未检测到的缺陷可能会毁坏成千上万个器件，因为该缺陷会在工艺流程中使用那个光罩的每个晶圆上复制。对于EUV，由于图案的更精细分辨率、薄保护膜的存在以及掩模版的反射设计，这个问题变得更加复杂。

掩模版检测系统的工作原理与晶圆检测机台相似，物理要求也相似，但掩模版通常使用透射光而非反射光进行检测。透射光用于定位紫外线不透明的污渍和其他透射缺陷。掩模版检测机台采用高分辨率成像光学器件和VIS或紫外线照明，具体取决于缺陷容差和/或特征尺寸，以查找空白掩模版或图案化掩模版上的缺陷。在掩模版制造过程中和整个掩模版使用过程中需要定期执行检查。掩模版检测机台采用类似于晶圆检测机台中使用的复杂图像分析软件和运动控制系统。通过使用紫外线照明，在掩模版检测系统中使用传统光学器件已扩展到90nm特征尺寸。使用 EB可以以较小的特征尺寸进行掩模版检查，因为与图案化晶圆检查相比，可以容忍较低的吞吐量。与晶圆检测一样，用于亚100nm应用（空白和图案化掩模版检查）的掩模版检查工具采用DUV照明，通常使用266nm或193nm的单一波长。图5显示了掩模版检测平台的框图。请注意，除了物镜光学系统、电动载物台和光源外，该平台还采用了各种控制器和数据分析模块。掩模版检测系统可以配置为在检查过程中使用穿过掩模版的透射光或来自掩模版表面的反射光。与其他检测系统一样，这种掩模版检测机台需要对光学元件和空气轴承掩模台进行高度准确和精确的运动控制。

△图5：掩模版检测系统中的组件框图。本图经富士通有限公司许可转载。

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