半导体工艺和晶圆缺陷检测技术的发展

 引  言

半个多世纪以来，半导体行业按照摩尔定律不断发展，制程从微米量级缩小至如今的单数位纳米量级。

tsmc 逻辑工艺发展历史 图片来源:tsmc.com

先进的工艺意味着更复杂的图案，而复杂的图案也需要更精细的缺陷检测技术。从紫外光（UV）到深紫外光（DUV），暗场（dark field）到亮场（bright field），光学晶圆检测技术一直在半导体工艺的发展向前推进。在工艺研发，生产良率的提升，直至量产监测的一整套产品生命周期中，均起着不可替代的作用。

光学检测技术的发展及其瓶颈

摩尔定律是半导体行业前进的动力，而瑞利判据（Rayleigh Criterion）则为我们指引着前进的方向。R=λ/NA 中可以看到，如果想进一步缩小元器件的尺寸，提高光学分辨率，主要靠以下两种方法实现：

1.减小光源波长

在过去的几十年中，我们看到光刻机所采用的光源波长，从近紫外（NUV）区间的436纳米、365纳米，进入深紫外（DUV）区间的248纳米、193纳米。现如今最先进的超紫外（EUV）光刻机的波长已经缩小到了13.5纳米，可以解析出更精细更复杂的电路图案，将曝光的效率提升了3-4倍。

 2.提高数值孔径黎曼判据同样告诉我们，在光源波长相同的情况下，透镜组的数值孔径越高，光学分辨率也就越高，从而可以解析出更复杂的图案。借此原理，在193nm波长的技术下，asml研发出了浸入式系统，来获得较于大气更高的NA系数。而EUV光刻机也在提高数值孔径的方向上不断前进。

光刻技术光源发展史 图片来源: google.com

同样的原理对于光学晶圆缺陷检测也同样适用。目前科磊公司和应用材料公司生产的光学晶圆缺陷检测设备，被广泛应用于各代半导体工艺上。目前最先进的宽谱明场检测产品采用193nm波长，已被证明能够可靠的捕捉到20-30nm的晶圆缺陷。 然而当工艺发展到现如今小于5/7nm的阶段，在一些多次曝光，或者采用EUV工艺的关键节点上，5-10nm的缺陷就已足以杀死整个芯片。如此高精度的需求，再一次对光学检测提出了巨大挑战。首当其冲的就是其敏感度还能否捕捉到这些极小的缺陷。物理极限导致光学检测系统的光源在DUV范围内继续缩短波长已几乎不再可能，而如果研发EUV光源的检测系统，不仅技术上尚未成熟，其研发成本也将极其高昂。 也因此，最新的光学检测技术，已经不再简单的依靠解析晶圆上的图案来捕捉其缺陷，而是通过复杂的信号处理和软件算法等手段，在图像对比中的过程中寻找’异常’。检测结果也从曾经的晶圆图案，演变成了现如今的’亮斑’和’暗斑’。尽管这些方法在20nm及以上的工艺中依然有效，但在今天的工艺上已经不再像之前那样可靠。相比于真正的缺陷，噪声在检测结果中的比例极具提高-有些甚至可以达到90%以上。且简单的通过观察结果中的光斑，也无法判断所捕捉到的信号是否为真实缺陷。于是第二轮的高精度review SEM的回看，和人工分类，成为了另一个不可或缺的步骤，也致使每次扫描产生结果的时间大幅度增加，生产成本急剧提升。

光学模版检测图像对比 图片来源:SPIE.com

电子束晶圆检测

（e-beam inspection- EBI）技术

由于光学技术的种种局限性，电子束成像技术在先进半导体工艺中作为光学技术的替代品，起到了不可或缺的作用。 

电子束晶圆检测-EBI，是扫描电子显微镜（SEM）技术的应用。其使用高能电子与晶圆表面的物质发生相互作用时所激发出的信息进行成像。然后再通过图像处理和运算来实现对晶圆缺陷进行检测的目的。 

电子束晶圆检测系统的主要结构： 

1.   电子枪

用来产生电子的装置，半导体设备中均采用热场发射的原理。其在给枪尖通过电流的情况下，由阴极释放自由电子，并通过阳极来进行加速。在极短的距离内，两个极板之间的电压差要达到十或数十kV以上，来产生足够高能的电子流。

2.电磁透镜

用来将电子成束的装置，其包括汇聚透镜和物镜，分别位于电子光路的最上方和最下方。

3.汇聚透镜

由于电子被激发后成发散状态，因此在电子枪下，需要一系列透镜将电子汇聚，并通过下方的光圈，从而获得方向高度一致的电子束。另外，透过调节汇聚透镜的线圈电流，配合不同的光圈孔径，可以实现对入射电流的调节。

4.物镜

将电子束精细的汇聚在晶圆表面，对晶圆的图案进行成像。

5.偏转器

通过给主电流增加偏转电压，进而实现扫描的功能。越大的偏转电压可以扫描更大的图像，从而达到更高的扫描速度。然而过大的偏转电压会造成图像的畸变，因此如何取舍，以及如何矫正也是一项关键的技术。

6.样品架（工作台）

将晶圆吸附在工作台上，并进行高精度的移动。通过编码器和激光回馈的机制，其精度已经可以达到几纳米的级别。

7.探测器

用来探测电子的数量从而进行成像。高能电子与晶圆发生作用后，会激发一系列电子-俄歇电子，二次电子，背散射电子，x射线等。其中二次电子和背散射电子的数量被用作信号进行成像。激发出的电子数量越多，信号越强，在图像中的该像素也就越亮，反之则图像越暗。

Interaction Volume示意图 图片来源:SPIE.com

8.后端成像系统将探测器上获得的模拟信号放大，并转换为数字信号，搭配后端的软件算法，进行图像处理。目前所应用最先进的技术，图像处理速度可以达到每秒数亿像素甚至数十亿像素量级。9.真空系统整套系统都要运行在高真空下。其中电子枪对真空的要求最高，为防止污染及氧化，要达到E-10量级。真空柱要运行在E-8量级，而工作台也要运行在E-6的真空度下，使得激发出的电子拥有足够高平均自由程，并被探测器收集到。

SEM结构示意图 图片来源:google.com

电子束晶圆检测系统的主要应用

如此复杂的电子束系统，为半导体工艺检测提供了十分丰富的应用。

1. 高精度缺陷扫描和测量电子束系统聚焦后的电子斑直径可以达到小于1nm，可以解析5nm甚至更小的晶圆缺陷。然而传统的SEM，由于受到图像场大小（field of view-FOV）的限制，扫描速度极慢。扫描速度不只单纯的受限于获取图像的时间，还包括工作台移动，稳定的时间。同样的扫描面积，当图像场越小，工作台移动的次数也就越多。在做大面积晶圆扫描时，99%以上的时间都耗费在工作台移动上。也因此，SEM只用在回看光学系统已经捕捉到的缺陷，测量一些关键尺寸，或进行材料分析上。电子束晶圆扫描系统的研发，大幅度将图像FOV提升了>100倍。从而极大的提高了扫描效率和扫描速度，也使得高精度的大面积缺陷检测成为可能。因此在一些图案密度非常高关键节点，例如前段的源区(active area)，中段的金属触点（metal contact），直至复杂的金属导线（metal）工艺，都已经开始使用EBI系统来进行大面积扫描，以捕捉这些极小的缺陷。

高精度电子束缺陷检测实例 图片来源:google.com

不仅如此，在EUV工艺的研发过程中，EBI也被广泛应用于捕捉局域关键尺寸不均匀（local CDU）导致的曝光缺陷。随着图案密度的提升，传统CD-SEM非常有限的覆盖范围，虽然在DUV技术中仍然行之有效，但在EUV工艺下，统计概率上已经远远不足以捕捉到这些缺陷。如果将CDSEM与EBI进行比较，可以发现，CDSEM的测量结果仍然完美的贴合正态分布曲线，而覆盖范围更大的EBI，可以侦测到3sigma之外的异常。另外，在光学临近矫正（OPC），工艺窗口再验证（PWQ）等复杂的技术中，EBI正逐渐的取代光学和传统SEM，成为最新的中坚力量。 2. 电压衬度 （voltage contrast）如上所述，电子与晶圆发生作用后，会产生一系列电子。如果我们进一步调节参数，将其细分，则能够产生更多的应用。入射电子束与晶圆发生非弹性碰撞会产生大量二次电子。二次电子的能量较低，大约50eV，因此只有非常表面的二次电子可以从物体表面逃逸出来，到达探测器。利用这些二次电子，我们可以在金属接触层（metal contact）通过在晶圆表面积累电荷的方式，来判断contact是否成功与底层连通，从而检测一些蚀刻过程中造成的缺陷。

电压衬度缺陷检测实例 图片来源:google.com

3. 材料衬度（material contrast）不只是二次电子可以被用来作为信号检测缺陷，在相互作用过程中产生的背散射电子，也同样为我们提供了独特的信息。当入射电子能量够高，其与原子核发生激励，产生出这些相对高能的背散射电子。其能量可高达上千eV，也意味着可以其可以为我们带来晶圆更底层信息。由于与原子核发生作用，背散射电子的数量不同，也意味着物质的不同。这些信息便可以被用于检测蚀刻或研磨工艺后材料的残余。

材料衬度缺陷检测实例 图片来源:SPIE.com

电子束晶圆检测技术的挑战和未来发展

尽管图像FOV的增加，为我们带来了巨大扫描速度上的提升。但是目前的EBI系统仍然面临着很大的挑战。高精度扫描的条件下，晶圆覆盖率仍然远不足5%。如何继续提升扫描速度仍是这项技术发展的重中之重。ASML、应用材料、科磊等业界领头公司也都在分别研发自己的最新技术。其主要可归为两个技术方向：多电子柱（multi-column）扫描技术和多电子束（multi-beam）扫描技术。其中multi-column技术由于其固定的柱间距，在应用前景上十分有限，主要被应用于光罩检测中。而multi-beam技术正在成为业界研究的主要方向。在未来的5-10年，如果这项技术的种种难关可以被克服，半导体工艺的发展又将获得强有力的推进。

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作者：叶海生  张云杨

          北京国保金泰信息安全技术有限公司

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