近50年以來(lái)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)按照摩爾定律發(fā)展，其過程從微米水平縮小到今天的單數(shù)字納米水平。
Tsmc邏輯過程開發(fā)歷史照片
先進(jìn)的工藝意味著更復(fù)雜的圖案，復(fù)雜的圖案也需要更細(xì)致的缺陷檢測(cè)技術(shù)。從紫外線(UV)到深紫外線(DUV)、暗場(chǎng)(dark ?field)到光場(chǎng)(bright ?field)，光學(xué)晶圓檢測(cè)技術(shù)繼續(xù)半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。在工藝研究開發(fā)、提高生產(chǎn)產(chǎn)量、監(jiān)測(cè)量產(chǎn)的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中起著不可替代的作用。
光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及瓶頸
摩爾定律是半導(dǎo)體行業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力，瑞利判決為我們指引前進(jìn)的方向。如R=/NA所示，要進(jìn)一步減小組件大小和提高光學(xué)分辨率，主要通過以下兩種方法實(shí)現(xiàn)：
1.減少光源波長(zhǎng)
在過去的幾十年里，我們看到光波被光刻機(jī)使用，從近紫外(NUV)區(qū)間進(jìn)入436納米，從365納米進(jìn)入深紫外(DUV)區(qū)間248納米，193納米。目前最先進(jìn)的超紫外線(EUV)光刻器的波長(zhǎng)縮小到13.5nm，分析了更加精密復(fù)雜的電路模式，將曝光效率提高了3 ~ 4倍。
2.增加數(shù)值孔徑
黎曼判定還告訴我們，在光源波長(zhǎng)相同的情況下，鏡片組的數(shù)值孔徑越高，光學(xué)分辨率越高，可以解釋更復(fù)雜的圖案。因此，利用193納米波長(zhǎng)技術(shù)，asml開發(fā)了浸泡系統(tǒng)，以獲得比大氣更高的NA系數(shù)。EUV光刻機(jī)也在朝著提高數(shù)值孔徑的方向繼續(xù)前進(jìn)。
光刻光源發(fā)展史
同樣的原則也適用于光學(xué)晶圓缺陷的檢測(cè)。目前，果雷公司和應(yīng)用材料公司生產(chǎn)的光學(xué)晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各代半導(dǎo)體工藝中。目前最先進(jìn)的光寶名將檢測(cè)產(chǎn)品采用193納米波長(zhǎng)，證明能可靠地捕捉20-30納米晶圓缺陷。
但是，隨著流程發(fā)展到目前不到5/7nm，在多次暴露或使用EUV流程的核心節(jié)點(diǎn)上，5-10nm的缺陷會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片死亡。如此高精度的需求再次對(duì)光學(xué)檢查提出了很大的挑戰(zhàn)。首先是敏感度能否捕捉到這些小缺陷。由于物理限制，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的光源幾乎不可能在DUV范圍內(nèi)繼續(xù)減少波長(zhǎng)，開發(fā)EUV光源檢測(cè)系統(tǒng)不僅技術(shù)上還不成熟，研發(fā)費(fèi)用也會(huì)非常高。因此，最新的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)不再單純依靠分析晶圓的模式捕捉缺陷，而是通過復(fù)雜的信號(hào)處理和軟件算法等在圖像對(duì)比過程中尋找“異?！?。檢查結(jié)果也從以前的晶圓圖案變成了現(xiàn)在的“亮點(diǎn)”和“暗點(diǎn)”。這些方法在20納米以上的工藝中仍然有效，但在今天的工藝中不再像以前一樣可靠。與實(shí)際缺陷相比，測(cè)試結(jié)果中噪音的比例非常高。有些可能會(huì)達(dá)到90%以上。另外，不能簡(jiǎn)單地觀察結(jié)果的光斑來(lái)確定捕獲的信號(hào)是否是實(shí)際的缺陷。因此，第二輪高精度review ?SEM的回顧和人工分類成為另一個(gè)必要階段，每次掃描產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間大幅增加，生產(chǎn)成本急劇提高。
光學(xué)模板測(cè)試圖像比較
電子束晶圓檢測(cè)(e-beam ?inspection- EBI)技術(shù)
由于光學(xué)技術(shù)的局限性，電子束成像技術(shù)在先進(jìn)半導(dǎo)體工藝中作為光學(xué)技術(shù)的替代品發(fā)揮了不可缺少的作用。
電子束晶圓檢測(cè)-EBI是掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)的應(yīng)用。利用高能電子和晶圓表面的物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的信息進(jìn)行成像。然后，可以通過圖像處理和運(yùn)算檢測(cè)晶圓缺陷。
電子束晶圓檢測(cè)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)：
1.電子槍
用于產(chǎn)生電子的裝置，半導(dǎo)體設(shè)備均采用熱場(chǎng)發(fā)射原理。當(dāng)兩端通過電流時(shí)，陰極會(huì)釋放自由電子，并通過陽(yáng)極加速。在很短的距離內(nèi)，兩個(gè)極板之間的電壓差必須達(dá)到10 ~數(shù)十kV以上，才能產(chǎn)生足夠的高能電子流。
2.電磁透鏡
用于將電子打成團(tuán)的裝置，包括集合透鏡和水景，分別位于電子光路的頂部和底部。
3.收斂透鏡
因?yàn)殡娮颖淮碳ず髸?huì)處于發(fā)散狀態(tài)，所以電子槍下面需要一系列鏡片來(lái)收集電子，通過下面的光圈得到方向非常一致的電子束。另外，通過調(diào)整會(huì)聚鏡頭的線圈電流，可以根據(jù)光圈孔徑調(diào)整入射電流。
4.物鏡
將電子束細(xì)微地收集到晶圓表面，形象化晶圓圖案。
5.導(dǎo)向器
向主電流添加偏轉(zhuǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)掃描功能。偏轉(zhuǎn)電壓越大，掃描圖像越大，掃描速度就越快。但是，由于過大的偏轉(zhuǎn)電壓，圖像可能會(huì)扭曲，因此如何取舍，如何矯正也是重要的技術(shù)。6.機(jī)架示例(工作臺(tái))
將晶圓吸附在工作臺(tái)上，進(jìn)行高精度移動(dòng)。通過編碼器和激光反饋機(jī)制，準(zhǔn)確度已達(dá)到幾納米水平。
7.探測(cè)器
用于檢測(cè)電子的數(shù)量以進(jìn)行成像。高能電子和晶體源起作用時(shí)，會(huì)刺激一系列電子-Osh電子、二次電子、后向散射電子、x射線等。其中二次電子和后向散射電子的數(shù)量用信號(hào)成像。電子越多，信號(hào)越強(qiáng)，圖像中的像素也越亮，相反，圖像越暗。
Interaction ?Volume圖
8.后端成像系統(tǒng)
放大探測(cè)器獲得的模擬信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并與后端軟件算法一起處理圖像。應(yīng)用目前最先進(jìn)的技術(shù)，圖像處理速度可以達(dá)到每秒數(shù)億像素，甚至數(shù)十億像素的水平。
9.真空系統(tǒng)
整個(gè)系統(tǒng)必須在高真空狀態(tài)下運(yùn)行。其中電子槍對(duì)真空的要求最高，為了防止污染和氧化，必須達(dá)到E-10等級(jí)。真空柱子必須在E-8水平工作，工作臺(tái)也必須在E-6的真空度下工作，刺激的電子具有足夠高的平均自由距離，由探測(cè)器收集。
SEM結(jié)構(gòu)圖
電子束晶圓檢測(cè)系統(tǒng)的主要應(yīng)用
這樣復(fù)雜的電子束系統(tǒng)為半導(dǎo)體工藝檢查提供了非常豐富的應(yīng)用。
1.高精度缺陷掃描與測(cè)量
聚焦電子束系統(tǒng)后的電子斑點(diǎn)直徑可以小于1nm，可以分析5nm以下的晶圓缺陷。
但是，由于圖像場(chǎng)大小(field ?of ?view-FOV)，傳統(tǒng)的SEM掃描速度非常慢。掃描速度不僅包括導(dǎo)入圖像的時(shí)間，還包括工作臺(tái)移動(dòng)、穩(wěn)定的時(shí)間。在同一個(gè)掃描區(qū)域中，圖像字段越小，工作區(qū)移動(dòng)的越多。大面積晶圓掃描時(shí)，99%以上的時(shí)間都花在工作臺(tái)移動(dòng)上。因此，SEM只能用于查看光學(xué)系統(tǒng)中已經(jīng)捕捉到的缺陷、測(cè)量主要尺寸或執(zhí)行材料分析。
電子束晶圓掃描系統(tǒng)的開發(fā)使圖像FOV大大提高了100倍以上。這大大提高了掃描效率和掃描速度，并允許高精度的大范圍缺陷檢測(cè)。
因此，從上一段的“源區(qū)域”(active ?area)、“中間段的金屬接觸”(metal ?contact)到“復(fù)雜金屬線”(metal)過程，一些圖案密度非常高的主要節(jié)點(diǎn)為了捕捉這些小缺陷，使用EBI系統(tǒng)開始了大范圍的掃描。
高精度電子束缺陷檢測(cè)案例
此外，在EUV過程開發(fā)過程中，EBI還被廣泛用于捕獲本地密鑰大小不平衡(LOCDU)引起的曝光缺陷。隨著模式密度的增加，傳統(tǒng)CD-SEM在DUV技術(shù)上仍然有效，但在EUV過程中，統(tǒng)計(jì)概率不足以捕捉到這些缺陷。(大衛(wèi)亞設(shè)、Northern ?Exposure(美國(guó)電視連續(xù)劇)、Northern ?Exposure(美國(guó)電視連續(xù)劇))CDSEM和EBI的比較顯示，CDSEM的測(cè)量結(jié)果仍然完全符合正態(tài)分布曲線，適用范圍更大的EBI可以檢測(cè)到3sigma格外的異常。
另外，在光學(xué)接近校正(OPC)、過程窗口重新驗(yàn)證(PWQ)等復(fù)雜技術(shù)中，EBI逐漸取代光學(xué)和現(xiàn)有SEM，成為最新的中堅(jiān)力量。
2.電壓襯里(voltage ?contrast)
如上所述，電子和晶圓作用時(shí)，會(huì)生成一系列電子。進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)和細(xì)分后，可以創(chuàng)建更多的應(yīng)用程序。
入射電子束和晶圓的非彈性碰撞會(huì)產(chǎn)生大量的二次電子。二次電子的能量低，約為50eV，因此只有非常表面積的二次電子才能從物體表面脫離出來(lái)，到達(dá)探測(cè)器。
使用這種二次電子，金屬接觸層(metal ?contact)可以在晶圓表面積累電荷，判斷contact是否與地面成功連接，從而檢測(cè)到一些蝕刻過程中出現(xiàn)的缺陷。
電壓襯里缺陷檢測(cè)案例
3.材料襯層(material ?contrast)
不僅可以將二次電子用作信號(hào)檢測(cè)缺陷，而且在交互過程中產(chǎn)生的后向散射電子也為我們提供了獨(dú)特的信息。當(dāng)入射電子能量足夠高時(shí)，它受到原子核和刺激，產(chǎn)生相對(duì)高能后向散射電子。(威廉莎士比亞，原子，原子能，原子能，原子能，原子能，原子能，原子能，原子能)其能量可達(dá)數(shù)千eV。也就是說(shuō)，它可以給我們帶來(lái)決定源的底層信息。由于與核的作用，后向散射電子的數(shù)量不同，也意味著物質(zhì)的差異。該信息可用于檢測(cè)蝕刻或拋光工藝后材料的殘留。
材料襯里缺陷檢測(cè)案例
電子束晶圓檢測(cè)技術(shù)的挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展
盡管圖像FOV增加，但也帶來(lái)了巨大的掃描速度提高。但是目前的EBI系統(tǒng)仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。在高精度掃描條件下，晶圓覆蓋率仍然低于5%。
如何繼續(xù)提高掃描速度仍然是該技術(shù)發(fā)展的首要任務(wù)。ASML、應(yīng)用材料、KOLEL等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)也在分別開發(fā)自己的最新技術(shù)。主要可以分為兩個(gè)技術(shù)方向：多電子柱(multi-column)掃描技術(shù)和多電子束(multi-beam)掃描技術(shù)。其中multi-column技術(shù)由于固定的柱間距，應(yīng)用前景有限，主要適用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩測(cè)試。Multi-beam技術(shù)正在成為行業(yè)研究的主要方向。今后5 ~ 10年，如果能度過這項(xiàng)技術(shù)的難關(guān)，半導(dǎo)體工藝的發(fā)展又將得到強(qiáng)大的推動(dòng)。