FinFET计量挑战成长

芯片制造商面临着众多的挑战在工厂10 nm / 7海里,但通常是一种技术在雷达下变得尤其difficult-metrology。

计量测量和描述的艺术结构,用于查明问题在设备和过程。它有助于确保实验室和工厂的产量。在28 nm及以上,计量是一个简单的过程,随着晶体管平面或二维特征尺寸较大。相对容易,芯片制造商使用少量的计量系统测量结构。

但在每个连续计量变得更加复杂和昂贵的节点。升级的挑战当平面晶体管跑出蒸汽,促使芯片制造商迁移到finFETs。英特尔推出finFETs在22纳米,而铸造厂搬到finFETs 16 nm / 14 nm。使用这个3 d晶体管结构的控制电流通过实现一个门上的每个鳍的三面。

虽然这可以减少静态泄漏,finFETs有各式各样的三维结构和电影,是很难衡量的。在某些情况下,结构是远低于一个埃,等于0.1海里。因此,计量工具不仅要获得二维测量,但他们也必须获得他们在三维空间中符合成本效益的方式。这有助于解释为什么芯片制造商需要十多个描述finFETs计量工具。

图1:FinFET与平面。来源:林的研究

在10 nm / 7海里,计量社会面临更多挑战。首先,finFETs规模较小,与新材料进入紧紧挨在一块。“现在,你也许不是10 x但也许5 x更多类型的计量技术(如平面相比),“阿洛克Vaid说,副主任和高级经理先进模块工程GlobalFoundries。“有更多的工具的数量和类型。有更多的技术,更多的数据,更多的成本和周期。它只是增加了。”

此外,许多计量工具技术被拉伸到极限,有明显的差距。不过幸运的是,该行业将继续开发新的工具和技术。例如,混合计量和机器学习正进入计量混合。

计量的挑战
今天的300毫米晶圆厂自动植物过程晶片在分步流使用各种设备。一个先进的逻辑过程可以从600到1000步,或更多。在不同的步骤中,计量系统是用来测量芯片。

芯片由三个parts-transistor,接触和互联。的晶体管作为开关的装置。的互联由小铜线计划传输电信号从一个晶体管到另一个。然后,一层称为middle-of-line(摩尔)连接晶体管和互连件使用一系列的联系结构。

图2:互连,接触和晶体管在不同的节点。来源:应用材料。

当行业从平面迁移到finFETs计量领域的一夜之间改变。“在平面,主要是你要做的是测量两点之间,”马克·威利说产品营销总监KLA-Tencor。“但在finFETs,你必须在3 d测量。你有上面,中间和底部。您需要了解的侧壁和其他因素。它非常参与进来。”

finFETs延长至10 nm / 7和5 nm,计量挑战升级。finFETs将变得更小和鳍变得更高更窄。“我们看到高鳍。我们看到新材料的下一个挑战。计量人员这些都是巨大的挑战,”主任奥弗·亚当说计量和过程控制应用材料。“现在,我们有5 nm节点。有超过1100的步骤。我们有整个晶片和背景辐射处理。”

还有其他挑战。“由于多模式的复杂性导致了爆炸的交互管理晶体管技术,”克劳斯Schuegraf说,副总统的新产品和解决方案PDF的解决方案。“当地的互连finFET的正上方是非常拥挤的。这导致紧窗户尺寸控制过程,几乎没有误差。小尺寸的变化或定位公差,来自许多交互光刻层,可以导致互连电阻大幅波动——从而限制晶体管性能。传统的技术来测量这些变化快速排气硅区域可用于测量,由于越来越多的大小和计量结构。”

摩尔也复杂。说:“这是非常复杂的,大卫油炸,计算产品的副总裁Coventor,林研究公司。“你都前端的地形。后端是平面的。你使用的材料,通常是更少的刚性,减少稳定和舒适的比你想在前端使用。然后设计构造出现在middle-of-line更复杂的比你会看到后端。”

芯片制造商仍希望插入极端紫外线(EUV)光刻7点和/或5 nm。“EUV技术是一种很有前途的候选人为半导体过程36海里音高和超越。然而,挑战仍在考虑大批量生产由于生态系统,而且过程能力,包括当地的CD变异,边缘粗糙度和面具选择性,”苏菲鲍特说,过程工程师电话,在最近的一篇论文在学报。

不过,EUV承诺减少步骤的数量。“计量步骤的数量可能会减少。但是你也有这些intra-field效应需要照顾控制边缘位置错误。所以计量/晶片强度可能会增加,“KLA-Tencor威利说。

FinFET CD计量
显然,芯片制造商面临众多的挑战,特别是在计量。在平面中,芯片制造商通常使用三个计量工具临界尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM),椭圆对称,覆盖系统。

CD-SEMs工厂,主力计量工具,采取自上而下的测量维度的结构。椭圆光度法是一种光学技术测量的电影。覆盖计量系统是用来检测位置的变化特性和层之间的设备。

finFETs研发在2000年代时,芯片制造商意识到,现有的计量技术是不够的,因为他们提供主要是二维测量。但对于finFETs,芯片制造商需要三维数据。

当时,该行业投资计量和对初始finFETs遇到了挑战。但芯片制造商要求的不仅仅是三个计量工具。事实上,他们需要一打或者更多的不同类型。

在10 nm / 7和5 nm,工具类型的数量增加,所以是挑战。“计量一直面临两种issues-sensitivity和速度,”菲利普Leray说得病的过程和模式控制小组组长Imec。“我们的问题没有改变。我们需要测量体积更小、运行速度更快。很多技术允许较小的测量,但速度似乎是未来的主要瓶颈节点。”

finFETs,芯片制造商需要五个基本categories-dimensional计量工具,成分,掺杂剂、压力,和电气。每个类别由几种不同的计量工具类型的工厂。每个小组在实验室里也有不同的类型。

图3:目前使用的主要计量技术在实验室和工厂资料来源:GlobalFoundries / NIST

第一类是维计量,结构要求等各种测量高度、长度和宽度。平面晶体管需要五到六个测量,和CD-SEM可以处理这些数据的测量。

尽管finFETs,它需要12个或多个不同的CD测量,如门的高度、翅片高度、翅片宽度和侧壁角。测量也在纳米尺度上进行,所以需要一个多CD-SEM做这项工作。CD-SEM提供了一些finFET测量,但它也有一定的局限性。

“虽然传统CD-SEM演示了CD测量适当的成像能力,它没有对翅片高度敏感,层休息,或SWA(侧壁角),”最近的一篇论文显示从GlobalFoundries Vaid和其他人。(本文由本杰明Bunday, a·f·贝洛和埃里克Solecky。)

对于finFETs,芯片制造商使用CD-SEMs,除了其他工具。但这些其他类型的计量工具也有一些局限性finFETs,,所以它需要一些工具来做这项工作。“一个工具不能解决所有问题,”乌尔在接受采访时说。“所以你可能需要使用两个工具和使用算法和优化测量你想。”

总之,芯片制造商需要四个不同的CD计量工具类型finFETs-atomic力显微镜(AFM), CD-SEM,散射测量和透射电子显微镜(TEM)。

AFM使用一根细小的扫描探针获得测量。散射测量,光学CD (OCD)技术,测量光的强度的变化。和TEM传输光束通过一个结构测量样本。

CD测量在各个步骤的工厂进行。每个步骤可能需要不同的计量工具类型或类型。决定使用一个在另一个取决于应用程序的吞吐量和成本。

例如,芯片制造商想要测量finFET。所以,最好的工具是做什么工作的?

图4:整体finFET结构和关键维度来源:GlobalFoundries / TechInsights / NIST

每种技术都有其优点和局限性。如上所述,CD-SEMs提供一些但不是全部测量。afm提供高分辨率的测量,但是吞吐量有时慢。

Scatteromentry,有时被称为强迫症,可以测量cd、finFETs概要文件和薄膜厚度。散射测量速度快,但也有一些缺点。强迫症是一种基于模型的技术。在许多情况下,这些工具不测量实际的设备。相反,他们衡量代理或简单的平面结构,代表和像实际的设备。这些结构和实际之间的测量设备应该匹配或关联。

图5:图显示过程中产生强迫症测量来源:GlobalFoundries

“那工作了很多节点。现在不工作了,因为3 d设备和可变性,“GlobalFoundries Vaid说。“当我们测量代理结构,我们只测量整个晶片的0.01%。所以我们运行线路通过这些数以百计的步骤。但是每一个步骤只测量整个晶圆的0.01%或更少。这是一个大问题。”

事实上,芯片制造商可能有多个参数。但有时,这些不同的测量数据之间的相关性可能不匹配。这反过来会影响设备的产量。

强迫症面临其他挑战。“设备减少,光学的一些关键特性变得非常小,例如,顶部圆角或削弱了。因此,对这些参数的敏感性是丢失,化合物的互关联问题,“根据从GlobalFoundries Vaid Bunday,贝洛和Solecky。

理想情况下,芯片制造商想要测量的实际结构,不是代理的目标,有强迫症。强迫症工具供应商正在取得进展。“强迫症供应商正在做一份好工作创新,”乌尔说。“他们将不得不进一步进化,也许比进化的一个革命性的改进。”

总之,CD计量工具可以处理一些但不是全部finFETs测量。最好的解决方案是什么?可能在某些情况下,一个独立的工具。不过,一般来说,计量人员倾向于使用两个或两个以上的组合工具对于一个给定的参数。

这就是所谓的混合计量。例如,某些步骤可能需要结合AFM, CD-SEM和强迫症。通常,CD-SEM与强迫症,或与强迫症AFM。然后,你把信息从两个或两个以上的工具,并将其组合在一起,获得更好的结果。““混合”这个词已经过度使用不同的含义,“Imec的Leray说。“最简单的和广泛使用的工业是前馈和反馈。喂养一个测量工具到另一个稳定的解决。饲料时也可以使用不同的计量模型来预测过程的行为。它也可以被另一种技术。”

与此同时,还有另一个solution-TEM。TEM使用户能够测量的实际结构,但这是一个耗时的和破坏性的技术。用户必须将晶片和检查使用TEM结构的横截面。

由于这个原因,该显微镜已经使用在实验室里,但这是改变。“TEM过渡的重要牵引finFET因为它提供了一个原子级地下的角度来看这些复杂的三维结构,”杰克说海格,在热费希尔科学高级产品营销经理。”作为finFETs可以预测,为计量继续关注形成鳍,epi增长和门在前端形成规模小。”

由于这些功能,该显微镜入侵管内流量,可能会成为混合计量方程的一部分。“微妙的过程的影响,可以捕捉到TEM计量可以突出显示其他计量系统的好处,”海格说

电影计量挑战
除了cd,也有挑战,其他四个部分在计量领域——成分,掺杂剂,应变和电。

组成部分包括膜厚度测量和电影的构成。为此,芯片制造商使用椭圆光度法的一种高级形式。的工具,称为可变角度光谱椭圆计,测量波长从紫外到近红外范围。

此外,芯片制造商使用不同的x射线技术设备的组成,如x射线光电子能谱(XPS)。”(XPS)低于光学工具,但是它的速度比一些实验室的工具。准确性是伟大的。这个问题?它仍然措施平面表面,“GlobalFoundries Vaid说。“但是我们已经做了很多的工作与我们的供应商能够测量结构。我们可以做一些测量。只要我们继续这条道路,我们认为有光在隧道的尽头,在那里我们可以在2 d和3 d测量。”

除了XPS,芯片制造商使用其他工具的组合segment-X-ray x -射线衍射(XRD)、x射线反射率(XRR)和x射线荧光光谱仪。光谱仪确定材料的元素组成。XRR处理薄膜测量。

XRD、用于探索单晶薄膜,也用于合成和应变材料设备。然后,对于掺杂物,一些使用低能量电子诱导x射线发射光谱法(雷克萨斯)。

许多x射线工具领域的解决方案。“他们做伟大的一个,两个或三个杀手应用程序。它有一个缓慢的吞吐量,”乌尔说。“这些x射线工具的问题是光源。x射线源没有足够的亮度能够减少对我们想要的数量和规模。”

新的解决方案
显然,计量社会面临着几个挑战与一些明显的差距。幸运的是,该行业正在开发新的解决方案。

这个行业继续与CD-SEMs进行不断的改进。但在世界可能推动CD,应用材料和ASML正在开发一种新的电子束计量工具称为大规模光盘工具。大量光盘工具是一辆改装的电子束与CD-SEM检测系统和覆盖能力。

多年来,与此同时,行业发展小角x射线散射测量(CD-SAX)。使用x射线源,CD-SAX音高变化的措施。

图6:CD-SAX来源:NIST,林的研究

CD-SAX将有望代替强迫症,但是这并没有发生。CD-SAX作品,虽然x光电源还不足够的和逻辑的光斑大小是一个问题。

相反,CD-SAX是在内存中找到一个地方。在方法相比,林研究和NIST发表了一篇论文使用CD-SAX无定形碳hardmasks。“CD-SAX,我们有能力来衡量2 d和3 d轮廓信息,”威廉·汤普森说,一位工程师在Lam在学报。“非晶碳面具扮演一个角色在内存中。所以,你有了新的计量的需要,我们需要满足这些结构的验证结果。所以,CD-SAX没有物料性质的假设已经能够显示准确的结构在整个晶片。”

另一种方法也在计量机器学习。“机器学习是一个新兴的技术,使用算法来解决的一些挑战和磨练的计量参数,“GlobalFoundries Vaid说。“这是在可行性阶段。它被部署为7海里。”

在最近的一篇论文从GlobalFoundries和新星,公司调查了使用机器学习作为补充方法强迫症。使用机器学习,研究人员展示了预测能力从内联鳍CD值测量。研究人员还预测互联的电阻使用数据从强迫症和电气测试。

机器学习不会取代计量工具,但它可以帮助解决最困难的挑战。可以肯定的是,芯片制造商仍需要大量的计量工具10 nm / 7海里。显然,挑战将计量人员忙,如果不清醒,在可预见的未来。

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