计量选择随着设备需求的变化而增加

半导体晶圆厂正在采取“全员参与”的方法来解决棘手的计量和良率管理挑战，结合工具、工艺和其他技术，因为芯片行业在前端向纳米片晶体管过渡，后端向异构集成过渡。

正在扩展光学和电子束工具，同时正在逐案增加x射线检查。对于纳米片晶体管制造和深沟计量等新工艺，拉曼光谱、SIMS和质量计量等替代方法正在发挥作用。

拐点
半导体加工正处于几个关键的拐点之中——向EUV以及最终的高na EUV图形化、高密度存储的3D结构、纳米片晶体管和异构集成。

“所有这些变化在计量层面上都带来了一些相当重大的挑战。首先，尺寸要小得多，所以我们需要具有更高灵敏度和精度的计量，”Lam Research公司计算产品副总裁大卫·弗里德(David Fried)说。“其次，越来越多的高宽高比设计和隐藏结构为偏移和风险创造了更多的机会。”

根据Fried的说法，混合计量的需求越来越大，将不同的技术结合在一起，以了解在流程和设备层面发生了什么。建模和虚拟制造也将在缺陷和尺寸测量中发挥关键作用。

其他人也同意。“关键是尺寸计量，我们真正关注的是复杂的3D结构，”谢伊·沃尔夫林(Shay Wolfling)说新星．“它始于3D NAND。现在，在纳米片fet中，客户真正感兴趣的是控制每个单独的纳米片，例如，三个纳米片。如果你看一下路线图，它会发展到更多的纳米片，最终是CFETs，所以它只会变得更具挑战性。”

Gate-all-around晶体管
棉酚的晶体管，也被称为纳米片fet，被领先的芯片制造商用于3nm(三星)和2nm(台积电和英特尔)节点，接触门间距延伸到40nm，金属间距下降到30nm以下。将这些先进的3D结构从研发到制造，需要快速、无损的测量方法，需要快速的学习周期，并且尽可能少地依赖离线技术。

IBM最近对纳米薄片晶体管制造的各个步骤和可能实现的计量工具进行了分析，指出了与栅极全能晶体管的推出相一致的变化。“纳米薄片技术可能是一些离线技术从实验室过渡到晶圆厂的时候，因为某些关键测量需要实时监控。”[1]

光学依然强劲
IBM工程师强调了测量方法的使用，包括OCD(散射测量法)、CD-SEM、AFM、Raman、XRD和XRF (x射线衍射和荧光)以及VC-SEM(电压对比扫描电镜)。OCD和CD-SEM都广泛应用于半导体制造业，这一趋势预计将继续下去。也许散射法和自上而下的CD-SEM的组合可以用来测量鳍片宽度，但该研究强调，需要更多的工作来表征纳米片和鳍片结构。计量学中的不同随机效应，包括线粗糙度、局部CD变化、边缘放置和覆盖误差以及缺失或桥接特征，都显著影响产量和器件性能。[２]

基于光学的方法提供了在线检测和计量的最快方法。光学CD测量(OCD，又称散射测量)不是直接测量薄膜厚度，需要建模和参考方法来与实际值相关联。OCD测量通常发生在晶圆刻划线上的光栅目标上。KLA，应用材料，Onto Innovation和Nova提供领先的强迫症解决方案。

Onto Innovation的光学解决方案结合了光谱反射仪和椭圆偏振仪，并使用基于人工智能的ai -衍射引擎来分析纳米片晶体管中的不同层。这种方法旨在提供优于传统OCD系统的层对比度。此外，机器学习在OCD维度分析中发挥着越来越大的作用，它建立在长期使用的OCD物理模型之上。

Nova有自己的OCD风格，即光谱干涉测量法，它将散射测量的完整数据与反射光的完整波前相结合。当在多个波长上执行此操作时，该方法允许对光谱信息进行“聚焦”，忽略底层的贡献，并允许对感兴趣的参数进行更好的性能。例如，可以测量互连中的细微金属线差异，而不需要考虑底层的晶体管层。

质量计量
质量计量是一种非破坏性的方法，可以在常规计量不足的应用中对高纵横比沟槽进行量化。弗里德说:“在一些先进的存储器中，比如DRAM和NAND，有趣的是你在一块晶圆上蚀刻了数万亿个芯片。”“在这些蚀刻中去除的质量量是非常重要的，这就是质量计量学如此有效的原因。”

这是用于纳米片工艺的评估技术之一(见图1)。第二个例子是用于测量沟槽尺寸的质量计量学。

OCD可以有效地测量沟槽深度，CD- sem可以测量顶部的沟槽深度，但是直接测量底部的沟槽深度非常困难英飞凌．他们使用OCD, CD-SEM和Lam Research的Metryx质量计量仪，在蚀刻前后确定了42微米深的沟槽(6.75微米间距)的沟槽底部宽度。研究发现，从质量损失和散射测量中，底部CD之间存在线性关系。质量损失与CD-SEM截面测量值之间也有很好的相关性。工程师们总结道:“质量损失法能够监测蚀刻过程的稳定性，并提供关于深沟槽几何形状的定量信息。”

图1:质量测量在纳米片间隔蚀刻中检测到一个异常值。来源:Lam Research

x射线检查

图2:x射线检查(上)和分析(下)确定了由于晶格中的堆叠故障、螺纹错位和微管而导致的“死”区域。来源:力量

x射线检查提供缺陷分析的一个领域是功率集成电路，特别是GaN-on-SiC晶圆(见图2)。SiC晶圆必须检查各种类型的缺陷，包括晶格中的微管和螺纹位错，通常沿着晶圆的基面(基面缺陷)。这种缺陷的大小可以从埃级到几百纳米不等，并可能导致器件故障或SiC晶圆本身的报废。

拉曼光谱是锗成分测量的一个亮点，它可以提供内联SiGe应变分析，这是晶体管性能的一个重要因素。然而，与深度相关的浓度读数用拉曼更难获得，这可能是SIMS(二次离子质谱)发挥作用的领域。

SIMS提供化学成分信息，使用溅射离子束和测量二次离子从晶圆。输出被视为深度均匀性(见图3)锗浓度在晶圆上不同点的均匀性(见图4)。

图3:SiGe层中锗的深度剖面。来源:新

图4:基于9点晶圆测量的锗浓度在线模拟图。来源:新

BEOL计量
Nordson测试与检验公司研发副总裁Tim Skunes指出:“所有检测和计量的一个重要部分是，我们需要在一定程度上为应用定制系统。CyberOptics投资组合。需要以高产量制造数百万个微凸点，这导致了100%的检测方法。“我们需要知道客户在寻找什么。在一个简单的例子中，如果这是一个凸起测量，客户想要检查1000万个凸起，并确保我们给他们所有的异常值——最高的隆起，最短的隆起，平均值，3西格玛等等。当发现有缺陷的凸起时，他们想知道所有的细节，物理损坏的类型等，这样他们就可以快速进行故障分析。”3微米光学MRS传感器集成到CyberOptics检测和计量系统中，用于这些应用

在这些情况下，铜柱凸起变得非常常见，本质上是带有圆形银锡焊料尖端的高柱。另一种质量检查是由x射线衍射和XRF提供的。“我们用XRF测量的最大的东西是合金的厚度和成分。在测量焊料成分时，我们会观察RDL和UBM薄膜厚度(例如凸点中的银含量)，并在3D包装中寻找空隙或桥接缺陷。一致性是关键-确保RDL具有正确的合金成分，”Paul Ryan说，副总裁兼总经理力量x光部门。

结论
OCD和CD-SEM方法正在扩展，以满足纳米片晶体管的需求，但深层结构和隐藏特征的挑战继续挑战计量方法。随着芯片制造商向5nm和3nm节点的大批量生产进军，x射线、拉曼、SIMS和质量计量等替代方案正在开拓各自的利基市场。

参考文献

1. Breton，“纳米薄片计量机会的技术准备”，J.微/纳米模式，材料和计量学，第21卷，第2期，021206(2022年4月)，https://doi.org/10.1117/1.JMM.21.021206．
2. Peters，“5nm芯片更快斜坡的策略”，半导体工程，2022年4月12日，https://新利体育下载注册www.es-frst.com/strategies-for-faster-yield-ramps-on-5nm-chips/
3. Haberjahn,出版社。，“质量测量与散射测量相结合以获得深沟槽的底部宽度”，IEEE先进半导体制造会议(ASMC)， 2022年5月，https://ieeexplore.ieee.org/document/9792504