2nm工艺的计量策略

计量和晶圆检测流程正在发生变化，以跟上不断发展和新的设备应用。虽然晶圆车间仍然有大量的OCD工具、椭圆计和cd - sem，但新系统正在越来越多地采用3D结构和新材料。例如，混合键合、3D NAND闪存器件和纳米片fet等工艺正在推动现有工具的边界。

半导体计量都是关于表征，监测和控制个别半导体工艺，以最大限度地生产生产设备。测量和检测平台在具有测量最小缺陷或模式边缘的能力之间走着一条微妙的线，但在相对较大的视野范围内，以确保300mm晶圆的高良率。

为了满足小于20nm间距的n3代器件的需求，基于光学、电子束(电子束)、x射线、扫描探针(AFMs)和其他系统的工具必须以与在制品(WIP)同步的速度测量相关参数。测量精度和准确性是至关重要的。的目标晶片检查是检测影响成品率的致命缺陷，通常范围为关键特征尺寸的10%到30%。

图1:需要更高的采样率和更广泛的测量技术阵列来控制从晶体管到封装器件级别的复杂3D器件结构。来源:新

关键节点的计量和检测需求越来越多地受到晶圆厂中广泛的新结构的影响(见图1)。这些结构包括3D纳米片晶体管中的SiGe/Si堆栈，绝缘体上完全耗尽硅(SOI)器件，新的后端功率传输方法，以及混合键合实现的芯片堆叠技术。

国际设备和系统路线图(IRDS)阐明了这种范式转变:“广义上讲，表征逻辑和存储设备结构所需参数的形状、数量和位置构成了比尺寸本身更大的挑战。亚20nm的特征很难测量。然而，设备结构的复杂性和新材料的使用进一步复杂化了具有挑战性的环境。”扩展的关键计量和检验技术阵列从支持模式化过程的计量开始。

EUV生产力
就像使用EUV光刻(EUVL)发展势头强劲，EUVL诱导的随机效应已成为主要挑战。随机是指图案可变性，可以导致图案抗蚀膜的缺陷，并已成为一个关键的计量障碍。因为cd通常是用CD-SEMs，解决随机变化的软件与CD-SEM输出相关联。覆盖，其不断缩减的预算，仍然是一个限制，以提高设备产量。

在最好的情况下，计量系统是制造工艺开发、控制和改进的关键推动者，并且通常通过更好的分析结合人工智能方法来实现更快的良率斜坡。此外，由于计量平台在进入晶圆厂大批量生产之前已经开发了多年，因此它们的发展遵循趋势。

“在过去几年里，复杂3D结构的测量提出了多个挑战——在3D NAND和高级逻辑方面，现在我们也看到客户转向3D DRAM的迹象，”谢伊·沃尔夫林(Shay Wolfling)说新星．高级包装，顾名思义就是一个复杂的3D结构。我们越来越多地看到，无论是在客户兴趣方面，还是在尺寸和材料技术复杂性方面，先进的封装挑战都与半导体前端的挑战相似。”

因此，主要趋势围绕以下方面:

• 器件结构和新材料的复杂性，驱动计量需求与持续缩放一样多;
• 混合计量方法，将继续盛行，因为没有单一的技术解决所有的参数和测量所需的
• 更快的测量，这需要更明亮的源和更多的通道，以提供更多的数据处理。

理想情况下，计量系统利用人工智能和深度学习工具的智能数据分析，最终解决计量的所有方面，包括图像和数据分析、推理、与建模和仿真的集成、预测以及与晶圆工艺步骤的相关性。

“你不仅需要以极高的速率进行数据采集，还需要能够处理所有数据并生成高保真的3D地图，”Tim Skunes说，该公司的研发副总裁诺信测试与检测公司的网络光学部门．“所以你的算法的能力需要非常高。”

光学的优势
最高吞吐量的系统，都是光学的，是集成计量(与过程室)和在线(独立)过程控制的首选工具。与此同时，NAND闪存中更多的3D结构、先进的逻辑和新的3D DRAM正在产生具有多个光源和多个探测器的工具，以解决3D结构，同时加快吞吐量。

今天，Onto Innovation、Nova、应用材料、KLA和日立高科技提供了多个具有生产能力的平台。

在5nm和3nm节点上，芯片制造商正在从双或四模式使用深紫外光光刻(193nm)，到EUV光刻(13.5nm)在临界水平(晶体管清晰度，第一金属层)到25nm特征图案。与193nm相比，EUV提高了光刻分辨率，同时减少了光刻通道数，提高了保真度，降低了制造成本。向高na EUV的过渡预计将实现20nm模式和13nm自对准双模式。

口罩缺陷
正确控制晶体管栅极长度的变化是从面具计量。

东芝董事长兼首席执行官Aki Fujimura表示:“掩模和晶圆的不同之处在于，相同的掩模用于制造所有晶圆上的所有芯片，因此掩模上的缺陷就是所有晶圆上的缺陷。d2．“总的来说，口罩会尽可能地修复。”

为了帮助进行模式化掩模检测，Lasertec引入了改进的光化掩模检测，可以识别可打印掩模缺陷。光化检测使用高功率EUV源(13.5nm)产生高分辨率、高对比度的缺陷图像-最重要的是，捕获无法使用非光化深紫外检测解决的相位缺陷光化模式掩模检测(APMI)与多光束检测相结合电子束检查员通过多波束检测，ASML可以捕获更多的掩膜缺陷。

藤村指出，曲线掩模使用EUV可以更好地生产理想的晶圆图案，也被称为反光刻技术-将取代曼哈顿风格的面具布局。ILT设计的曲线口罩形状使计量、检查和维修更加复杂。由于蒙版上的真实形状(与CAD图纸相比)一直是曲线的，即使是绘制为曼哈顿形状的CAD形状，在基础层面上也没有太大的区别。但在实际层面，例如考虑曲线形状数据表示的效率，数据流和工具需要成熟，因为行业正在将曲线格式作为SEMI标准。”

光刻单元的计量
在光刻单元中有三种计量活动——材料和工具鉴定、工艺窗口发现和工艺窗口鉴定和控制。在生产使用之前，材料和工具认证经常使用无图案的晶圆检测工具来检查缺陷。

在工艺窗口发现过程中，光刻工程师进行多次实验设计(DOEs)来量化工艺边缘边界。工艺窗口扩展包括有意地调节扫描仪在晶圆上的曝光和剂量值，例如，以识别热点，通常使用DUV检查。此外，叠加——一个特征在底层特征上的排列——可以被调制，以识别布局中的模式敏感性，并进一步量化流程窗口。这些分析是使用高分辨率光学检测系统进行的，随后是电子束检测，以确认实际缺陷。原子力显微镜(AFM)测量，一种扫描探针，作为参考标准(CD-AFM)。

光学系统和电子束系统各有长处，经常协同工作。对于缺陷检测，光学系统在检测晶圆随机缺陷、晶圆对晶圆和批次对批次缺陷趋势方面做得最好。电子束检测，无论是使用单柱还是多束，都比光学方法提供了更高的精度和灵敏度，并且非常擅长检测重复(系统)缺陷。不幸的是，低产量仍然限制了该层在大批量生产中的使用。

3D结构会产生应力和扭曲，导致边缘位置错误。NAND闪存芯片制造商率先采用了广泛应用的晶圆形状测量技术，该技术与叠加和其他测量工具协同工作，将不规则性前馈到扫描仪，从而补偿从晶圆中心到边缘的局部晶圆形状。据应用材料公司称，晶圆厂最常量化总体误差，即边缘放置误差，其中包括CD、叠加和工艺变化(见图2)。该公司还发现了一种趋势，即在关键光刻步骤从单层模式控制转向多层集成控制，其中两到三层的工艺窗口在统计上一起优化。

光学系统已经发展到使用一系列波长(宽带紫外检测)，使用偏振光(椭圆偏振)，或使用多个角度的散射测量来收集有关设备的更多信息。除了波长和偏振，光的相位还可以对地形测量产生额外的灵敏度。

要么基于图像覆盖在大批量生产中使用测量法或散射法。在划线线中，基于图像的目标通常比设备特征大5倍，测量结果将根据计量到设备的偏移进行校正。CD-SEM捕捉了包括随机因素在内的局部变化。芯片制造商正在转向更小的目标，并使用现场目标来更好地代表设备的实际功能。云纹效应目标——一种叠加的线网络，当用散射测量成像时，会产生与对准移位相对应的反射差异——使客户能够最大限度地减少叠加测量的总不确定度。

图2:晶圆厂正在向多层测量方向发展，这些测量可以捕捉到所有导致边缘放置误差的产率限制因素。资料来源:应用材料

为应用选择合适波长的光的能力很重要。3 d与非例如，堆栈通常由二氧化硅和氮化硅层组成，因此近红外波段椭圆计工作得很好。

“对于几十微米厚的3D NAND堆栈，我们有一种名为Aspect的工具，它利用了5到10微米的中红外波长，”该公司应用开发总监Nick Keller说上的创新．“我们使用这种光有几个原因，因为堆栈太厚了，但也因为你从介电材料中得到了这些强吸收带。所以椭圆计利用吸收带按波长过滤不同的深度。通过建模，你基本上可以得到整个结构的轮廓。”

在高展弦比蚀刻之后，该系统可以在线测量大型阵列，例如，在一次测量中，80:1的展弦比通道孔。AI绕衍射软件有助于快速处理数据。

机器学习在计量学中扮演着越来越重要的角色。“光学工具的最大优势是可以在快速覆盖大面积的情况下测量多个参数。关键问题是如何将敏感性与实际感兴趣的参数联系起来，”Nova的Wolfling说。“我们已经证明，通过良好的机器学习训练，我们可以将光学计量学应用于以前使用较慢的AFM或CD-SEM的应用。我们以CD-SEM或AFM作为参考来训练光学测量，通过这种训练，我们能够检测和量化，例如，光学上的线边缘粗糙度和地形变化。”他指出，CD-SEM和AFM仍将用于监测和不断改进光学工具的培训。

纳米片晶体管计量学
尽管与finFET结构大体相似，但纳米片——或者更普遍的栅极全能晶体管——在纳米片之间存在隐藏的间隙，这对检查和测量具有挑战性。

图3:需要结合计量技术来为3D结构产生所有必要的测量。来源:新

基于应变的结构可以用拉曼光谱在线表征，这补充了其他方法。“拉曼光谱被许多客户用于大批量生产，以监测器件结构中的应变、应力和结晶度。所以拉曼对监测器件的晶体相或检测硅锗周围的缺陷或残留物非常敏感，”沃尔夫林说。

他补充说，拉曼光谱实际上在直接设备上测量时比大块材料性能表现得更好。“这对材料非常敏感，”他说。“例如，finFET中的硅锗和大块的硅锗不会产生相同的原始信号。这种方法与设备上测量的总体趋势是一致的。”

BEOL计量和检验
散射测量是一种基于衍射的测量技术，在沟槽深度、接触、过孔结构以及复杂的三维结构中起着关键作用。散射测量提供线形测量以及使用单波长或多波长工具的许多参数的平均测量值。与基于图像的测量相比，它还可以提供更好的总测量不确定度。

Nova开发了光谱干涉测量法，除了反射光束的强度外，还可以收集光相位信息。其优点是测量的灵敏度更高，而且能够在不受底层干扰的情况下选择测量层。

混合成键
2.5D和3D包装的趋势为计量和检测工具带来了重大挑战。Wolfling表示:“高级包装从定义上讲就是3D。“在先进包装方面，混合键合是一个非常强大的领域，也是一个重要的转折点。在这种应用中，平面化和抛光起着关键作用。当你将晶圆粘合在一起时，它们需要非常均匀。因此，我们看到越来越多的CMP计量需求，无论是集成计量，还是单独的OCD解决方案，都适用于这些粘接层。”

混合键合之所以被称为混合键合，是因为它连接了从一个设备到另一个设备的铜互连线，并连接了中间的电介质场。在约10 μ m垫间距时，需要混合键合，因为将微凸点连接到微凸点的热压缩键合不再能够可靠地扩展。

除了光学工具外，AFMs还被广泛用于研发，以开发混合键合之前所需的适当的凹铜型材。afm具有特定的z高度分辨率，可以精确地将剖面从一个特征映射到另一个特征。

用于排列两个键合晶圆的叠加测量使用红外显微镜(1310nm或宽带)，它可以穿透硅片的整个深度。这种计量必须内置到混合键合工具中。

必须检测粘接界面缺陷和空隙。事实上，对无缺陷键合表面的需求是导致晶圆与晶圆以及晶片与晶圆键合从研发转向生产具有挑战性的部分原因。

扫描声波显微镜(SAM)通过去离子水使用超声波可以检测到这种空洞，但对密封性的担忧正在推动干式或喷雾技术的发展，以保存键合晶圆界面。理想情况下，为HVM中的键合晶圆开发缺陷评审程序。

斯库内斯说:“混合键合仍有很多挑战，也许最大的挑战不是技术上的。“生态系统中不同部分的数量必须走到一起，才能真正实现这一目标。”

图4:显示2D和3D图像的缺陷检查。资料来源:诺信测试与检测公司CyberOptics分部

在晶圆级封装中，凹凸计量对于确保每片晶圆数以千计的凹凸符合规格非常重要。Skunes指出，对微凸点最感兴趣的参数包括XY偏移量、凸点直径、局部凸点高度和每个模具的凸点共面度。光学检查锡膏可以测量XY偏移，面积，体积和检测桥接。例如，光学检查结果显示了MRS传感器捕获的2D和3D图像(见图4)，并且有一个额外的高倍率光学，高度分辨率为0.2µm。

Skunes表示:“我们相信，100%的检测将改变游戏规则，特别是在汽车等细分市场，因为汽车中的电子产品含量将继续快速增长。”该公司的光学检测工具使用多达四个探测器来成像晶圆微凸点，具有5微米横向分辨率(x-y)和亚微米z分辨率。

力量该公司应用和产品管理总监Frank Chen最近描述了对包含潜在缺陷的故障现场存储设备进行的故障分析。它们在制造过程中通过了探测和电应力测试，但是当使用x射线CT(计算机断层扫描)进行缺陷审查的FA分析时，发现了客户抽样策略所遗漏的多个凸点上的边缘缺陷。他说:“产量管理策略没有转变的部分原因是缺乏能够快速可靠地捕捉这些隐藏的潜在缺陷的在线技术。”

结论

现有的计量方法正在得到扩展，以满足越来越多的3D应用的需求，而新技术则为特定应用从实验室到晶圆厂的旅程。解决方案正在针对测量的材料以及3D集成的新建筑需求进行定制。

参考
1.Tsunehito Kohyama, Hiroki Miyai和Toshiyuki Todoroki“EUV光刻的光化图案掩模检测”，Proc. SPIE 12325，掩模日本2022:第二十八届掩模和下一代光刻掩模技术研讨会，123250H(2022年9月15日);https://doi.org/10.1117/12.2642098