不断增加挑战

随着掩模层数量的增长和需要对齐的特征尺寸的不断缩小，覆盖计量设备市场在高级节点上正在升温。

ASML和KLA-Tencor最近都推出了新的覆盖计量系统，寻求解决日益增长的精度要求线，切割和每一层的其他特征。在10/7nm时，可能有80或更多的掩模层，而在28nm时为40层。如果这些层没有被精确测量，被绘制、沉积和蚀刻的特征可能不会在一层与下一层之间排列整齐。

覆盖计量系统的工作是检测层之间不需要的位置变化，以及工艺变化。这是一个关键的测量，因为覆盖层事故会影响芯片的性能和良率，以及它在现场的可靠性。但是在每一个新的节点上，它也变得更加困难。

“巨大的挑战来自于严格的要求和覆盖错误的新来源，”Harry Levinson说，高级研究员和高级主管技术研究GlobalFoundries．“我们需要为不同的贡献者做出改进，并确定我们确实为个别贡献者做出了改进。这意味着精确测量到一埃或两埃。”

作为参考点，一埃等于0.1nm。这是两个ASML而且KLA-Tencor看到新的机会出现。

Gartner分析师Bob Johnson表示:“虽然看起来ASML和KLA-Tencor正在发生冲突，但实际上它们正从不同的方向接近覆盖市场。”“ASML将其与服务模式结合使用，以帮助客户改进光刻工艺，并使他们的工具在前沿获得良好的产量。KLA-Tencor正在使用覆盖层作为一系列产品的一部分，以解决影响litho的所有工艺问题。”

根据Gartner的数据，2016年，覆盖计量设备市场的规模为3.5亿美元。该公司预计，2017年中国市场将增长12%左右。KLA-Tencor是市场份额的领导者，约占70%的市场份额。阿斯麦和其他几家公司在这一领域竞争。

为什么覆盖很重要?
在芯片制造中，目标是以一种精确的方式对齐晶圆的各个层，这代表了良好的覆盖。“例如，一层的晶体管栅极需要通过另一层的触点连接，并与另一层的互连线连接。它们都必须摞在一起。d2．“因为(设计师)知道叠加不是完美的，所以在几何和性能特征的设计规则中都有公差。特别是晶体管的性能，被设计成依赖于临界尺寸宽度，但容忍边缘位置的微小变化。为了将每个节点的标准单元缩放得更小，覆盖精度需要随着特征大小而缩放。”

获得好的覆盖开始于光刻技术．扫描仪的目标不仅是打印精细分辨率的微小特征，而且是精确的图案。叠加是光刻系统在每一层上精确地打印它们应该在的位置的能力。为了实现这一点，在晶圆和掩模上都放置了微小的对准标记。然后，在光刻系统中，晶圆级和划线级将适当的标记彼此对齐。

然后扫描仪打印一个特征。这一过程重复100次或更多，以暴露晶圆上的一个掩模层。

根据ASML的说法，光刻系统能够打印具有特定覆盖精度规格的特征。其中一种规格被称为单机覆盖(SMO)，涉及在同一系统上打印的两层之间的覆盖精度。

在每个节点上，芯片制造商都要求更高的覆盖精度。在130nm时，光刻工具的SMO为40nm。相比之下，最新的193nm浸渍系统的SMO仅为2nm或更低——至少在纸上是这样。但实际上，193nm光刻技术在80nm间距(40nm半间距)时达到了极限。因此，从22nm/20nm开始，芯片制造商开始使用193nm浸入式多模制程。

“对于任何给定的关键尺寸的晶圆层，特别是193i光刻，使用多个掩模来暴露图案，”D2S的Fujimura说。“每片晶圆层的掩模越多，问题就越严重，就像很快就需要在没有EUV的情况下使用四重模式一样。”

还有其他问题。“覆盖一直是一个大问题。然而，在目前的先进技术下，我们使用多模式使这个问题变得更具挑战性，”公司计算产品副总裁David Fried说Coventor林研究公司(Lam Research Company)。“许多最困难的叠加挑战存在于图层(蒙版)需要与之前的关卡对齐到自对齐四重模式(SAQP)。SAQP图层的音高变得非常小，所以将后期关卡的边缘对准这些音高是非常具有挑战性的。此外，SAQP层所呈现的形状不一定与设计形状完全一致，这是由于诸如球场行走之类的影响。因此，将单个蒙版对准SAQP层可能会导致不同形状的不同错误。这是非常复杂的，而且随着我们从7纳米工艺扩展到5纳米工艺，难度会显著增加。”

与叠加有关的另一个影响是应力和面内变形。弗里德说:“结构越来越3D，材料系统也越来越复杂。”“这些导致晶圆片上更复杂的应力/应变效应。在advanced中使用的大型堆栈中尤其如此3 d与非流。面内失真会导致模具的不同区域向不同方向物理移位，使后续的掩模对齐更具挑战性。在材料和集成方面还有改进，在光刻和在线过程控制方面也有改进。”

多个模式显著增加了创建芯片的复杂性。例如，一个28nm器件有40到50个掩模层。相比之下，使用浸没/多模式，14nm/10nm器件有60层，7nm预计将跃升至80至85层。5nm可以有100层。

一个有100层的设备可能是不切实际的。将这些图层与良好的覆盖层对齐是具有挑战性和昂贵的。

图1:多层芯片。资料来源:应用材料

因此，在7纳米和/或5纳米，业界希望插入EUV．理论上，EUV减少了设备中的层数，但它也提出了一些覆盖挑战。GlobalFoundries的Levinson表示:“通过EUVL，我们在掩模非平坦性和掩模3D效果方面做出了贡献，而这在光刻技术中并不重要。”

一旦插入EUV, EUV扫描仪将可能用于设备上的金属1/ 2层(M1/M2)。在同一设备上，芯片制造商将在其他层上使用193nm浸没系统。

因此，在混合匹配环境中，系统具有精确的交叉匹配覆盖是至关重要的。这只是高级节点覆盖挑战的冰山一角。

过度覆盖
传统上，在光刻工具在晶圆上刻制特征后，基板被发送到叠加计量工具进行评估。叠加计量涉及在两个(或多个)不同层之间进行大量测量的过程。简单地说，覆盖计量系统正在进行各种测量，例如工具对准精度，晶圆/掩模失真和变化。

在晶圆进入晶圆厂的下一个步骤之前，计量人员必须发现覆盖层问题。如果在光刻步骤后，覆盖工具检测到问题，晶圆可以重新加工。但如果没有检测到问题，晶圆就会转移到晶圆厂的下一个步骤。之后，如果发现问题，晶圆通常会被报废。最坏的情况是将错误的设计应用到生产中。

由于其他原因，叠加计量也很重要。最后，叠加数据与设备上的临界尺寸(CD)测量相结合。对这些数字进行处理，得到一个表示边缘放置错误(EPE)的关键数字。EPE是IC布局的预期特征和打印特征之间的差异。

因此，覆盖计量是至关重要的，但它在每个节点上都变得更具挑战性。在10nm/7nm及以上的测量要求令人难以置信。“许多逻辑公司开始考虑3.5nm产品覆盖层的风险生产。但我们的目标是在产品上实现2nm的覆盖，”KLA-Tencor的产品营销总监马克·怀利(Mark Wylie)说，他指的是设备上的实际覆盖。

从这个角度来看，2nm相当于10个原子。怀利说:“所以我们真的到了原子级别的控制。”

作为回应，ASML和kla - tencor这两家主要的覆盖测量工具供应商正在寻求解决这些挑战，尽管他们采取了略有不同的方法来解决这个问题。

多年来，KLA-Tencor销售基于基于图像的叠加(IBO)技术的叠加计量工具。IBO使用内置测试模式，位于芯片外部用于覆盖测量。“在基于图像的情况下，你可以看到曝光的图层和下面的图层。你用一个算法和一个内核来研究它，”怀利说。“大多数图层将使用基于图像的叠加。对于某些层，如果你想提高总测量不确定度，那么基于散射测量的解决方案是有益的。”

事实上，在先进的节点上，行业正在从IBO转向散射测量，至少在一些更复杂的层上是这样。其他层仍然使用IBO。散射法有时被称为衍射叠加法(DBO)。DBO在工业中使用多年，测量光强度的变化。

IBO和DBO之间的最佳解决方案是什么?“这在很大程度上是工程师的偏好。有些工程师对散射测量术很熟悉。有些人喜欢以图像为基础，”怀利说。

无论如何，KLA-Tencor最近推出了一种基于散射测量的新型叠加测量工具。该系统被称为ATL，是一个独立的产品，具有可调谐激光技术。

散射测量技术可以在高通量下对产品覆盖层进行精确测量。然而，该技术更容易受到工艺变化的影响。在散射测量法中，计量系统不会观察实际的设备。相反，测量是在被称为目标的小物体上进行的。目标是预制的衍射结构。目标会模仿设备的行为。

目标位于设备外部，在所谓的划线线上，紧挨着实际设备。要测量覆盖层，您可以创建一个带有光栅的胶片堆栈。带有目标的光栅放置在第一层。然后，另一个光栅与目标放置在顶部。

该工具照射光通过堆叠，产生衍射图案。他说:“当出现覆盖错误时，它会在检查数据中造成失真。”

图2:过度计量示例:(a)散射测量叠加(SCOL)插图，(b)高级成像计量(AIM)标记，(c)和(d)设备上的SEM示例。来源:KLA-Tencor

总而言之，覆盖计量工具检测到层中的错位或所谓的覆盖错误。扫描仪和掩模的故障可能会导致覆盖错误，但它们不是唯一的罪魁祸首。胶片、工艺和压力也会导致错误。测量本身也可能出现错误。

然而，在高级节点上，检测不对中和覆盖错误变得更具挑战性。“多模式确实在加剧。因此，它给流程集成方案带来了许多挑战。在此之前，你会看到很多与光刻相关的热点问题。现在，有了所有的3D图案效果，你开始在过程领域看到更多的挑战，”Wylie说。

为了解决这一问题，KLA-Tencor的最新工具结合了分辨率为1nm的可调谐激光技术和实时寻的算法。利用可调谐激光，测量工具以不同波长扫过晶圆。它能找到误差最小的区域。他说:“这将是你设置波长的区域。”“这样，你就不容易受到过程变化的影响。所以当你有覆盖层时，你可以准确地测量它。”

然后，使用寻的功能，该工具寻找代表要测量的最佳点的区域，这节省了时间和金钱。ATL是KLA-Tencor模式控制策略的一部分，被称为5D模式控制解决方案。使用ATL和其他工具，KLA-Tencor的制模控制系统表征和监测光刻模块内部和周围的过程。

图3:使用KT分析仪自动过程修正更新的示意图。来源:KLA-Tencor

其他的解决方案
与此同时，ASML最近推出了一款新的覆盖计量工具。该系统被称为YieldStar 375F，是阿斯麦所谓的“整体光刻”战略的一部分。

该策略旨在改进光刻工艺。作为这一多管齐下战略的一部分，ASML试图降低其扫描仪的覆盖精度。扫描仪本身包含几个传感器，用于收集晶圆上和周围的数据。

然后，将数据输入计量工具。最后，数据在计算单元中被处理。“我们没有增加更多的数据点来测量，但我们基本上从晶圆上获得了扫描仪内部和周围的所有数据。(扫描仪上)有很多传感器，比如校准、调平等，”阿斯麦产品管理总监Henk Niesing说。“从这些数据中，你可以得出很多叠加和相关数据，最后你可以计算。我们称之为计算覆盖。你可以预测覆盖层，而不是试图测量它。”

同时，ASML的YieldStar 375F是一个采用DBO的集成计量单元。综合计量是竞技场中两种类型的配置之一。在综合计量学中，计量单元被并入另一设备。

它不同于一个独立的配置。如上所述，一个独立的计量系统位于另一个系统旁边。使用集成计量，缺点是它可能会使扫描仪变慢。然后，如果一个集成的计量单元出现故障，数据必须重新路由到一个独立的系统。

另一方面，集成计量节省了工厂的占地面积。“原位测量的最大优势是更多的采样，”考文特大学的弗里德说。“如果你可以在大量晶圆被加工时测量工具内部，你可以测试更多的晶圆，采样更多的地点，并收集一个显著更大的工艺数据数据库。”

与其他基于dbo的系统一样，ASML的工具使用目标来进行测量。新工具的新之处在于它包含了连续波长的特征。

对于当今复杂的地层，行业需要DBO。“你必须测量覆盖层的组合，以便编译设备的最终覆盖层。这种复杂性随着掩模级别和蚀刻场景的不同而增加。这使得覆盖更加复杂，”ASML的Niesing说。

开发好的目标设计也很关键。否则，该工具将检测影响测量的不对称或过程效应。“所以你真的想测量覆盖，而不是测量不对称，这是对这些目标的过程影响。他们可能会发现这是覆盖，但事实并非如此，”Niesing说。

下一个大事件是可调谐激光器。ASML之前的模型支持11种波长。“现在，你可以在光源提供的范围内测量任何波长，”他说。“人们对计量学产生了很多新的兴趣，开始结合波长，进一步降低精度，提高稳健性。”

该系统解决了其他挑战。“我们基本上允许客户同时测量多层叠加。现在，我们可以在一次测量工具中测量多达六层，”他补充道。

在覆盖计量步骤之后，晶圆移动到蚀刻模块进行蚀刻。然后，有时使用cd - sem来表征蚀刻后的设备覆盖层。这样做的目的是比较光刻和蚀刻后的测量结果。

这个问题?光盘扫描电镜是一种破坏性的，有时是耗时的测量技术。

因此，ASML在其覆盖测量工具中增加了一个功能，可以测量蚀刻后过程中的设备覆盖。据ASML称，这种非破坏性技术比cd - sem更快、更准确。“我们已经在YieldStar上引入了直接测量设备覆盖层的蚀刻后的功能。这种技术比扫描电镜更准确，速度快10倍，而且无损，因此适合大批量制造。”

与此同时，在最近的一篇论文中，应用材料公司和GlobalFoundries公司描述了另一种验证测量并确认真实覆盖精度的技术。这涉及到使用CD-SEM以非破坏性方式的在线电子束测量技术。采用光盘扫描电镜作为参考计量。该技术被称为随机定位扫描电镜叠加(RLSO)，根据公司的说法，该技术在油田中选择区域进行采样。

“大批量制造的主力仍然是光学工具，”应用材料公司的应用工程师Adam Ge说。“对于覆盖预算紧张的关键层，eBeam覆盖对于保证灵敏度和准确性至关重要。”

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