文章來源：學習那些事

原文作者：趙先生

本文介紹了如何進行晶圓檢測。

在關鍵尺寸的在線量測環節，所運用的設備主要涵蓋 CD-SEM 以及 OCD（optical critical dimention，光學關鍵尺寸）量測設備。其中，CD-SEM 借助電子束成像技術，其量測精度頗高，能夠敏銳探測局部區域的尺寸變化情況，故而成為量測線寬的關鍵手段。不過，電子束在照射光刻膠時，會致使光刻膠線寬出現約 4nm 的縮小現象，就光刻膠而言，這屬于破壞性檢測方式。鑒于此，通常不會針對產品區域開展檢測，而是選擇對切割道中的監測圖形進行量測操作。反觀 OCD，它是依靠光學計算來獲取線寬數據。該設備的檢測光斑尺寸較大，需要針對尺寸大致為 50um 的監測 OCD 圖形區域實施量測，并通過計算得出平均線寬數值。OCD 設備的顯著優勢在于，檢測過程無需真空環境，且采用可見光檢測，不會受到電荷累計效應的干擾，更為關鍵的是，量測過程不會對光刻膠的線寬造成任何影響。然而，其缺點也較為明顯，僅能檢測光柵形式的測試圖形，對于其他形式的圖形則無能為力。而在線下量測線寬時，所采用的透射電子顯微鏡，不僅能夠提供更高的量測精度，還能獲取圖形截面信息。憑借其超高分辨率，能夠實現對原子排布以及界面鏡像的細致觀察，并且結合能譜分析，還可開展元素分布分析工作，因此成為失效分析所倚重的主要設備之一。但需要注意的是，其制樣過程會對硅片造成破壞。

圖1：用于硅片量測的CD-SEM結構

CD-SEM 的結構如圖1所示，它借助二次電子信號成像原理來觀測樣品的表面形態。具體而言，是運用極狹窄的電子束對樣品進行掃描，電子束與樣品相互作用會引發多種效應，進而激發出各類物理信息。通過對這些信息進行接收、放大以及顯示成像處理，最終獲取測試樣品的表面形貌信息。掃描電子顯微鏡主要由真空系統、電子束系統以及成像系統這三大部分構成。當一束極為纖細的高能入射電子對掃描樣品表面進行轟擊時，被激發的區域將會產生二次電子、俄歇電子、特征 X 射線、連續譜 X 射線、背散射電子、透射電子，同時還會在可見光、紫外光、紅外光區域產生電磁輻射，并且能夠產生電子 - 空穴對、晶格振動（聲子）以及電子振蕩（等離子體）。由于邊緣效應的存在，電子在尖細、粗糙的表面區域，其功函數相對較小，所釋放出的二次電子數量較多。在圖形的側面位置，由于傾斜角度較大，側面積也較大，所以放出的電子數量同樣較多。如此一來，硅片表面不同形貌位置所發射的二次電子數量存在差異，進而形成對比度。探測器利用二次電子信號的對比度進行成像，軟件則通過計算邊緣之間的距離，從而得出線寬、周期、孔徑等相關信息，量測結果如圖2所示。當下，CD-SEM 的精度能夠達到 1.35nm 以下。

圖2：用于硅片量測的CD-SEM對孔和線條量測結果

OCD 的基本工作原理是，借助內部的偏振式反射測量儀，使寬波段的偏振光垂直入射到晶圓表面的 OCD 檢測區域 [見圖3(a)，該區域為周期排布的線條]，隨后收集散射光信息 [見圖3(b)，這些信息涵蓋光強、傳播方向、偏振狀態以及相位信息等]，通過嚴格耦合波分析（rigorous coupled wave analysis，RCWA）方法，獲取線條的線寬、高度、周期等截面輪廓信息 [見圖3(c)]。OCD 檢測區域的設計一般包含三種類型，分別是設計規則所規定的最密集圖形、半密集圖形（周期約為最小周期的 1.8 倍）以及孤立圖形（周期為最小周期的 5 倍以上，但小于約 4um 周期，需保證至少存在 10 個周期）。OCD 的主要應用領域包括量測薄膜厚度、線條 CD、溝槽深度、Cu 的高度和 CD、側墻厚度等。

圖3：OCD量測

標準 SEM 設備的分辨率范圍處于 20 - 30 之間，難以滿足高精度量測的需求。而透射電子顯微鏡（TEM）的量測分辨率提升至 2，屬于一種高精度的離線量測方式。TEM 的工作原理是，將經過加速和聚集的電子束投射到極其薄的樣品上，電子與樣品中的原子發生碰撞后改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度密切相關，基于此能夠形成明暗各異的影像，該影像在經過放大、聚焦處理后，會在成像器件上顯示出來。大型透射電鏡一般采用 80 - 300kV 的電子束加速電壓，不同型號對應不同的電子束加速電壓，其分辨率與電子束加速電壓相關，可達 0.2 - 0.1nm，高端機型更是能夠實現原子級分辨。鑒于電子束的穿透力極為微弱，用于電鏡檢測的標本必須制成厚度約為 50nm 的超薄切片。TEM 樣品制樣一般采用聚焦離子束設備，通過 Ga 或者 Xe 離子束進行切割操作，定點提取樣品并將其減薄至 100nm 以下，方可用于 TEM 觀察，具體流程如圖4所示。

圖4：TEM制樣及觀察流程

缺陷檢測

在集成電路制造工藝，特別是先進工藝制造進程里，若晶圓上存在的微小缺陷未被及時察覺，便進入后續工藝環節，極有可能致使數批晶圓的工藝需重新操作，情形嚴重時甚至會使晶圓直接報廢。所以，面對復雜圖案，對精細的缺陷檢測技術的需求愈發迫切。缺陷檢測主要涵蓋晶圓的缺陷檢測以及檢測之后借助掃描電子顯微鏡開展的觀察回看（SEM review）。其中，缺陷檢測又分為明場檢測與暗場檢測這兩種類型。

明場缺陷檢測（BFI）是一種極為嚴謹的檢測方式。它能夠盡早發現問題，并及時采取改進措施，有效避免因缺陷致使晶圓報廢或者返工的狀況，進而防止成本的浪費以及時間的損耗。BFI 的檢測原理如圖5所示，它通過將激光直接照射至晶圓表面，利用探測器收集表面的反射光并加以分析。由于反射光信號較為強烈，所以該檢測方式具備很高的靈敏度。檢測機臺通過對比左右芯片單元圖像（die to die comparison），依據兩者間的差異來判定是否存在缺陷。與基于散射光的暗場缺陷檢測（DFI）設備相比，BFI 檢測設備處理的數據量較大，這導致機臺的檢測速度相對較低，不過它通常應用于制程中的關鍵層檢測。

圖5：明場缺陷檢測

DFI 是一種借助散射光實施檢測的技術，其檢測原理見圖6。該技術通過激光照射晶圓表面，使用探測器收集表面的散射光，因而 DFI 主要針對晶圓表面的缺陷展開分析，同樣也是通過對比左右芯片單元圖像及差異來確定是否存在缺陷。DFI 處理的光數據量較少，在檢測靈敏度方面與 BFI 相比存在一定差距，然而其機臺的檢測速度更快，能夠達到 BFI 的 3 至 4 倍。

圖6：暗場缺陷檢測

最新的光學檢測技術，已不再單純依靠解析晶圓上的圖案來捕捉缺陷，而是借助復雜的信號處理以及軟件算法等手段，在圖像對比過程中搜尋 “異?！?情況。檢測結果也從以往的晶圓圖案，轉變為如今的 “亮斑” 和 “暗斑”。盡管這些方法在 20nm 及以上工藝中仍具有一定效果，但在當下的工藝環境里，已不像過去那般可靠。相較于真正的缺陷，噪聲在檢測結果中所占比例急劇上升，部分情況甚至能超過 90%。并且，僅僅通過觀察結果中的光斑，難以判斷所捕捉到的信號是否為真實缺陷。基于此，對 BFI 和 DFI 檢測出的缺陷進行高精度的 SEM review 回看，并開展人工分類，便成為另一個必不可少的步驟，具體流程見圖7。SEM review 具有電子波長短、成像分辨率高的優勢，能夠對形貌、材質以及元素成分進行檢測，還可通過旋轉或多角度傾斜來檢測缺陷，為探究缺陷的形成原因提供直接依據。

圖7：缺陷檢測-審閱-分類流程