關(guān)鍵字：在線檢測(cè) 電學(xué)缺陷

從成品率的角度來(lái)看，真正關(guān)心的是那些影響成品率的缺陷。其余的缺陷僅僅只是些小麻煩，所以把時(shí)間花在它們上面是一種浪費(fèi)。大部分在線檢查和缺陷探測(cè)方法都集中在可見(jiàn)缺陷，這樣或多或少影響性能。通常，工藝完成以后，只有在電學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得之后才可能將其與產(chǎn)品成品率進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，我們已經(jīng)知道如何很好地估計(jì)哪些可見(jiàn)缺陷是重要的，哪些是與結(jié)構(gòu)和形態(tài)無(wú)關(guān)的。然而，隨著器件越來(lái)越小，新工藝中引入新結(jié)構(gòu)和新材料，越來(lái)越多的致命缺陷是不可見(jiàn)的——指對(duì)傳統(tǒng)在線檢測(cè)技術(shù)不可見(jiàn)。通常缺陷在形成后，只有經(jīng)過(guò)幾天或幾周的電學(xué)測(cè)試才能被找到。

要克服這個(gè)不足，人們開(kāi)發(fā)了一種新的在線探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)在探測(cè)不可見(jiàn)電學(xué)缺陷方面比傳統(tǒng)的技術(shù)要快10倍。另外，該技術(shù)獲得的電學(xué)數(shù)據(jù)還可以與可見(jiàn)缺陷關(guān)聯(lián)起來(lái)，這有助于鑒別致命缺陷和非致命缺陷。已表明，更快的缺陷探測(cè)和致因分析能夠縮短工藝開(kāi)發(fā)和成品率學(xué)習(xí)周期，加快量產(chǎn)步伐，加 速成品率恢復(fù)，更快將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，提高大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)量和利潤(rùn)。

可見(jiàn)缺陷探測(cè)方法速度很快，幾乎能用在產(chǎn)品晶圓制造工藝的任何地方。相比之下，用傳統(tǒng)方法探測(cè)不可見(jiàn)缺陷有幾種局限性：

它們通常依賴產(chǎn)品晶圓或

它們僅能用于以后的制造工藝。

它們檢測(cè)到的缺陷很難在產(chǎn)品晶圓或測(cè)試結(jié)構(gòu)中再定位和分析。

SRAM測(cè)試結(jié)構(gòu)可能對(duì)探測(cè)小缺陷不夠敏感。

在幾個(gè)ppb的量級(jí)上，要確保90nm及更高技術(shù)節(jié)點(diǎn)有穩(wěn)定的成品率，它們需要大量的晶圓才能提供有意義的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
在fab外的實(shí)驗(yàn)室做失效分析要花上很多天時(shí)間。

新技術(shù)擺脫了這些限制。它不僅快速，而且能在fab內(nèi)對(duì)特別設(shè)計(jì)的短流程（short-flow）測(cè)試晶圓做電學(xué)測(cè)量，并使用自動(dòng)聚焦離子束（FIB）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析，以便在數(shù)小時(shí)內(nèi)獲得可行的失效分析結(jié)果，而不再需要花費(fèi)數(shù)天的時(shí)間（圖1）。

測(cè)試方法

測(cè)試晶圓，稱為特征載體（CV），含有經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)工藝間相互作用很敏感，而這些相互作用則影響產(chǎn)品成品率。CV內(nèi)的測(cè)試結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工藝或工藝模塊定做的。CV覆蓋了大部分FEOL和BEOL出現(xiàn)的問(wèn)題，而且能完整覆蓋系統(tǒng)和隨機(jī)缺陷，并且只用3到6片晶圓就可得到1-3個(gè)ppt失效范圍的統(tǒng)計(jì)靈敏度。此外，由于CV是短流程測(cè)試芯片，設(shè)計(jì)為幾天內(nèi)制造完成（相比全流程晶圓數(shù)月時(shí)間），這實(shí)際上加快了學(xué)習(xí)周期。

在超凈間內(nèi)，大量使用CV的專用并行測(cè)試機(jī)是經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的，而且比當(dāng)前參數(shù)測(cè)試機(jī)要快10-15倍。電測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到綜合分析軟件，該軟件能詳細(xì)表征工藝缺陷模式。該軟件將電學(xué)數(shù)據(jù)與所有已知可見(jiàn)缺陷數(shù)據(jù)做關(guān)聯(lián)，能讓操作員從更寬廣的屬性角度選擇與分類缺陷。該軟件通過(guò)文件接口導(dǎo)出已選擇的數(shù)據(jù)和定位。

在電學(xué)測(cè)試完成后，有缺陷的晶圓和被測(cè)器件的位置數(shù)據(jù)被傳送給一個(gè)在線、全晶圓雙束FIB/SEM，以便對(duì)被選的缺陷做詳細(xì)的特性分析。雙束缺陷分析使用FIB在被選缺陷處切割出截面，暴露出襯底結(jié)構(gòu)以便用SEM做高分辨率成像。需要配備離子和電子束，以使SEM能夠?qū)ρ心ミ^(guò)的FIB截面成像。自動(dòng)化的高速平臺(tái)能快速精確地定位截面和成像中的缺陷，靠的是從電學(xué)測(cè)試機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。

分析處理分兩個(gè)階段。第一階段，操作員使用電勢(shì)對(duì)比成像（voltage contrast imaging）來(lái)識(shí)別和精確定位失效位置。電勢(shì)對(duì)比存在于SEM圖像中，是由樣本表面的電勢(shì)差引起的。電荷由掃描電子或離子沉積下來(lái)，并積累在未接地的非導(dǎo)體表面或?qū)w表面。積累的電荷改變了表面電勢(shì)以及用來(lái)SEM成像的二次電子信號(hào)的強(qiáng)度。電勢(shì)對(duì)比圖給我們提供了一種快速找出微電子電路短路與開(kāi)路的方法。缺陷一旦定位，雙束FIB/SEM就用FIB自動(dòng)研磨一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記。在這個(gè)研究中，我們可以定位開(kāi)路缺陷（>100 M-Ω）和短路缺陷（50 K-Ω）的最大速率約為每小時(shí)10處。缺陷的尺度范圍從小至50nm以下到大至40，000平方微米。

在第二個(gè)分析階段，雙束FIB/SEM自動(dòng)重訪每個(gè)被標(biāo)記的缺陷。利用特征識(shí)別程序，它先定位到先前的基準(zhǔn)標(biāo)記處，然后研磨一個(gè)精確放置的有缺陷的截面，最后得到襯底結(jié)構(gòu)的高分辨率成像。系統(tǒng)也許還需要交替使用切片-視圖法，其中一小部分的晶圓表面以增加的步長(zhǎng)被研磨，然后每步后進(jìn)行成像。每處截面和成像操作大概要花7分鐘時(shí)間。缺陷分析機(jī)把圖像上傳到電學(xué)測(cè)試機(jī)的分析數(shù)據(jù)庫(kù)，然后和特定的缺陷做關(guān)聯(lián)。這些圖像可以被存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有其他屬性使用，以優(yōu)先補(bǔ)償及促使成品率提高。

BEOL模塊結(jié)果

BEOL表征使用包含三層金屬的CV測(cè)試芯片，從Metal 1到Metal 3，包括通孔。通常的SoC產(chǎn)品中，CV設(shè)計(jì)包括超過(guò)1300種不同的布局布線。例如，要表征通孔節(jié)距的響應(yīng)，測(cè)試芯片涵蓋一系列的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)包含了不同的節(jié)距，而且不同的頂部和底部金屬都有覆蓋。另一組結(jié)構(gòu)則找出金屬形貌對(duì)上層金屬短路的影響。這些結(jié)構(gòu)的參數(shù)范圍和分布是嚴(yán)格設(shè)計(jì)的，這樣獲得的ppb級(jí)失效結(jié)論具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而這個(gè)失效級(jí)別是先進(jìn)工藝在使用最少測(cè)試晶圓數(shù)的條件下所要求的。

完成短流程工藝和通常的線內(nèi)檢查后，在專用的電學(xué)測(cè)試機(jī)中做BEOL CV測(cè)試。對(duì)每個(gè)300mm晶圓而言，其上所有的芯片和結(jié)構(gòu)做測(cè)試的時(shí)間大概是3小時(shí)。用分析軟件對(duì)電學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)分析以確定每類結(jié)構(gòu)的特性，包括失效率、成品率和空間結(jié)構(gòu)圖。這樣就可以研究缺陷率與布局布線特性或任何其它的可用測(cè)量數(shù)據(jù)的相關(guān)性。例如，由下層金屬形貌導(dǎo)致Metal 3短路可以被分析，以鑒別和最大缺陷率相關(guān)的密度、線寬和線間距。

分析軟件也可以只

選擇其它線內(nèi)檢查沒(méi)有探測(cè)到的缺陷——不可見(jiàn)缺陷。被選擇的缺陷然后被導(dǎo)出到缺陷分析機(jī)做進(jìn)一步特征分析。圖2顯示了圖1中某一缺陷的電勢(shì)對(duì)比圖像。圖3顯示了同一缺陷FIB截面的SEM圖像。在鏈的低層互連中很明顯已存在金屬空洞。

短流程法不僅能探測(cè)短路，而且還能探測(cè)開(kāi)路。一般而言，開(kāi)路（2 min/site）比短路（15 min/site）定位更快。圖4說(shuō)明了怎樣使用電勢(shì)對(duì)比和FIB技術(shù)來(lái)隔離金屬短接。

多晶硅模塊CV表征了淺槽隔離（STI）、多晶硅和金屬硅化物模塊。他包括一系列用多晶硅在場(chǎng)區(qū)和有源區(qū)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，可提供功能和參數(shù)特性。然后雙束FIB/SEM中的截面與成像有助于找出產(chǎn)生缺陷的根源。

FEOL CV完成接觸的擴(kuò)展特性，這種情況下，金屬與局部互連線接觸。圖5顯示了一個(gè)開(kāi)路接觸的FIB截面，懷疑是由外部殘留物所導(dǎo)致的。盡管這幅截面圖中電學(xué)斷開(kāi)不是很明顯，但是用于定位缺陷的電勢(shì)對(duì)比成像提供了確鑿的證據(jù)，表明這個(gè)接觸是開(kāi)路的。

隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷減小，用傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)不能檢測(cè)的缺陷比例不斷提高。傳統(tǒng)不可見(jiàn)缺陷檢測(cè)方法在晶圓工藝接近完成前是不可用的。延遲不可見(jiàn)缺陷的探測(cè)與分析，不僅延長(zhǎng)了工藝開(kāi)發(fā)和成品率學(xué)習(xí)周期，延緩了量產(chǎn)步伐，而且實(shí)際上加大了大規(guī)模生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

以上所描述的技術(shù)，結(jié)合了自動(dòng)FIB/SEM缺陷分析，可將不可見(jiàn)缺陷探測(cè)和分析時(shí)間降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。嚴(yán)格設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)構(gòu)對(duì)一系列設(shè)計(jì)參數(shù)有優(yōu)良的敏感性，而且樣本數(shù)足以在幾個(gè)ppb級(jí)上給出有統(tǒng)計(jì)意義的評(píng)估。該技術(shù)不僅有可靠的致命缺陷探測(cè)能力，還有優(yōu)異的鑒別妨礙缺陷（nuisance defects）的能力。所有這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)縮短產(chǎn)品和工藝開(kāi)發(fā)周期，加快可盈利量產(chǎn)步伐，和加速成品率損失的恢復(fù)都至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

1．Michael B. Schmidt et al., “New Methodology for Ultra-Fast Detection and Reduction of Non-Visual Defects at the 90nm Node and Below Using Comprehensive e-Test Structure Infrastructure and Inline DualBeam FIB,” ASMC 2006.

2．D. Ciplickas, S.F. Lee, A. Strojwas, “Critical Features: A New Paradigm for Evaluating IC Yield Loss,” Solid State Technology, 2001.