計(jì)量和晶圓檢測(cè)流程正在發(fā)生變化，以跟上不斷發(fā)展的新設(shè)備應(yīng)用。雖然工廠車間仍然有大量的 OCD 工具、橢圓儀和 CD-SEM，但新系統(tǒng)正在具有越來(lái)越多的 3D 結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及它們所包含的新材料。例如，混合鍵合、3D NAND 閃存設(shè)備和納米片 FET 等工藝正在突破現(xiàn)有工具的界限。

半導(dǎo)體計(jì)量學(xué)就是關(guān)于表征、監(jiān)測(cè)和控制各個(gè)半導(dǎo)體工藝，以最大限度地提高成品器件的產(chǎn)量。計(jì)量和檢測(cè)平臺(tái)在能夠測(cè)量最小的缺陷或圖案邊緣，在相對(duì)較大的視場(chǎng)上，以確保 300mm 晶圓的高產(chǎn)量。

為了滿足亞 20nm 間距的 N3 代器件的需求，基于光學(xué)、電子束（e-beam）、X 射線、掃描探針（AFM）等系統(tǒng)的工具必須以與時(shí)俱進(jìn)的速度測(cè)量相關(guān)參數(shù)與在制品 (WIP)，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度至關(guān)重要。晶圓檢測(cè)的目標(biāo)是檢測(cè)影響良率的致命缺陷，通常是關(guān)鍵特征尺寸的 10% 到 30%。

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的計(jì)量和檢測(cè)需求越來(lái)越受到晶圓廠中范圍廣泛的新結(jié)構(gòu)的影響（見(jiàn)圖 1）。其中包括 3D 納米片晶體管中的 SiGe/Si 堆棧、完全耗盡的絕緣體上硅 (SOI) 器件、新的背面功率傳輸方法以及通過(guò)混合鍵合實(shí)現(xiàn)的芯片堆疊技術(shù)。

國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖 (IRDS) 闡述了這種范式轉(zhuǎn)變：「從廣義上講，表征邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備結(jié)構(gòu)所需的參數(shù)的形狀、數(shù)量和位置比單獨(dú)的尺寸帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。亞 20 納米的特征很難測(cè)量。然而，設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和新材料的使用使具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境進(jìn)一步復(fù)雜化?！龟P(guān)鍵計(jì)量和檢測(cè)技術(shù)的擴(kuò)展系列始于支持圖案化過(guò)程的計(jì)量。

EUV 生產(chǎn)率

隨著 EUV 光刻 (EUVL) 的使用勢(shì)頭越來(lái)越強(qiáng)，EUVL 引起的隨機(jī)振蕩已成為一個(gè)主要挑戰(zhàn)。隨機(jī)振蕩是指可能導(dǎo)致圖案化抗蝕劑薄膜出現(xiàn)缺陷的圖案可變性，并已成為關(guān)鍵的計(jì)量障礙。由于 CD 通常使用 CD-SEM 進(jìn)行測(cè)量，因此解決隨機(jī)變化的軟件與 CD-SEM 輸出相關(guān)聯(lián)。隨著預(yù)算的不斷縮減，覆蓋仍然是提高設(shè)備良率的制約因素。

在最好的情況下，計(jì)量系統(tǒng)是制造過(guò)程開(kāi)發(fā)、控制和改進(jìn)以及更快的產(chǎn)量提升的關(guān)鍵推動(dòng)因素——通常是通過(guò)結(jié)合人工智能方法的更好分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而且由于計(jì)量平臺(tái)是在進(jìn)入晶圓廠大批量制造之前開(kāi)發(fā)的，因此它們的發(fā)展遵循趨勢(shì)。

Nova 首席技術(shù)官 Shay Wolfling 表示：「過(guò)去幾年，復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)的計(jì)量學(xué)在 3D NAND 和高級(jí)邏輯中提出了多重挑戰(zhàn)，現(xiàn)在我們也看到客戶轉(zhuǎn)向 3D DRAM 的跡象?！?「而先進(jìn)封裝，顧名思義，是一個(gè)復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)。我們?cè)絹?lái)越多地看到，無(wú)論是在客戶利益方面，還是在尺寸和材料技術(shù)復(fù)雜性方面，先進(jìn)封裝挑戰(zhàn)都類似于半導(dǎo)體前端的挑戰(zhàn)?！?/span>

因此，主要趨勢(shì)圍繞著：

器件結(jié)構(gòu)和新材料的復(fù)雜性，推動(dòng)了計(jì)量學(xué)的需求以及持續(xù)的縮放。

混合計(jì)量方法，它將在未來(lái)盛行，因?yàn)闆](méi)有一種技術(shù)可以解決所有需要的參數(shù)和測(cè)量。

更快的測(cè)量，這需要更亮的光源和更多的通道來(lái)提供更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

理想情況下，計(jì)量系統(tǒng)利用人工智能和深度學(xué)習(xí)工具進(jìn)行智能數(shù)據(jù)分析，最終解決計(jì)量的所有方面，包括圖像和數(shù)據(jù)分析、推理、與建模和仿真的集成、預(yù)測(cè)以及與晶圓工藝步驟的關(guān)聯(lián)。

「您不僅需要以極高的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還需要能夠處理所有這些數(shù)據(jù)并生成高保真 3D 地圖，」諾信測(cè)試與檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)光學(xué)部門研發(fā)副總裁 Tim Skunes 說(shuō)。「所以你的算法的能力需要非常高?！?/span>

光學(xué)的優(yōu)勢(shì)

吞吐量最高的系統(tǒng)，全部基于光學(xué)，是原位（在處理室中）和在線（獨(dú)立）過(guò)程控制的首選工具。與此同時(shí)，NAND 閃存、高級(jí)邏輯和新型 3D DRAM 中更多的 3D 結(jié)構(gòu)正在催生具有多個(gè)光源和多個(gè)檢測(cè)器的工具，以解析 3D 結(jié)構(gòu)，同時(shí)加快吞吐量。

如今，Onto Innovation、Nova、Applied Materials、KLA 和 Hitachi High Tech 提供了多個(gè)具有生產(chǎn)價(jià)值吞吐量的平臺(tái)。

在 5nm 和 3nm 節(jié)點(diǎn)，芯片制造商正在從使用深紫外光刻 (193nm) 的雙重或四重圖案化過(guò)渡到關(guān)鍵級(jí)別（晶體管定義、第一金屬層）的 EUV 光刻（13.5nm），再到圖案化 25nm 特征。與 193nm 相比，EUV 提高了光刻分辨率，同時(shí)減少了光刻通道的次數(shù)，提高了保真度并降低了制造成本。向高 NA EUV 的過(guò)渡有望實(shí)現(xiàn) 20 納米圖案化和 13 納米自對(duì)準(zhǔn)雙圖案化。

掩模上的缺陷

正確控制晶體管柵極長(zhǎng)度的變化始于掩模計(jì)量。

「掩模和晶圓的不同之處在于，同一個(gè)掩模用于制造所有晶圓上的所有芯片，因此掩模上的缺陷就是所有晶圓上的缺陷，」D2S 董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 說(shuō)。

為了幫助進(jìn)行圖案化掩模檢測(cè)，Lasertec 引入了改進(jìn)的光化掩模檢測(cè)，可識(shí)別可印刷掩模缺陷。光化檢測(cè)使用高功率 EUV 光源 (13.5nm) 生成高分辨率、高對(duì)比度的缺陷圖像——最重要的是，捕獲使用非光化深紫外檢測(cè)無(wú)法解決的相位缺陷。光化圖案掩膜檢測(cè) (APMI) 與 ASML 的多束電子束檢測(cè)器相結(jié)合，可以捕獲更多此類掩膜缺陷，并通過(guò)多束檢測(cè)實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。

Fujimura 指出，使用 EUV（也稱為逆光刻技術(shù)）在產(chǎn)生理想掩模圖案方面做得更好的曲線掩模正在取代曼哈頓式掩模布局?！窱LT 設(shè)計(jì)的曲線掩膜形狀使計(jì)量、檢查和維修更加復(fù)雜。由于掩膜上的真實(shí)形狀（相對(duì)于 CAD 圖紙）一直是曲線的，即使對(duì)于繪制為曼哈頓形狀的 CAD 形狀，在基礎(chǔ)層面上也沒(méi)有太大區(qū)別。但在實(shí)際層面上，例如考慮曲線形狀數(shù)據(jù)表示的效率，數(shù)據(jù)流和工具需要成熟，因?yàn)樵撔袠I(yè)正在將曲線格式作為 SEMI 標(biāo)準(zhǔn)?！?/span>

光刻單元中的計(jì)量

光刻單元中執(zhí)行三種計(jì)量活動(dòng)——材料和工具鑒定、工藝窗口發(fā)現(xiàn)以及工藝窗口鑒定和控制。材料和工具鑒定通常使用未圖案化的晶圓檢測(cè)工具在生產(chǎn)使用前檢查缺陷。

在工藝窗口發(fā)現(xiàn)期間，光刻工程師執(zhí)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 以量化工藝余量邊界。工藝窗口擴(kuò)展涉及有目的地調(diào)制掃描儀在晶圓上的曝光和劑量值，例如，通常使用 DUV 檢查來(lái)識(shí)別熱點(diǎn)。此外，可以調(diào)制疊加（一個(gè)特征在底層特征上的排列），以識(shí)別布局中的模式敏感性并進(jìn)一步量化工藝窗口。這些分析使用高分辨率光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，然后進(jìn)行電子束檢測(cè)以確認(rèn)實(shí)際缺陷。原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量是一種掃描探針，可作為參考標(biāo)準(zhǔn)（CD-AFM）。

光學(xué)和電子束系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)，而且通常協(xié)同工作。對(duì)于缺陷檢測(cè)，光學(xué)系統(tǒng)在檢測(cè)整個(gè)晶圓、晶圓與晶圓以及批次之間的缺陷率趨勢(shì)方面做得最好。電子束檢測(cè)，無(wú)論是使用單束還是多束，都提供了優(yōu)于其他光學(xué)方法的準(zhǔn)確性和靈敏度，并且非常擅長(zhǎng)檢測(cè)重復(fù)（系統(tǒng)）缺陷。不幸的是，低吞吐量仍然限制了大批量生產(chǎn)中的層的使用。

3D 結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和變形，從而導(dǎo)致邊緣放置錯(cuò)誤。NAND 閃存芯片制造商是第一個(gè)采用廣泛晶圓形狀計(jì)量的制造商，這些計(jì)量與覆蓋和其他計(jì)量工具協(xié)同工作，將晶圓形狀的不規(guī)則性反饋到掃描儀，從而補(bǔ)償從晶圓中心到邊緣的局部晶圓形狀。根據(jù)應(yīng)用材料公司的說(shuō)法，晶圓廠最常量化整體誤差，稱為邊緣放置誤差，其中包含 CD、覆蓋和工藝變化（見(jiàn)圖 2）。該公司還發(fā)現(xiàn)了一種趨勢(shì)，即從關(guān)鍵光刻步驟中的單層圖案化控制轉(zhuǎn)向多層集成控制，其中兩到三層的工藝窗口一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)優(yōu)化。

光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到使用一系列波長(zhǎng)（寬帶紫外線檢測(cè)）、使用偏振光（橢圓光度法）或使用多角度散射測(cè)量法來(lái)收集有關(guān)設(shè)備的更多信息。除了使用多種波長(zhǎng)和偏振的光外，光的相位還可以對(duì)形貌測(cè)量產(chǎn)生額外的敏感性。

基于圖像的疊加測(cè)量或散射測(cè)量用于大批量生產(chǎn)。對(duì)于劃線中基于圖像的目標(biāo)，通常比設(shè)備特征大 5 倍，測(cè)量會(huì)針對(duì)這種計(jì)量到設(shè)備的偏移進(jìn)行校正。CD-SEM 捕獲局部變化，包括隨機(jī)性。芯片制造商都在轉(zhuǎn)向更小的目標(biāo)，并使用現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)來(lái)更好地代表實(shí)際設(shè)備功能。莫爾效應(yīng)目標(biāo)——一種疊加的線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)用散射測(cè)量法成像時(shí)會(huì)導(dǎo)致與對(duì)準(zhǔn)偏移相對(duì)應(yīng)的反射差異——使客戶能夠最大限度地減少疊加中的總測(cè)量不確定性。

圖 2：晶圓廠正在轉(zhuǎn)向多層測(cè)量，以捕獲導(dǎo)致邊緣放置誤差的所有良率限制因素。來(lái)源：應(yīng)用材料

為應(yīng)用選擇合適波長(zhǎng)的光的能力很重要。例如，3D NAND 堆棧通常由二氧化硅和氮化硅層組成，因此近紅外波段橢圓偏振儀效果很好。

「對(duì)于幾十微米厚的 3D NAND 堆棧，我們有一個(gè)名為 Aspect 的工具，它利用 5 到 10 微米的中紅外波長(zhǎng)，」Onto Innovation 應(yīng)用開(kāi)發(fā)總監(jiān) Nick Keller 說(shuō)?！肝覀兪褂眠@種光有幾個(gè)原因，因?yàn)槎询B太厚了，還因?yàn)槟銖慕殡姴牧现蝎@得了這些強(qiáng)吸收帶。因此，橢圓計(jì)使用吸收帶按波長(zhǎng)過(guò)濾不同的深度。通過(guò)建模，你基本上可以得到結(jié)構(gòu)的整個(gè)輪廓?！?/span>

該系統(tǒng)可在單次測(cè)量中對(duì)縱橫比為 80:1 的通道孔的大型陣列進(jìn)行在線測(cè)量。AI Diffract 軟件有助于快速處理數(shù)據(jù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)在計(jì)量學(xué)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用?！腹鈱W(xué)工具的一大優(yōu)勢(shì)在于您可以在快速覆蓋大面積的同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)。關(guān)鍵問(wèn)題是如何將靈敏度與感興趣的實(shí)際參數(shù)相關(guān)聯(lián)，」Nova 的 Wolfling 說(shuō)?！肝覀円呀?jīng)證明，通過(guò)良好的機(jī)器學(xué)習(xí)培訓(xùn)，我們可以將光學(xué)計(jì)量用于以前由較慢的 AFM 或 CD-SEM 或 AFM 使用的應(yīng)用。我們以 CD-SEM 或 AFM 作為參考來(lái)訓(xùn)練我們的光學(xué)測(cè)量，通過(guò)這種訓(xùn)練，我們能夠檢測(cè)和量化，例如，光學(xué)線邊緣粗糙度和形貌變化。」他指出，CD-SEM 和 AFM 仍將用于監(jiān)控和不斷改進(jìn)光學(xué)工具的培訓(xùn)。

納米片晶體管計(jì)量

盡管納米片與 finFET 架構(gòu)有普遍的相似之處，但納米片——或者更普遍地說(shuō)，環(huán)柵晶體管在納米片之間具有隱藏的間隙——對(duì)檢測(cè)和計(jì)量來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。

圖 3：需要結(jié)合計(jì)量技術(shù)來(lái)生成 3D 結(jié)構(gòu)的所有必要測(cè)量值。來(lái)源：新星

基于應(yīng)變的結(jié)構(gòu)可以使用拉曼光譜在線表征，這是對(duì)其他方法的補(bǔ)充。許多客戶在大批量生產(chǎn)中使用拉曼光譜來(lái)監(jiān)測(cè)器件結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變、應(yīng)力和結(jié)晶度。因此，拉曼對(duì)監(jiān)測(cè)器件的晶相或檢測(cè)硅鍺周圍的缺陷或殘留物非常敏感。

Wolfling 指出，與散裝材料特性相比，拉曼光譜在設(shè)備上直接測(cè)量的性能實(shí)際上更好。「它對(duì)材料非常敏感，」他說(shuō)?！咐?，finFET 中的硅鍺和體中的 SiGe 不會(huì)產(chǎn)生相同的原始信號(hào)。這種方法符合設(shè)備上測(cè)量的總體趨勢(shì)?！?/span>

BEOL 計(jì)量和檢測(cè)

散射測(cè)量是一種基于衍射的計(jì)量主力，在溝槽深度、接觸和過(guò)孔結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用。散射測(cè)量使用單波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)工具為許多參數(shù)提供線形計(jì)量和平均計(jì)量值。與基于圖像的計(jì)量學(xué)相比，它還可以提供改進(jìn)的總測(cè)量不確定度。

Nova 開(kāi)發(fā)了垂直行進(jìn)散射測(cè)量法，該方法除了收集反射光束的強(qiáng)度外，還收集光相位信息。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量靈敏度更高，而且能夠選擇要測(cè)量的層而不會(huì)受到底層的干擾。

混合鍵合

2.5D 和 3D 封裝的趨勢(shì)給計(jì)量和檢測(cè)工具帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)?！父鶕?jù)定義，先進(jìn)封裝是 3D 的，」Wolfling 說(shuō)。在先進(jìn)封裝問(wèn)題上，混合鍵合是一個(gè)非常強(qiáng)大的領(lǐng)域，也是一個(gè)重大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Nova 以集成計(jì)量起家，因此平面化和拋光起著關(guān)鍵作用。當(dāng)您將晶圓鍵合在一起時(shí)，它們需要非常均勻。因此，我們看到越來(lái)越多的原位 CMP 計(jì)量要求，并且我們針對(duì)這些鍵合層提供了集成的計(jì)量解決方案。

之所以稱為混合鍵合，是因?yàn)樗鼘~互連從一個(gè)器件連接到另一個(gè)器件，并連接它們之間的介電場(chǎng)。在大約 10μm 的焊盤間距下，需要混合鍵合，因?yàn)閷⑽⑼箟K鍵合到微凸塊的熱壓鍵合不再能夠可靠地?cái)U(kuò)展。

除了光學(xué)工具之外，原子力顯微鏡還廣泛用于研發(fā)，以開(kāi)發(fā)混合鍵合之前所需的適當(dāng)凹陷銅剖面。AFM 具有將輪廓從一個(gè)特征映射到另一個(gè)特征所需的特定 z 高度分辨率。

用于排列兩個(gè)鍵合晶圓的疊加計(jì)量使用紅外顯微鏡（1310nm 或?qū)拵В?，它可以穿透硅晶圓的整個(gè)深度。這種計(jì)量必須內(nèi)置到混合鍵合工具中。

必須檢測(cè)粘合界面缺陷和空隙。事實(shí)上，對(duì)無(wú)缺陷鍵合表面的需求是晶圓到晶圓和芯片到晶圓鍵合從研發(fā)到生產(chǎn)如此具有挑戰(zhàn)性的部分原因。

使用超聲波通過(guò)去離子水的掃描聲學(xué)顯微鏡 (SAM) 可以檢測(cè)到此類空隙，但對(duì)氣密性的擔(dān)憂正在推動(dòng)干法或噴涂技術(shù)的發(fā)展，以保護(hù)鍵合晶圓界面。理想情況下，缺陷審查程序是為 HVM 中的鍵合晶圓或裸片開(kāi)發(fā)的。

「混合鍵合仍然存在很多挑戰(zhàn)，也許最大的挑戰(zhàn)不是技術(shù)性的，」Skunes 說(shuō)?！高@是生態(tài)系統(tǒng)中不同部分的數(shù)量，它們必須聚集在一起才能真正實(shí)現(xiàn)它?！?/span>

圖 4：顯示 2D 和 3D 圖像的故障缺陷審查。來(lái)源：CyberOptics 部門，Nordson Test & Inspection

在晶圓級(jí)封裝中，凸點(diǎn)計(jì)量對(duì)于確保每個(gè)晶圓上數(shù)百個(gè)（如果不是數(shù)千個(gè)）凸點(diǎn)符合規(guī)格非常重要。Skunes 指出，對(duì)微凸塊最感興趣的參數(shù)包括 XY 偏移、凸塊直徑、局部凸塊高度和每個(gè)芯片的凸塊共面性。焊膏的光學(xué)檢查可以測(cè)量 XY 偏移、面積、體積并檢測(cè)橋接。例如，光學(xué)審查結(jié)果包括顯示由 MRS 傳感器捕獲的 2D 和 3D 圖像（見(jiàn)圖 4），還有一個(gè)額外的高倍率光學(xué)元件，可實(shí)現(xiàn) 0.2μm 的高度分辨率。

Skunes 說(shuō)：「我們相信 100% 檢查將改變游戲規(guī)則，尤其是在汽車等細(xì)分市場(chǎng)，汽車中的電子產(chǎn)品含量持續(xù)快速增長(zhǎng)?！乖摴镜墓鈱W(xué)檢測(cè)工具使用多達(dá)四個(gè)探測(cè)器以 5μm 橫向分辨率 (xy) 和亞微米 z 分辨率對(duì)晶圓微凸塊進(jìn)行成像。

Bruker 的應(yīng)用和產(chǎn)品管理總監(jiān) Frank Chen 最近描述了對(duì)包含潛在缺陷的現(xiàn)場(chǎng)故障存儲(chǔ)設(shè)備執(zhí)行的故障分析。他們?cè)谥圃爝^(guò)程中通過(guò)了探測(cè)和電應(yīng)力測(cè)試，但是當(dāng)使用 X 射線 CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）進(jìn)行缺陷檢查進(jìn)行 FA 分析時(shí)，它揭示了客戶抽樣策略遺漏的多個(gè)凸塊上的邊際缺陷?！府a(chǎn)量管理策略沒(méi)有改變的部分原因是缺乏可以快速可靠地捕獲這些隱藏的潛在缺陷的在線技術(shù)，」他說(shuō)。

結(jié)論

現(xiàn)有的計(jì)量方法正在擴(kuò)展，以滿足不斷增加的 3D 應(yīng)用列表的需求，而新技術(shù)則為從實(shí)驗(yàn)室到晶圓廠的特定應(yīng)用。解決方案正在根據(jù)測(cè)量的材料以及 3D 集成的新架構(gòu)需求進(jìn)行定制。