- 通孔的檢測(cè)技術(shù)
- 不同檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比
- 通過高壓產(chǎn)生電子束，照射硅片，激發(fā)出二次電子，
- 二次電子被探測(cè)器感應(yīng)并傳送至圖像處理器，
- 移動(dòng)晶圓到相同的芯片位子上對(duì)比兩者之間的區(qū)別
隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)推進(jìn)到更加先進(jìn)的深亞微米技術(shù)，半導(dǎo)體金屬布線的層數(shù)越來越多，相應(yīng)的通孔刻蝕工藝也越多，并且伴隨著通孔的尺寸隨著器件設(shè)計(jì)尺寸逐步縮小。以DRAM制造為例，存儲(chǔ)量由4M發(fā)展到512M時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)則由1μm縮小到0.16μm，其中通孔的尺寸也從0.8μm下降到了0.25μm。通孔尺寸越小，刻蝕的難度也越來越大，如果刻蝕不到位，就可能出現(xiàn)金屬布線間的開路，直接導(dǎo)致器件失效。
所謂通孔刻蝕，就是在兩層互連金屬線之間的層間膜內(nèi)刻蝕出一系列通孔的過程，通孔里面填入用于兩層金屬線間的互連金屬，通過這些金屬線把成千上萬(wàn)的晶體管連成具有一定功能的器件回路。層間膜通常都是各種各樣的氧化膜，因此，通孔刻蝕屬于氧化膜刻蝕。由于氧化膜透光的特性，平常的檢測(cè)技術(shù)往往很難抓通孔刻蝕的缺陷。業(yè)界會(huì)在產(chǎn)品下線前，對(duì)通孔刻蝕作一些簡(jiǎn)單的通孔直徑量測(cè)和物理切片來判斷它的工藝窗口（圖1）。
但是當(dāng)半導(dǎo)體工藝設(shè)備運(yùn)作中參數(shù)產(chǎn)生偏差時(shí)，往往線上的通孔直徑量測(cè)沒辦法及時(shí)反映出來，一直要等到良率出來才能發(fā)現(xiàn)問題，以至于有大量的生產(chǎn)產(chǎn)品受到污染，使工廠付出沉重的代價(jià)。而且當(dāng)產(chǎn)品到最終的良率測(cè)試后，發(fā)生問題時(shí)的生產(chǎn)機(jī)臺(tái)狀況已經(jīng)很難追蹤，不利于線上找到問題的原因，很難做持續(xù)改善。所以，及時(shí)抓到這種缺陷十分必要。
通孔的檢測(cè)技術(shù)
根據(jù)不同層面特性、缺陷尺寸和種類的不同，目前有三種主要的檢測(cè)技術(shù)，即暗場(chǎng)、明場(chǎng)和電子束檢測(cè)技術(shù)，以及自動(dòng)工藝檢測(cè)技術(shù)。
暗場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是指通過在暗場(chǎng)中的探測(cè)器捕獲缺陷的檢測(cè)方法。通常以激光作為入射光源，遇到晶片上的缺陷后被散射，在暗場(chǎng)背景上產(chǎn)生亮度（強(qiáng)度）不一的信號(hào)，然后通過探測(cè)器捕捉到缺陷信號(hào)，靈敏度適中，檢查速度快，成本低。其具體過程是：一、激光照射到硅片的某個(gè)位置；二、散射光被安置在暗場(chǎng)的探測(cè)器接收；三、探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳送至圖像處理器；四、圖像處理器將收集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，并對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析處理，從而判斷出是否存在缺陷。
暗場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)作為檢測(cè)晶片缺陷的有效手段之一，其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面：首先，在暗場(chǎng)獲得圖像的灰階易于控制和調(diào)節(jié)。暗場(chǎng)是位于硅片上方和硅片成30度角的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)獲得的圖像灰階，可以通過調(diào)節(jié)激光的能量和探測(cè)器的敏感度來輕松控制；其次，在暗場(chǎng)內(nèi)，可以很容易地辨認(rèn)有具體形態(tài)和位于硅片表面的缺陷，比如刮傷、微粒之類的缺陷；最后，使用暗場(chǎng)的檢測(cè)速度非常快，成本相對(duì)比較低，通常被用作快速分析影響產(chǎn)量的各類缺陷超出界定值的問題，AIT和COMPASS是在半導(dǎo)體制造企業(yè)廣泛應(yīng)用的暗場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備（如圖2和3所示）。[page]
明場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是指通過在明場(chǎng)中的探測(cè)器來捕獲缺陷的檢測(cè)方法，其檢測(cè)過程與暗場(chǎng)大致相同。不同點(diǎn)是：
一、采用高亮度白熾光或激光作為光源；
二、探測(cè)器被安置在位于硅片正上方的明場(chǎng)區(qū)域來接收反射光；
三、檢測(cè)的單位面積減小；
四、圖像處理器需要處理的數(shù)據(jù)量增大。
明場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)作為檢測(cè)晶片缺陷的有效手段之一，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：首先，明場(chǎng)可以檢測(cè)到尺寸更小的缺陷。運(yùn)用小于0.3微米的的垂直入射與反射探測(cè)技術(shù)，可以看到硅片上更多的細(xì)節(jié)；其次，沒有具體形態(tài)或很淺、很光滑的缺陷，在暗場(chǎng)下不容易被發(fā)現(xiàn)，而明場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)可以吧這些平面圖形或類平面圖形逐點(diǎn)地勾畫出來，從而判斷出缺陷，比如平面圖形缺陷中的遺漏圖形、橋接缺陷等，都是運(yùn)用明場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)來捕捉的。KLA-Tencor的明場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備在半導(dǎo)體制造企業(yè)廣泛應(yīng)用（如圖4所示）。[page]
電子束檢測(cè)技術(shù)是以精確聚焦的電子束來探測(cè)缺陷的檢測(cè)手段。
其檢測(cè)過程為：
一、通過高壓產(chǎn)生電子束，照射硅片，激發(fā)出二次電子、背散射電子、俄歇電子等（主要為二次電子）；
二、二次電子被探測(cè)器感應(yīng)并傳送至圖像處理器；
三、處理后形成放大圖像。
電子束檢測(cè)技術(shù)作為捕捉晶片缺陷的檢測(cè)手段之一，其具體優(yōu)點(diǎn)如下：
首先，它擺脫了照明光源，檢測(cè)結(jié)果不會(huì)受到類似變色、厚度不均等各種層面所帶來的物理因素的影響；其次，電子束的分辨率極高。因?yàn)樗臋z測(cè)單位是電子，電子要比微波以及任何尺寸的顆粒或缺陷都要小得多；再次，電子是帶有電性的電荷，所以它可以被用于分析材料的電性或電組織成分，這被稱作電壓對(duì)比度圖像，經(jīng)常被用于檢測(cè)類似開閉鎖等電子電路缺陷和通孔蝕刻不足等材料缺陷。電子束檢測(cè)設(shè)備一般有KLA-Tencor和HMI公司的Escan系列（如圖5所示）。
自動(dòng)工藝檢測(cè)技術(shù)是一種利用掃描電子顯微鏡缺陷再檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷直接檢測(cè)的技術(shù)，適用于對(duì)量產(chǎn)或工藝改變中已知有規(guī)律的缺陷進(jìn)行非連續(xù)的檢測(cè)。
其檢測(cè)過程為：
一、通過高壓產(chǎn)生電子束，照射硅片，激發(fā)出二次電子，
二、二次電子被探測(cè)器感應(yīng)并傳送至圖像處理器，
三、移動(dòng)晶圓到相同的芯片位子上對(duì)比兩者之間的區(qū)別。
自動(dòng)工藝檢測(cè)技術(shù)是掃描電子顯微鏡缺陷再檢測(cè)系統(tǒng)基體開發(fā)的，所以其設(shè)備和程式的設(shè)定都是共享，相對(duì)而言，對(duì)集成電路制造的花費(fèi)是最少的。其次它可以直接保存高分辨率圖象，節(jié)省了缺陷再檢測(cè)的時(shí)間，提高了缺陷檢測(cè)的效率。自動(dòng)工藝檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在普通光學(xué)缺陷檢測(cè)系統(tǒng)具有局限性的，如超微小缺陷和電性缺陷等方面的檢測(cè)。可對(duì)以下缺陷進(jìn)行直接檢測(cè)：連接斷開、殘余和橋接、圖形和連接未對(duì)準(zhǔn)、通孔部分刻蝕等。自動(dòng)工藝檢測(cè)技術(shù)開發(fā)在AMAT的掃描電子顯微鏡缺陷再檢測(cè)G2以后的系列上（如圖6所示）。[page]
不同檢測(cè)設(shè)備的對(duì)通孔刻蝕的檢測(cè)結(jié)果
由于暗場(chǎng)檢測(cè)儀器的接受的更多的信號(hào)源都是有一定角度的，所以這種檢測(cè)設(shè)備會(huì)對(duì)晶圓的表面更敏感。所以在對(duì)通孔刻蝕后晶圓進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果來看，能抓到更多的是表面的微粒以及通孔刻蝕過程中的聚合物殘留。所以暗場(chǎng)檢測(cè)儀器在對(duì)通孔刻蝕檢測(cè)結(jié)果不盡如人意，它只能對(duì)通孔刻蝕過程后芯片表面的殘留進(jìn)行有效的檢測(cè)，可是對(duì)于通孔刻蝕狀態(tài)沒法完全反映（如圖7所示）。
根據(jù)明場(chǎng)檢測(cè)儀器對(duì)通孔刻蝕的檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)明場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)只能抓住對(duì)通孔未刻蝕開的缺陷，而對(duì)于刻蝕過程中產(chǎn)生的刻蝕不完全缺陷則很難檢測(cè)到。結(jié)果表明，由于此缺陷在通孔內(nèi)太過深入，探測(cè)器能夠收集到的反射電子較少，信號(hào)很弱，導(dǎo)致明場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)無(wú)法正常而有效的檢測(cè)到這類缺陷的存在（如圖8所示）。
電子束檢測(cè)技術(shù)以電壓襯度像為主要內(nèi)容，其優(yōu)點(diǎn)是可在不詳細(xì)了解電路內(nèi)部單元的情況下，利用高能電子束與集成電路的相互作用而進(jìn)行集成電路的故障定位和失效機(jī)理分析。電壓襯度像可對(duì)金屬布線層上和電路單元上的電位進(jìn)行分析，從而判斷電路邏輯是否正確。
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實(shí)驗(yàn)表明通孔刻蝕不足缺陷完全可以被E-scan300檢測(cè)到。其不足在于，電子束檢測(cè)技術(shù)以聚焦電子束作為檢測(cè)源，雖然靈敏度極高，但是檢測(cè)速度慢、價(jià)格高，而且高靈敏度的同時(shí)也帶來了很多干擾信號(hào)，在實(shí)際生產(chǎn)中，在許多干擾信號(hào)中找出正確的通孔刻蝕不足缺陷將受到很大程度的限制（如圖9所示）。
自動(dòng)工藝檢測(cè)技術(shù)是對(duì)電子束檢測(cè)技術(shù)補(bǔ)充。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常能發(fā)現(xiàn)通孔刻蝕的一些系統(tǒng)性缺陷，它主要由于刻蝕設(shè)備及其工藝在調(diào)試過程中還沒達(dá)到最好的工藝窗口，或者工藝窗口的漂移使刻蝕設(shè)備的一些薄弱部位提前顯現(xiàn)在通孔刻蝕工藝過程中。實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)一顆產(chǎn)品的薄弱部位進(jìn)行定點(diǎn)檢測(cè)，來反映整片晶圓的工藝條件（如圖10所示）。
最終的實(shí)驗(yàn)證明自動(dòng)工藝檢測(cè)結(jié)果與最終良率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表明自動(dòng)工藝檢測(cè)可以反映存儲(chǔ)單元內(nèi)接觸孔通孔刻蝕的狀態(tài)。對(duì)于在生產(chǎn)線上檢驗(yàn)到薄弱部位有刻蝕不完全比較多的晶圓，其對(duì)應(yīng)的正常存儲(chǔ)單元內(nèi)也有較多的接觸孔有刻蝕不完全問題。可以通過對(duì)產(chǎn)品的薄弱部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)達(dá)到對(duì)正常存儲(chǔ)單元內(nèi)接觸孔刻蝕狀態(tài)的實(shí)時(shí)反映，這對(duì)接觸孔的刻蝕工藝改進(jìn)有極大的促進(jìn)作用（如圖11所示）。
在眾多的通孔刻蝕檢測(cè)案例中，發(fā)現(xiàn)通孔刻蝕的檢測(cè)技術(shù)有多種多樣，關(guān)鍵是要看對(duì)DOI（DefectofInteresting）的判斷。根據(jù)所要檢測(cè)的缺陷特性及檢測(cè)設(shè)備的原理選擇正確的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)缺陷及工藝的改善才能事半功倍。
