应对45nm缺陷挑战

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在半导体行业的早期，在实施缺陷检查时，会将晶圆置于光线明亮之处，查看表面上的灰尘和其它微粒，并计算散射中心的数量。上世纪 90 年代初，业界领先企业开始引入在线缺陷检查，以提高良率，增加盈利并加快其产品上市步伐。如今，全球最先进的晶圆代工厂使用一整套高度自动化的缺陷检查和复查系统，借助尖端的光学或电子束技术及专门算法，可以发现并区分各种微粒和图形缺陷。

45nm 缺陷挑战

业界领先的逻辑、存储及晶圆厂家已推出许多创新性解决方案，以应对其技术挑战，从而完成 45nm 节点的工艺开发工作。在光刻领域，出现了两次成形和间隔掩膜等新技术。但是，越来越多的层数需要使用浸没式扫描曝光机产生期望的图形。45nm 节点级的新材料和技术包括应变强化、超浅接面 (USJ)、超低介电常数材料、高介电常数或金属门，以及新的后段制程 (BEOL) 覆层和阻障层。晶圆厂还采用了新的体系架构和设备结构，例如 FinFET DRAM，相变内存和 NAND 电荷陷阱。

所有这些创新都对缺陷性有所影响（图 1）。随着更细微的新型缺陷的出现，检查系统必须具备极高的灵敏度。每个晶圆上有成千上万的缺陷， 扫描电子显微镜 (SEM) 只能检测到并区分 50 到 100 个缺陷。因此，这一微小样本必须准确呈现晶圆上影响良率的缺陷（“致命缺陷”）数量，这一点正变得越来越重要。借助一个好的扫描电子显微镜样本，检查工具能够给出一个可操作的缺陷分类柱状图分析，帮助缺陷和良率工程师以对周期的最小影响，快速准确地解决缺陷问题。

晶圆检查技术

在 45nm 节点级，芯片制造商利用一系列检查和复查工具，包括明暗场光学图形晶圆检查仪、电子束图形晶圆检查仪、晶圆边缘及斜面专用检查仪以及无图形晶圆检查仪。这些工具使用光子（光）或电子检测缺陷，并生成一个缺陷坐标图。根据散射／反射／放射的光或电子的特性，它们还能够对缺陷进行大致分类。

晶圆检查和复查的目的是生成一个能够精确反应被检查晶圆上关键缺陷 (DOI) 的缺陷分类柱状图。缺陷检查系统的作用是最大化关键缺陷的捕获，并最小化非关键缺陷的捕获，或将其准确识别为非关键缺陷。随后，关键缺陷的样本被发送到复查系统，进行详细分类。最后将生成一个缺陷分类柱状图，帮助缺陷和良率工程师迅速识别并解决缺陷问题。

借助准确、可操作的缺陷分类柱状图，工程师们还能够预测一个批次、一个晶圆甚至同一印模产品的良率。一个好的缺陷分类柱状图还能够帮助工程师调整抽样计划，例如，通过引入其它检查点来检查制程中可能产生缺陷的一个中间环节。

在制程开发过程中，可能每一片晶圆在每一个站点都被检查，所使用的技术和方法能够确保发现所有缺陷类型。一些缺陷在开发阶段即可被消除；另一些将被确认为需要在生产中密切关注的类型。在准备工艺运行和量产时，可以对检查系统进行调整，使其有选择地捕获关键缺陷。在工艺运行和量产期间，并非对每个晶圆进行抽样，而是制订一个抽样计划，该计划将考虑检查系统对关键缺陷类型的捕获率。具有较低捕获率需求的检查系统在每一批次中抽样更多晶圆。

明暗场图形晶圆检查系统

当晶圆产品在生产流程中，明暗场图形晶圆检查系统使用光对其表面缺陷进行检查。这些工具会检查图形中的缺陷以及如微粒等附着缺陷。使用明场还是暗场系统主要取决于对被检查层表面的关键缺陷的捕获率及工具的所有成本（产能）的平衡考虑。在很多情况下，暗场系统有更高的产能，而宽带明场系统有更好的灵敏度，能够感测到更广泛的缺陷类型——虽然也有例外。多数晶圆厂使用明场和暗场结合的检查系统，以确保发现所有层中的全部关键缺陷，并实施最有效力和效率的抽样策略。

近年来，被半导体行业称作明场和暗场检查系统之间的区别已经变得比较模糊。如今的明场系统通常具备暗场操作模式，这基本上是通过采用特殊的专业光圈实现。另一方面，某些暗场系统也通过增加新的采集器或探测器引入了明场模式。但是，在光学显微领域，术语明场和暗场在最初有着其清晰的含义。明场系统（或子系统）利用反射束（以与入射角相同的反射角度从基底反射的光束）构造其图像。暗场系统（或子系统）利用反射束之外的散射光构造其图像。研究用显微镜往往均包括这两种模式，这是由于某些样本在明场模式下有更好的对比度，而另一些样本则在暗场模式下更为清晰。同样，在缺陷检测中：明场可以帮助更好地捕获特定层上的某些缺陷类型，而暗场则能够帮助更好地捕获其它层上的其它缺陷类型。

在设计中有关光学检查技术的另一个重要的考虑是宽带和窄带光源的比较。宽带系统使用一个非常高光强度的灯提供一系列波长，而窄带系统则使用激光来产生单独一个波长。宽带设计的优势在于灵活性和对非关键缺陷的抑制。在明场系统（图 2）中，微粒缺陷类型和各层的对比度（或信噪比）在很大程度在取决于使用波长的不同。2 基于激光的单波长明场系统可能会得益于高光强，但仅限于有限的应用。绝大多数制造商使用宽带明场系统，以便更加灵活地捕获特定层的缺陷类型，并能够随着制程变化更改检查点。

但是，对于暗场技术，激光源比宽带有更大优势。由于暗场系统依赖反射束之外的散射光，激光源提供的更高强度对于在高速下捕捉强缺陷信号至关重要。此外，结合入射余角设计（见下段）时，暗场系统比明场系统更多地依赖外形特征而非材质对比来捕获缺陷。因此，暗场系统不需要在明场系统中具有优势的波长灵活性。

在光学晶圆检查技术中另一个重要因素是入射角。调整光射到缺陷上的角度将显著影响缺陷与其周围的对比。暗场系统经常使用入射余角以提高对多种类型缺陷的捕获率。入射余角还会极大地缩短光穿透表面的距离，使系统能够将表面下缺陷排除在其捕获的缺陷群之外。排除表面下的缺陷将为缺陷工程师识别缺陷源提供有力帮助。

目前，领先的晶圆代工厂大多使用宽带明场晶圆检查系统和窄带（基于激光的）暗场系统。最新的宽带明场系统也具备暗场模式（借助专业光圈实现）和相衬模式（使用光的相位作为另一个对比机制）。先进的暗场检查仪同时具备入射余角和常规（垂直）照明模式，并可包括一个明场通道。“明场”和“暗场”系统之间的平衡（二者区别已经变得非常模糊，故使用引号）以及对特定检查点或检查层使用哪个系统逐渐取决于主要的关键缺陷类型、芯片技术和芯片厂商的良率管理策略。近期已在其它地方公布了一项确定检查技术最佳组合的新方法。