- 通孔的檢測技術(shù)
- 不同檢測設(shè)備的檢測結(jié)果對比
- 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，對通孔刻蝕作一些簡單的通孔直徑量測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技術(shù)，即暗場、明場和電子束檢測技術(shù)，以及自動(dòng)工藝檢測技術(shù)。
暗場檢測技術(shù)是指通過在暗場中的探測器捕獲缺陷的檢測方法。通常以激光作為入射光源，遇到晶片上的缺陷后被散射，在暗場背景上產(chǎn)生亮度（強(qiáng)度）不一的信號(hào)，然后通過探測器捕捉到缺陷信號(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的探測器接收；三、探測器將光信號(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。
暗場檢測技術(shù)作為檢測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，在暗場獲得圖像的灰階易于控制和調(diào)節(jié)。暗場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)激光的能量和探測器的敏感度來輕松控制；其次，在暗場內(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，使用暗場的檢測速度非常快，成本相對比較低，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)用的暗場檢測設(shè)備（如圖2和3所示）。[page]
明場檢測技術(shù)是指通過在明場中的探測器來捕獲缺陷的檢測方法，其檢測過程與暗場大致相同。不同點(diǎn)是：
一、采用高亮度白熾光或激光作為光源；
二、探測器被安置在位于硅片正上方的明場區(qū)域來接收反射光；
三、檢測的單位面積減小；
四、圖像處理器需要處理的數(shù)據(jù)量增大。
明場檢測技術(shù)作為檢測晶片缺陷的有效手段之一，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：首先，明場可以檢測到尺寸更小的缺陷。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，在暗場下不容易被發(fā)現(xiàn)，而明場檢測技術(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)用明場檢測技術(shù)來捕捉的。KLA-Tencor的明場檢測設(shè)備在半導(dǎo)體制造企業(yè)廣泛應(yīng)用（如圖4所示）。[page]
電子束檢測技術(shù)是以精確聚焦的電子束來探測缺陷的檢測手段。
其檢測過程為：
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。
電子束檢測技術(shù)作為捕捉晶片缺陷的檢測手段之一，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，這被稱作電壓對比度圖像，經(jīng)常被用于檢測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)工藝檢測技術(shù)是一種利用掃描電子顯微鏡缺陷再檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對缺陷直接檢測的技術(shù)，適用于對量產(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。
其檢測過程為：
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比兩者之間的區(qū)別。
自動(dòng)工藝檢測技術(shù)是掃描電子顯微鏡缺陷再檢測系統(tǒng)基體開發(fā)的，所以其設(shè)備和程式的設(shè)定都是共享，相對而言，對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)省了缺陷再檢測的時(shí)間，提高了缺陷檢測的效率。自動(dòng)工藝檢測技術(shù)主要應(yīng)用在普通光學(xué)缺陷檢測系統(tǒng)具有局限性的，如超微小缺陷和電性缺陷等方面的檢測。可對以下缺陷進(jìn)行直接檢測：連接斷開、殘余和橋接、圖形和連接未對準(zhǔn)、通孔部分刻蝕等。自動(dòng)工藝檢測技術(shù)開發(fā)在AMAT的掃描電子顯微鏡缺陷再檢測G2以后的系列上（如圖6所示）。[page]
不同檢測設(shè)備的對通孔刻蝕的檢測結(jié)果
由于暗場檢測儀器的接受的更多的信號(hào)源都是有一定角度的，所以這種檢測設(shè)備會(huì)對晶圓的表面更敏感。所以在對通孔刻蝕后晶圓進(jìn)行檢測結(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。所以暗場檢測儀器在對通孔刻蝕檢測結(jié)果不盡如人意，它只能對通孔刻蝕過程后芯片表面的殘留進(jìn)行有效的檢測，可是對于通孔刻蝕狀態(tài)沒法完全反映（如圖7所示）。
根據(jù)明場檢測儀器對通孔刻蝕的檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)明場檢測技術(shù)只能抓住對通孔未刻蝕開的缺陷，而對于刻蝕過程中產(chǎn)生的刻蝕不完全缺陷則很難檢測到。結(jié)果表明，由于此缺陷在通孔內(nèi)太過深入，探測器能夠收集到的反射電子較少，信號(hào)很弱，導(dǎo)致明場檢測技術(shù)無法正常而有效的檢測到這類缺陷的存在（如圖8所示）。
電子束檢測技術(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檢測到。其不足在于，電子束檢測技術(shù)以聚焦電子束作為檢測源，雖然靈敏度極高，但是檢測速度慢、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)工藝檢測技術(shù)是對電子束檢測技術(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)過程中通過對一顆產(chǎn)品的薄弱部位進(jìn)行定點(diǎn)檢測，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)工藝檢測結(jié)果與最終良率的對應(yīng)關(guān)系。表明自動(dòng)工藝檢測可以反映存儲(chǔ)單元內(nèi)接觸孔通孔刻蝕的狀態(tài)。對于在生產(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。可以通過對產(chǎn)品的薄弱部位進(jìn)行監(jiān)測達(dá)到對正常存儲(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案例中，發(fā)現(xiàn)通孔刻蝕的檢測技術(shù)有多種多樣，關(guān)鍵是要看對DOI（DefectofInteresting）的判斷。根據(jù)所要檢測的缺陷特性及檢測設(shè)備的原理選擇正確的檢測技術(shù)，對缺陷及工藝的改善才能事半功倍。
