前沿技術(shù)：填補(bǔ)測(cè)量空白

《半導(dǎo)體芯科技》雜志文章

Nearfield Instruments B.V.最近推出了AUDIRA系統(tǒng)，據(jù)說(shuō)這是業(yè)界第一個(gè)也是唯一一個(gè)用于先進(jìn)半導(dǎo)體制造的在線無(wú)損表面下測(cè)量系統(tǒng)。

作者：Niranjan Saikumar

共同作者：Nelda Antonovaité, Irene Battisti, Taras Piskunov, Mehdi Soozande

AUDIRA 系統(tǒng)旨在為先進(jìn)存儲(chǔ)器和邏輯器件中的掩埋特征和缺陷（如空洞）提供高精度和精確的納米級(jí)測(cè)量。借助AUDIRA，Nearfield Instruments公司的目標(biāo)是在透射電子顯微鏡（TEM）和臨界尺寸掃描電子顯微鏡（CD-SEM）中，引入補(bǔ)充性的表面下次表層過程控制測(cè)量技術(shù)。

Nearfield Instruments公司經(jīng)業(yè)界驗(yàn)證的在線表面測(cè)量解決方案QUADRA，采用基于多小型原子力顯微鏡（稱為MAFM, miniaturized atomic force microscopes）的創(chuàng)新架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高速、無(wú)損的器件表面形貌測(cè)量。超高速M(fèi)AFM頭技術(shù)與多MAFM方法相結(jié)合，允許在晶圓上進(jìn)行并行成像，實(shí)現(xiàn)了比現(xiàn)有最先進(jìn)的自動(dòng)化AFM系統(tǒng)高出100 倍以上的吞吐量，從而能夠?qū)UADRA用作大批量制造（HVM）晶圓廠的在線工具。QUADRA的獨(dú)特架構(gòu)還確保了在測(cè)量CMP 應(yīng)用中的層以及高深寬比（HAR,high-aspect ratio）結(jié)構(gòu)和High-NA EUV（高數(shù)值孔徑極紫外線）應(yīng)用時(shí)，具有出色的精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。專有的高級(jí)成像模式使QUADRA 成為唯一能夠?qū)﹃P(guān)鍵HAR 結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D測(cè)量的AFM工具。結(jié)合定制的CD提取算法和用于自動(dòng)探頭更換的尖端磨損檢測(cè)機(jī)制，QUADRA根據(jù)需要為通過混合鍵合的CMP 工藝、蝕刻后的HAR結(jié)構(gòu)和EUV光刻膠CD 計(jì)量提供了出色的在線過程監(jiān)控功能。

新的AUDIRA次表層計(jì)量工具基于QUARA架構(gòu)，保留了獨(dú)特的多MAFM系統(tǒng)架構(gòu)和專有的AFM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，旨在實(shí)現(xiàn)在線過程控制的高通量。在AUDIRA 中，Nearfield Instruments引入了兩種新的聲學(xué)顯微鏡技術(shù)，以滿足兩個(gè)不同深度范圍的表面下計(jì)量需求。在這兩種技術(shù)中，AFM 探針都被用作波導(dǎo)，用于發(fā)送然后“監(jiān)聽”來(lái)自晶圓層的聲波。

應(yīng)用

AUDIRA 瞄準(zhǔn)計(jì)量和檢測(cè)市場(chǎng)，專門用于測(cè)量不透明層表面下的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。從計(jì)量（metrology）方面來(lái)說(shuō)，主要應(yīng)用是測(cè)量疊加精度，即不同層上的圖案錯(cuò)位。目前，許多傳統(tǒng)的光學(xué)疊加測(cè)量技術(shù)僅限于測(cè)量比器件本身尺寸大十倍以上的大型光學(xué)目標(biāo)。對(duì)于5nm 節(jié)點(diǎn)，疊加容差約為幾納米，大多數(shù)領(lǐng)先的內(nèi)存和邏輯制造商實(shí)現(xiàn)了2 納米的疊加，并且預(yù)計(jì)還會(huì)進(jìn)一步縮小。隨著尺寸的縮小，將需要直接在器件上進(jìn)行疊加測(cè)量，以消除從計(jì)量到器件（MTD, metrology to the device）校準(zhǔn)的可能誤差，并保證器件的性能。由于EUV 光和光刻膠之間的相互作用，EUV 光刻過程中隨機(jī)效應(yīng)的增加也推動(dòng)了對(duì)器件上疊加計(jì)量解決方案的需求。隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致CD 不均勻性（線邊和線寬粗糙度）增加，從而占據(jù)了邊緣放置誤差（EPE, edge placement error）的很大一部分，即對(duì)于5nm 節(jié)點(diǎn)會(huì)小于5nm，從而為疊加誤差留下更少的空間。

這種嚴(yán)格的疊加控制對(duì)亞納米級(jí)計(jì)量工具的準(zhǔn)確度和精度提出了挑戰(zhàn)。雖然電子束成像可以檢測(cè)非常局部的產(chǎn)品對(duì)準(zhǔn)誤差，包括隨機(jī)誤差，但它的穿透深度有限，并且會(huì)損壞敏感的光刻膠，從而限制了其應(yīng)用。此外，由于特征尺寸差異很大，從而使得邏輯客戶選擇在曝光后進(jìn)行檢查，存儲(chǔ)器市場(chǎng)在蝕刻后對(duì)疊加計(jì)量有所增加，這表明需要多樣化的疊加計(jì)量功能。例如，透明層和不透明層都需要多層的測(cè)量。

AUDIRA 的檢查和審查市場(chǎng)應(yīng)用目標(biāo)主要是空洞，但不限于空洞。層中的空洞形成可以在器件級(jí)別跟蹤到至少一個(gè)關(guān)鍵過程，其中犧牲的氮化硅被去除并用導(dǎo)電金屬代替，從而產(chǎn)生埋藏在10 ~100 nm深的淺空洞。

雖然這個(gè)問題在3D NAND 結(jié)構(gòu)中尤為嚴(yán)重，因?yàn)榇罂酌芗铱组g距減小，但由于金屬線橫截面的縮小，互連也出現(xiàn)了這種情況。在存在空洞的情況下，由于尺寸縮小而增加的電流密度會(huì)進(jìn)一步增加應(yīng)力，并可能導(dǎo)致器件失效。

在使用混合鍵合的晶圓/ 芯片級(jí)先進(jìn)封裝步驟中，在鍵合步驟后Cu 焊盤上的表面缺陷會(huì)產(chǎn)生高達(dá)10 倍缺陷尺寸的空洞，這些大空洞深埋在不透明層下方近微米的地方。隨著銅焊盤的尺寸縮小到遠(yuǎn)低于1μm，并且用于鍵合的致密銅焊盤趨于標(biāo)準(zhǔn)，因此需要分辨率為100nm 或更高的缺陷靈敏度。

鍵合材料/ 工藝中的缺陷也可能導(dǎo)致不同類型的缺陷，這里是分層。雖然這在晶圓級(jí)的混合鍵合中比較常見，但器件制造路線圖指向了2D FET，溝道層的分層成為器件級(jí)良率的主要問題。在這兩種情況下，這些缺陷都會(huì)導(dǎo)致電氣或機(jī)械失效。

測(cè)量技術(shù)

AUDIRA 提出了兩種不同的互補(bǔ)的表面下計(jì)量技術(shù)，相對(duì)而言，在成像的穿透深度和橫向分辨率能力方面進(jìn)行了權(quán)衡。從技術(shù)角度來(lái)看，這兩種技術(shù)在操作的聲學(xué)頻率范圍和測(cè)量中使用的基本物理場(chǎng)方面有所不同，根據(jù)材料特性的差異，一種是用于測(cè)量深度達(dá)10um 的淺層結(jié)構(gòu)的MHz 頻率范圍，另一種是用于測(cè)量更深的結(jié)構(gòu)或埋在表面以下淺層的具有類似材料特性的結(jié)構(gòu)的GHz 頻率范圍。

檢測(cè)粘彈性變化

第一種技術(shù)基于對(duì)材料粘彈性變化的檢測(cè)，適用于測(cè)量淺層和精細(xì)的特征，或埋藏在深處直至幾微米的相對(duì)較大的特征。根據(jù)應(yīng)用的不同，可以獲得nm 或亞nm級(jí)的橫向分辨率。當(dāng)被掃描探頭感應(yīng)到時(shí)，每種材料都顯示出一個(gè)特征的共振頻率，稱為接觸共振（CR,contactresonance）（見圖1）。

圖1：不同材料的接觸共振偏移。較硬的材料具有較高的接觸共振頻率。

圖片選取自B.D. Huey et al, Annu. Rev. Mater. Res. 37 (2007)

接觸共振的變化也可能是由埋在表面下的材料變化引起的，例如空洞/ 分層或表面下對(duì)齊標(biāo)記（見圖2）。

圖2：卡通圖片顯示了掩埋結(jié)構(gòu)上和離開掩埋結(jié)構(gòu)的 AFM探針響應(yīng)的差異。

圖片選取自M.H. van Es et al, Ultramicroscopy 184 (2018)

在文獻(xiàn)中，用于表面表征和表面下成像的CR-AFM通常是在聲波源和CR 的傳感分離的情況下完成的。聲波通常施加在晶圓底部，將聲能傳遞到整個(gè)晶圓，而頂部的掃描探頭則在特定位置感應(yīng)CR。在AUDIRA 中，通過在探頭處結(jié)合聲源和檢測(cè)器，從而改變了傳統(tǒng)的工作方式。

該探頭用作波導(dǎo)，在MHz 范圍內(nèi)以載波頻率fc 引入聲波，然后以頻率fm 進(jìn)行調(diào)制。非線性針尖- 晶圓相互作用產(chǎn)生了fm 處的混頻信號(hào)，該信號(hào)通過懸臂響應(yīng)放大。這種通過該測(cè)量模式用于檢測(cè)CR 變化的方式被稱為表面下超聲共振力顯微鏡（SSURFM，Subsurface ultrasonic resonance force microscopy）。

圖3：SSURFM技術(shù)，專為AUDIRA中基于探頭的直接驅(qū)動(dòng)和傳感而定制。

圖片選取自M.H. van Es et al, Ultramicroscopy 184 (2018)

就靈敏度而言，穿透深度取決于特征尺寸以及所涉及的不同材料的機(jī)械硬度變化。AUDIRA 通過針對(duì)表面下測(cè)量的定制懸臂和尖端設(shè)計(jì)，提高了分辨率和對(duì)埋藏材料的靈敏度，從而進(jìn)一步創(chuàng)新了這一技術(shù)。

波傳播方案

粘彈性變化傳感的靈敏度隨著深度的增加而下降：當(dāng)深度大于10μm時(shí)，它只能檢測(cè)具有顯著材料屬性變化的大的特征。為了滿足深度大于10μm的需求，AUDIRA 采用的第二種技術(shù)是利用GHz 量級(jí)頻率的聲波注入，目標(biāo)分辨率在幾納米或幾十納米的范圍內(nèi)，具體取決于目標(biāo)深度。

樣品掃描使用超聲壓電換能器（PZT 技術(shù)）或超短激光脈沖（泵浦- 探針PTAI 方法）。在樣品表面產(chǎn)生的超聲波傳播通過樣品的深度，到掩埋結(jié)構(gòu)上進(jìn)行反射，并產(chǎn)生表面的機(jī)械變形，而這會(huì)被記錄為超聲波回波。

該技術(shù)所采用的物理原理轉(zhuǎn)變?yōu)椴▊鞑シ桨?，其中透射波在器件?nèi)的所有表面轉(zhuǎn)變處與晶圓相互作用并反射回來(lái)。這種反射聲波包含與強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間相關(guān)的信息，然后用于重建表面下結(jié)構(gòu)的3D 圖像。

使用該方案進(jìn)行成像考慮了兩個(gè)主要技術(shù)方向：壓電換能器（PZT, Piezoelectric Transducer）方法和光熱聲學(xué)成像（PTAI, Photothermal Acoustic Imaging），AUDIRA 能夠在同一架構(gòu)中容納兩者。在PZT 技術(shù)中，先進(jìn)的電子元件被用來(lái)有效地發(fā)射和檢測(cè)GHz 聲波。這些電子元件實(shí)現(xiàn)了發(fā)射和檢測(cè)之間的快速切換，可以精確控制聲波波長(zhǎng)。這種控制水平在確定測(cè)量的深度分辨率和信噪比方面起著關(guān)鍵作用。

在PTAI 方法中，超短激光脈沖用于引發(fā)聲波，檢測(cè)反射并重建聲回波，采用泵浦- 探針方案來(lái)進(jìn)行工作。與PZT 技術(shù)不同，PTAI 對(duì)電子元件的要求不那么嚴(yán)格。然而，雖然PTAI 具有簡(jiǎn)化電子元件的優(yōu)勢(shì)，但與通過PZT 方法實(shí)現(xiàn)的直接測(cè)量相比，它重建的回波本質(zhì)上是間接測(cè)量。

樣品掃描使用超聲壓電換能器（PZT 技術(shù)）或超短激光脈沖（泵浦- 探針PTAI 方法）。在樣品表面產(chǎn)生的超聲波傳播通過樣品的深度，到掩埋結(jié)構(gòu)上進(jìn)行反射，并產(chǎn)生表面的機(jī)械變形，而這會(huì)被記錄為超聲波回波。對(duì)回波陣列進(jìn)行處理可以重建掩埋結(jié)構(gòu)。表面的2D 掃描可以生成表面下的完整3D 圖像，可用于生成不同的橫截面，例如圖4中右上角圖像上顯示的B 掃描（樣品的側(cè)視圖）。

圖4：超聲波束成形原理。

從應(yīng)用的角度來(lái)看，這兩種技術(shù)在穿透深度方面進(jìn)行了權(quán)衡，因?yàn)樯疃戎苯尤Q于聲激發(fā)的波長(zhǎng)，從而可以采用聲學(xué)頻率。PZT 技術(shù)受到壓電材料厚度的限制，壓電材料可以始終如一地制造，轉(zhuǎn)換為幾GHz 范圍內(nèi)的較低頻率直至最高可達(dá)10GHz 的頻率，而PTAI 則可以充當(dāng)高達(dá)100GHz 的高頻源。

信號(hào)處理對(duì)于獲得兩種技術(shù)的完整3D 結(jié)構(gòu)的全面重建都起著至關(guān)重要的作用。AUDIRA 采用定制的超聲波束成形技術(shù)（見圖4）。這種技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)中使用的一種眾所周知的后處理方法。這種方法涉及處理掃描探頭在成像過程中收集的回波陣列，模擬用于將超聲波束聚焦在固態(tài)物體或結(jié)構(gòu)的點(diǎn)上的聲學(xué)透鏡。這種處理構(gòu)成了該方法生成表面下特征的高保真表達(dá)能力的支柱，并使得能夠提取詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。

AUDIRA中的圖像處理

Nearfield Instruments 認(rèn)識(shí)到與疊加提取或缺陷識(shí)別相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。對(duì)于疊加提取，雖然現(xiàn)有的光學(xué)技術(shù)算法在一定程度上適用，但需要特別注意信息的獨(dú)特的單像素捕獲。為此，Nearfield Instruments還通過AUDIRA 引入了定制算法，旨在增強(qiáng)表面下圖像的對(duì)比度，并大大提高提取疊加層的準(zhǔn)確性。此外，由于需要通過多個(gè)具有各自對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的不透明層進(jìn)行疊加提取，因此采用了解析干擾結(jié)構(gòu)和同時(shí)疊加提取的算法。Nearfield Instruments 還與客戶合作，為基于AUDIRA 的測(cè)量定制對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，以提高通量和精度。

在缺陷識(shí)別和分類方面，Nearfield Instruments 正在發(fā)展傳統(tǒng)算法，但也在傳統(tǒng)方法之外一直在開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分類算法，這些算法已經(jīng)可以部署在代工廠中?；旌湘I合后的缺陷檢測(cè)尤其需要機(jī)器學(xué)習(xí)路線，因?yàn)榫A邊緣修整、晶圓研磨和切割的后端工藝會(huì)產(chǎn)生與表面粗糙度相關(guān)的偽影，并且還會(huì)渲染低對(duì)比度圖像。

平臺(tái)和M&I路線圖鏈接

Nearfield Instruments 與客戶合作開發(fā)配方，并為應(yīng)用選擇是否最適合進(jìn)行局部彈性測(cè)量，以及何時(shí)切換到波傳播方案。借助MHz 粘彈性傳感和GHz 超聲成像技術(shù)，AFM 頭通過從晶圓捕獲信息來(lái)掃描整個(gè)芯片，步長(zhǎng)小至十分之一納米。然后，在每一步中捕獲的數(shù)據(jù)被組合并轉(zhuǎn)換為底層的綜合圖案。

到目前為止，彈性和波傳播方案主要是通過前者從樣品底部傳輸聲波，后者從頂部傳輸聲波來(lái)發(fā)展起來(lái)的。這嚴(yán)重限制了設(shè)備功能，不允許單一工具來(lái)同時(shí)處理這兩種模式。對(duì)于小樣品，底部驅(qū)動(dòng)的彈性方法也許是可能的，而對(duì)于像300 mm晶圓這樣的大樣品來(lái)說(shuō)則幾乎是不可能的。Nearfield Instruments 已經(jīng)成功地將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使掃描頭能夠使用AFM 探針作為聲波的波導(dǎo)。

因此，AUDIRA 可以利用QUADRA 成熟的多頭架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更快地在代工廠的應(yīng)用。多頭架構(gòu)允許AUDIRA同時(shí)用于晶圓上不同深度的測(cè)量，并作為缺陷檢測(cè)和審查工具，因?yàn)椴煌膾呙桀^可以執(zhí)行不同的功能。在掃描頭中實(shí)現(xiàn)這種功能使得AUDIRA 能夠在晶圓廠中用作混合計(jì)量工具，而這是一項(xiàng)關(guān)鍵的突破。

審核編輯 黃宇