半導體加工正處于關鍵轉折點。

隨著芯片行業向前端的納米片晶體管和后端的異質集成過渡，半導體晶圓廠正在采取“全員參與”的方法來解決嚴峻的計量和良率管理挑戰，結合工具、工藝和其他技術。

光學和電子束工具正在擴展，同時根據具體情況添加 X 射線檢測。對于納米片晶體管制造和深溝計量等新工藝，拉曼光譜、SIMS 和質量計量等替代方法正在發揮作用。

拐點

半導體加工正處于幾個關鍵的拐點之中——向EUV的過渡和最終的高 NA EUV 圖案化、使用 3D 結構進行高密度存儲、納米片晶體管和異質集成。

“所有這些變化都在計量層面帶來了一些相當大的挑戰。首先，尺寸要小得多，因此我們需要靈敏度和精度更高的計量學，”Lam Research 計算產品公司副總裁 David Fried 說。“其次，越來越多的具有隱藏結構的高縱橫比設計為偏移和風險創造了更多機會。”

根據 Fried 的說法，對混合計量學的需求越來越大，將不同的技術結合在一起，以了解在過程和設備級別發生的事情。建模和虛擬制造也將在缺陷和尺寸計量中發揮關鍵作用。

其他人同意。“關鍵是尺寸計量，我們真正關注的是復雜的 3D 結構，”Nova的首席技術官 Shay Wolfling 說。“它始于 3D NAND。現在，在納米片 FET 中，客戶真正感興趣的是控制每個單獨的納米片，例如，三個納米片。如果你看一下路線圖，它會涉及到更多的納米片，最終是 CFET，所以它只會變得更具挑戰性。”

Gate-all-around 晶體管

GAA 晶體管，也稱為納米片 FET，被領先的芯片制造商用于 3nm（三星）和 2nm（臺積電和英特爾）節點，接觸柵極間距擴展到 40nm，金屬間距降至 30nm 以下。將這些先進的 3D 結構從研發引入制造需要快速、非破壞性的測量方法，具有快速的學習周期并且盡可能少地依賴離線技術。

IBM 最近對納米片晶體管制造的各個步驟和可能的實施計量工具進行的分析指出，隨著環柵晶體管的推出而發生變化。“納米片技術可能是一些離線技術從實驗室過渡到工廠的時候，因為某些關鍵測量需要實時監控。”

光學依然強勁

IBM 工程師強調了測量方法的使用，包括 OCD（散射測量法）、CD-SEM、AFM、Raman、XRD 和 XRF（X 射線衍射和熒光）以及 VC-SEM（電壓對比 SEM）。OCD 和 CD-SEM 都廣泛應用于整個半導體制造領域，這一趨勢有望繼續下去。也許可以結合使用散射測量法和自上而下的 CD-SEM 來測量翅片寬度，但該研究強調，需要做更多的工作來表征納米片和翅片結構。計量學中的不同隨機效應，包括線粗糙度、局部 CD 變化、邊緣位置和重疊誤差以及缺失或橋接特征，會顯著影響產量和設備性能。

基于光學的方法提供了最快的在線檢測和計量方法。光學 CD 測量（OCD，又名散射測量）不是薄膜厚度的直接測量，需要建模和參考方法才能與實際值相關聯。OCD 測量通常發生在位于晶圓劃線處的光柵目標上。KLA、Applied Materials、Onto Innovation 和 Nova 提供領先的 OCD 解決方案。

Onto Innovation 的光學解決方案將光譜反射儀和橢圓偏振儀與基于人工智能的引擎 AI-Diffract 相結合，以分析納米片晶體管中的不同層。這種方法旨在提供優于傳統 OCD 系統的層對比度。此外，機器學習在強迫癥維度分析中發揮著越來越重要的作用，建立在長期使用的強迫癥物理模型之上。

Nova 有自己的 OCD 風格，即垂直移動散射測量法，它結合了散射測量法的反射率數據和光的相位。當在多個波長上執行此操作時，會產生垂直移動散射測量法。正如 Wolfling 解釋的那樣，VTS 算法允許過濾光譜信息，忽略底層對厚度的影響。例如，可以測量 metal1 CMP 中細微的金屬線高度差異，而無需測量下面的晶體管層。

質量計量

質量計量是一種非破壞性方法，可以在傳統計量不足的應用中對高縱橫比溝槽進行量化。“在一些先進的存儲器、DRAM 和 NAND 中，有趣的是你在晶圓上蝕刻了數萬億個，”Fried 說。“你在這些蝕刻中去除的質量非常重要，這就是質量計量學如此有效的原因。”

這是正在評估的納米片工藝技術之一（見圖 1）。第二個例子著眼于測量溝槽尺寸的質量計量。

據Infineon的工程師稱，OCD 有效地測量溝槽深度，CD-SEM 測量頂部 CD，但事實證明直接測量底部 CD 很困難。[3] 他們使用 Lam Research 的 OCD、CD-SEM 和 Metryx 質量計量來確定蝕刻前后 42μm 深溝槽（6.75μm 間距）中的溝槽底部寬度。該研究發現質量損失和散射測量的底部 CD 之間存在線性關系。質量損失和 CD-SEM 橫截面測量之間也有很好的相關性。“質量損失法能夠監測蝕刻過程的穩定性，并提供有關深溝槽幾何形狀的定量信息，”工程師總結道。

圖 1：質量計量檢測到納米片間隔物凹蝕中的異常值。來源：Lam Research X射線檢查

圖 2：X 射線檢查（上）和分析（下）識別由于晶格中的堆垛層錯、螺紋位錯和微管而導致的“死”區域。來源：布魯克

X 射線檢測提供缺陷分析的一個領域是功率 IC，特別是 GaN-on-SiC 晶圓（見圖 2）。必須檢查 SiC 晶圓是否存在各種類型的缺陷，包括晶格中的微管和螺紋位錯，通常沿著晶圓的基面（基底缺陷）。此類缺陷的尺寸范圍從埃級到數百納米，并可能導致器件故障或 SiC 晶圓本身報廢。

拉曼光譜在鍺成分測量方面是一個亮點，它可以提供在線 SiGe 應變分析，這是晶體管性能的一個重要因素。然而，使用拉曼更難以獲得與深度相關的濃度讀數，這可能是 SIMS（二次離子質譜）發揮作用的領域。

SIMS 提供化學成分信息，使用濺射離子束并測量從晶圓射出的二次離子。輸出被視為晶片上不同點處鍺濃度的深度均勻性（見圖 3）均勻性（見圖 4）。

圖 3：SiGe 層中的鍺深度分布。來源：新星

圖 4：基于 9 點晶圓測量的鍺濃度在線 SIMS。來源：新星

BEOL 計量

“所有檢查和計量的一個重要部分是我們需要在某種程度上為應用程序定制系統，”CyberOptics 總裁兼首席執行官 Subodh Kulkarni指出. 以高產量制造數百萬個微凸塊的需求催生了 100% 的檢測方法。“我們需要知道客戶在尋找什么。在一個簡單的例子中，如果它是一個凸點測量，客戶想要檢查 1000 萬個凸點并確保我們給他們所有的異常值——最高的凸點、最短的凸點和平均值、3 西格瑪等。當一個有缺陷的凸點是發現后，他們想知道所有細節、物理損壞的類型等，這樣他們就可以進行快速故障分析。” CyberOptics 最近推出了更高分辨率的 5 μm MRS 傳感器（xy 分辨率）作為其 7μm 傳感器的升級。

在這些情況下，銅柱凸塊變得非常普遍，基本上是帶有圓形銀錫焊頭的高柱。X 射線衍射和 XRF 提供了另一種質量檢查。“我們用 XRF 測量的最重要的東西是合金的厚度和成分。通過測量焊料成分，我們會查看 RDL 和 UBM 薄膜厚度之類的東西——例如凸塊中的銀含量——并尋找 3D 封裝中的空隙或橋接缺陷。一致性是關鍵——確保 RDL 具有正確的合金成分，”布魯克X 射線部門副總裁兼總經理 Paul Ryan 說。

結論

OCD 和 CD-SEM 方法正在擴展以滿足納米片晶體管的需求，但深層結構和隱藏特征的挑戰繼續挑戰計量方法。隨著芯片制造商在 5 納米和 3 納米節點上大批量生產，X 射線、拉曼、SIMS 和質量計量等替代方案正在開拓各自的利基市場。

審核編輯 ：李倩