隨機性作為一個重要問題永遠不會消失,。

　　幾家供應(yīng)商正在推出下一代檢測系統(tǒng)和軟件，以定位極紫外（EUV）光刻機工藝引起的芯片缺陷問題,。

　　每種缺陷檢測技術(shù)都涉及到各種權(quán)衡,，但由于EUV引起的隨機缺陷最終會影響芯片的性能，在晶圓廠里使用一項或多項檢測技術(shù)是非常必要的,。

　　EUV光刻用于晶圓廠的芯片生產(chǎn),，它使用一個巨大的掃描儀在高級節(jié)點上對芯片的微小特征進行圖案化，在操作中,，EUV的掃描儀產(chǎn)生光子,，最終與晶圓上的光敏材料光刻膠相互作用，以形成精確的特征化圖案,。

　　不過,，并不是每次都可以實現(xiàn)精確圖案化，在EUV中,，光子撞擊光刻膠發(fā)生反應(yīng)且這一動作重復(fù)多次,，這些過程充滿不可預(yù)測性和隨機性，可能會產(chǎn)生新的反應(yīng),，也就是說EUV光刻工藝容易出現(xiàn)所謂的隨機性,，是具有隨機變量的事件，這些變化被統(tǒng)稱為隨機效應(yīng),。隨機效應(yīng)有時會導(dǎo)致芯片中出現(xiàn)不必要的接觸缺陷或有粗糙度的圖案,，兩者都會影響芯片的性能，甚至導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障,。

　　在過去的幾年中,，這些問題在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中基本被忽略了。但對于EUV而言,，隨機效應(yīng)成為主要問題之一,，越高級的節(jié)點，隨機效應(yīng)越嚴(yán)重,。盡管該行業(yè)已經(jīng)找到了通過改進光刻膠和工藝來緩解問題的方法,，但隨機效應(yīng)引發(fā)的缺陷依然會突然出現(xiàn)，給代工供應(yīng)商及客戶帶來麻煩,。

　　“這意味著隨機性作為一個重要問題永遠不會消失,，”Fractilia 的 CTO Chris Mack 說?！坝袝r在10納米或7納米節(jié)點附近,，隨機效應(yīng)成為圖案變化的主要來源,。這主要是因為所有其他變化來源都在變小。隨機效應(yīng)卻沒有——或者至少它沒改進得那么多或那么快,。在總變化中,，隨機效應(yīng)變化所占比例越來越大?！?/p>

　　因此,，了解這些影響勢在必行，并且在晶圓廠中定位芯片中隨機效應(yīng)引起的缺陷也同樣重要,。幸運的是,，最近有幾家公司開發(fā)了各種工具，可以在當(dāng)今EUV工藝中定位甚至預(yù)測芯片中的這些缺陷,。展望未來,，面對5nm以及更先進的節(jié)點，一些廠商正在推出新方法或改進方法查找或預(yù)測這些缺陷,，包括：

　　設(shè)備供應(yīng)商正在突破光學(xué)檢測的極限,，以檢測隨機效應(yīng)引起的缺陷；一類新的電子束檢測工具正在為此應(yīng)用發(fā)展,；

　　新的軟件工具正在開發(fā)中,，使用戶能夠?qū)θ毕葸M行分類、建模和預(yù)測,；電氣測試也在進行中,。

　　令人困擾的隨機效應(yīng)

　　—

　　一顆芯片的誕生需要經(jīng)過多重工藝步驟，光刻一直是最為復(fù)雜的工藝之一,。多年來,，芯片制造商使用基于193nm波長光刻系統(tǒng)在芯片上進行特征圖案化，但當(dāng)工藝節(jié)點達到5nm時,，使用多重圖案化變得十分困難,。

　　EUV簡化了傳統(tǒng)光刻流程，使芯片制造商能夠掃描7nm及以下的特征圖形,?！爱?dāng)您使用EUV時，光罩的次數(shù)就會減少,，這是因為EUV將行業(yè)帶回了單一模式,，193nm的圖案浸沒需要更多的高級節(jié)點掩膜?！?D2S的首席執(zhí)行官藤村明（Aki Fujimura）說：“有了EUV,，掩膜次數(shù)減少了，但每層EUV光罩成本更貴?！?/p>

　　圖片

　　圖一：典型的光刻處理步驟順序,。來源：Fractilia2018年，三星和臺積電就在7nm節(jié)點使用了EUV光刻,，現(xiàn)在這兩家公司都在5nm處使用EUV光刻,，其他公司也正在開發(fā)用于芯片生產(chǎn)的EUV光刻機,。

　　芯片制造商正在使用ASML的EUV光刻機進行芯片生產(chǎn),，該系統(tǒng)采用13.5nm波長0.33數(shù)值孔徑透鏡，分辨率為13nm,，每小時可處理135至145個晶圓,，ASML計劃在2021年出貨40套EUV系統(tǒng)，并在2022年再出貨55套,。

　　與此同時,，在先進節(jié)點上，芯片制造商面臨一些挑戰(zhàn),。先進邏輯工藝在晶圓廠中可能有600到1000道甚至更多步驟,，每一步都可能出現(xiàn)問題，導(dǎo)致芯片出現(xiàn)缺陷,，因此,，芯片制造商在晶圓廠中需要檢測和計量設(shè)備，檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)晶圓上的缺陷,，計量工具測量結(jié)構(gòu),。

　　這是一個復(fù)雜的過程。例如,，原子力顯微鏡（AFM）是晶圓廠中使用的一種計量工具類型,。“使用AFM,，我們可以在整個晶圓的不同芯片和裸片上檢測大約50微米的區(qū)域,，關(guān)鍵應(yīng)用之一是查看頂線粗糙度——能夠?qū)⑦@些印制圖案中的斷線和缺陷與之后的缺陷相關(guān)聯(lián)，”Bruker高級應(yīng)用工程師Sean Hand說道,。

　　缺陷可能會出現(xiàn)在其他地方,，在操作中，EUV掃描儀應(yīng)該在芯片中創(chuàng)建各種圖案,，例如微小的接觸孔,、線條和通孔，并且具有良好的均勻性,。但有時,，掃描儀可能無法圖案化所需線條，出現(xiàn)換行符，無法打印每一個接觸孔,，出現(xiàn)缺失接觸,，其他情況下，該過程還會導(dǎo)致一個或多個孔合并,，出現(xiàn)“接吻接觸”（kissing contacts）,。

　　換行符、缺失接觸和接吻接觸都被認為是隨機效應(yīng)引起的缺陷,，另一個隨機效應(yīng)是線邊緣粗糙度（LER）,。LER被定義為特征邊緣與理想形狀的偏差，不隨特征大小而縮放,，因此是有問題的,。

　　TEL的關(guān)鍵工藝工程師 Charlotte Cutler在一篇論文中說：“隨著 ArFi 和極紫外光刻中線條關(guān)鍵尺寸減小，從這些線條測量的粗糙度的大小可能是圖案線寬的很大一部分,?！?DuPont 和 Fractilia 也為這項工作做出了貢獻。

　　許多人將隨機缺陷歸咎于光刻膠,，但光刻膠并不是唯一的問題,，另外，所有隨機缺陷都是有問題的,?！袄纾绻覀儾荒苁刮覀兊奶匦宰銐蚱交?，那么我們的晶體管就會有太多的漏電流,，其性能就會很差，” Fractilia的Mack說,。

　　圖片

　　圖2：Fractilia:技術(shù)檢測芯片中出現(xiàn)的缺陷,。來源：Fractilia相比193nm光刻機，EUV光刻機隨機缺陷更嚴(yán)重

　　—

　　隨機性引起缺陷的根本原因可以追溯到EUV過程本身,，該過程從晶圓廠下方的激光單元開始,。首先，激光脈沖被發(fā)射,，然后進入晶圓廠EUV掃描儀,。

　　與此同時，掃描儀中,，一個小裝置高速滴落微小的錫滴,，激光脈沖中微小的錫滴產(chǎn)生光子，光子在掃描儀內(nèi)的幾個鏡子上反射,，撞擊晶圓上的抗蝕劑,，化學(xué)放大抗蝕劑（CAR）和金屬氧化物抗蝕劑是兩種常見的EUV抗蝕劑類型,。

　　抗蝕劑有助于在芯片上形成所需的圖案，盡管這是一個復(fù)雜的過程,?！霸诠饪讨校A片上涂有一種稱為光刻膠的光敏材料,，一些地方暴露光刻膠,，一些地方不暴露，光透過掩模板,，蝕刻掉暴露的區(qū)域,，而覆蓋的區(qū)域仍然受到保護（在正性光刻膠的情況下），最終得到特征圖案,，其尺寸和密度由原始光刻膠圖案決定,，將器件設(shè)計復(fù)制到晶圓上的薄膜上,，” Lam Research副總裁 Richard Wise在博客中解釋道,。

　　“當(dāng)光子擊中抗蝕劑時，會引發(fā)連鎖反應(yīng),，改變材料結(jié)構(gòu),，使其更易溶解，以便在隨后的顯影步驟中被沖走,。光子被光刻膠吸收后產(chǎn)生電子,，電子產(chǎn)生次級電子，次級電子集中光酸產(chǎn)生劑,，產(chǎn)生光酸,，但光刻膠經(jīng)過烘烤后，光酸將通過材料進行擴散,?！?/p>

　　更復(fù)雜的是，基于能量與波長的基本關(guān)系：波長越小,，光子能量越大,，EUV單光子的能量是193nm波長單光子能量的14倍，因此光源總功率一定下,，從光源發(fā)射出的光子數(shù)量則會減少,，完成一次曝光所消耗的光子數(shù)目隨之減少，在相同的曝光下,，EUV的光子數(shù)量要少14倍,。

　　這相當(dāng)于，假設(shè)您有20美元,，可以是2000個便士幣,，同時也是80個面值為25美分的硬幣，那么一個面值為25美分的硬幣相當(dāng)于一個便士幣的25倍。

　　光子也是如此,，假設(shè)在一個插圖中,，便士幣代表193nm的光子，而25美分的硬幣代表EUV光子,，便士幣的光子數(shù)量更多,。

　　在光刻工藝中，其想法是產(chǎn)生盡可能多的光子,。理論上,，這可以確保您以較少的變化在芯片上圖案化所需特征?！耙虼?，光子數(shù)量越大，作為平均值的一部分變化就越小,，”Fractilia 的 Mack 說,。“因此,，光子數(shù)量越少,，變化就越大，這就是所謂的光量子散射噪聲,?！?/p>

　　基本上，193nm光刻掃描儀以更少的能量產(chǎn)生更多的光子,。相比之下,，EUV產(chǎn)生的光子更少，這意味著該過程中存在更大的統(tǒng)計變化概率,。

　　在另一個例子中,，假設(shè)一個芯片有許多微小的立方體區(qū)域?！叭缓?，您會看到該立方體中有多少光刻膠光敏部分的分子，以及該立方體中吸收了多少光子,，”麥克說,。

　　理想情況下，光子將均勻地分散和被吸收在每個立方體區(qū)域中,，但實際情況并非如此,，假設(shè)48個EUV光子可能會被一個立方體吸收。在下一個立方體中,，可能會變成36個光子被吸收,，這是一個隨機變化,。

　　更加復(fù)雜的是，每個節(jié)點的特征尺寸都較小,。因此,，您有一個更小的立方體區(qū)域，且光子的數(shù)量更少,，這意味著更高的隨機概率,。

　　那么這一切在晶圓廠中是如何進行的呢？前文所述,，芯片制造商使用單一圖案化方法在 7nm 處插入 EUV,。在單次圖案化中，您將特征圖案放在一個掩模上,，然后使用單次光刻曝光將它們打印在晶圓上,。最初，芯片制造商希望使用劑量為 20 mJ/cm? 的EUV 抗蝕劑,。

　　“劑量是光刻膠在光刻曝光系統(tǒng)曝光時所承受的能量（每單位面積）,，”麥克解釋說。

　　在較低劑量 （20mJ/cm?） 下,，芯片制造商可以以高吞吐量打印精細特征,。但是較低的劑量也意味著更少的光子，以及更高的隨機概率,。

　　因此，芯片制造商在 7nm 處使用更高的劑量,，大約為 40mJ/cm?及以上,，但也有一些權(quán)衡。更高的劑量會轉(zhuǎn)化為更多的光子,，但掃描儀的吞吐量會受到影響,。

　　同時，在 7nm 處,，EUV 單次圖案化用于打印間距從38nm到36nm特征圖案,。但是單圖案EUV在 32nm 到 30nm 間距達到了它的極限。

　　超過 30nm 間距,，則需要 EUV 雙圖案化,，這屬于5nm和3nm節(jié)點。雙圖案 EUV需要將芯片圖案分成兩個掩模,，然后將每一層打印為單獨的層,。

　　EUV 雙重圖案化更昂貴，因為該過程中有更多步驟,。另一方面,，您可以使用更高的劑量打印更大的特征,，從而減少隨機效應(yīng)。

　　“隨機性仍然是一個問題,，但 EUV 雙重模式緩解了其中的一些擔(dān)憂,，”Lam的Wise說?！癊UV 雙圖案化雖然成本更高,，但其優(yōu)勢在于使 EUV 能夠以更易于管理的間距運行。例如,，如果您想打印 30nm 間距線,，則可以使用直接打印來完成。但是隨機性是一個重大挑戰(zhàn),，因為隨機性中最重要的因素是CD或正在打印的特征的大小,。通過打印更大的尺寸，您基本上可以在給定的特征中捕獲更多的光子,，并且隨機性得到改善,。因此，您的權(quán)衡是在 EUV 雙重圖案的成本與隨機性改進之間進行權(quán)衡,?！?/p>

　　預(yù)測和定位EUV缺陷的N種方法

　　—

　　如今，芯片制造商正在研發(fā)5nm光刻機,，也可以用在3nm以及更高級節(jié)點的芯片制造,。“原則上,，間距越小,，隨機性越大，解決這些問題的挑戰(zhàn)性也越大,，”Imec高級光刻項目主管Kurt Ronse說,。

　　另一方面，業(yè)界已經(jīng)改進了EUV抗蝕劑和工藝,?！皬?nm到5nm到3nm的時間范圍內(nèi)，我們建立更好的理解和材料可用性,，意味著5nm和3nm的缺陷正在下降,，從而同提高量產(chǎn)水平，”Ronse說,。

　　盡管如此,，定位和預(yù)測芯片中隨機效應(yīng)引起的缺陷仍然是必不可少的，在晶圓廠中,，有許多方法可以定位這些缺陷,，包括光學(xué)檢測,、電子束技術(shù)和電氣測試，還有各種軟件工具,。

　　多年來,，芯片制造商一直依靠兩種設(shè)備——電子束和光學(xué)檢測系統(tǒng)——來發(fā)現(xiàn)芯片中的缺陷。光學(xué)檢測系統(tǒng)是晶圓廠的助力工具,，在操作中,，晶圓片被插入監(jiān)測系統(tǒng)中，光源產(chǎn)生照亮晶圓片的強光,，收集光并數(shù)字化圖像,。該系統(tǒng)拍攝裸片時，將其與沒有缺陷的芯片進行比較,。

　　光學(xué)檢測系統(tǒng)不僅用于發(fā)現(xiàn)常見的物理缺陷,，還用于定位EUV隨機引起的缺陷，與其他技術(shù)相比有幾個優(yōu)點,。

　　“隨著生產(chǎn)實施和抗蝕能力的提高,，隨機引起的缺陷率得到顯著改善，但它仍然存在,?！盞LA過程控制解決方案主管Andrew Cross說：“隨機效應(yīng)引起的缺陷，無論圖案類型如何都可能發(fā)生,。我們看到傳統(tǒng)的CD和較新的熱點電子束計量都無法在如此低的缺陷密度范圍內(nèi)單獨標(biāo)記這些缺陷,。這推動了對大面積和高覆蓋率檢測的需求，并具有捕捉關(guān)鍵圖案缺陷的敏感性——光學(xué)檢測系統(tǒng)支持的要求,，特別是寬帶等離子光學(xué)檢測,。”

　　隨機效應(yīng)的本質(zhì)是隨機,，往往以最高頻率影響弱模式?！耙虼?，需要有效的進程窗口發(fā)現(xiàn)是至關(guān)重要的，”Cross說：“進程窗口通常能夠識別在焦點和劑量方面最薄弱的結(jié)構(gòu),，由于一個特定結(jié)構(gòu)通常在一個設(shè)計中重復(fù)數(shù)千或數(shù)萬次,，因此預(yù)測哪個可能由于設(shè)計本身、掩膜或其他工藝交互而失敗,，跨芯片或跨晶圓,，同樣需要高覆蓋率的光學(xué)檢測技術(shù)。

　　隨機性通常發(fā)生在系統(tǒng)學(xué)單獨定義的過程窗口內(nèi),，電子束或光學(xué)監(jiān)測都可以提供有效的解決方案,，具體取決于隨機性的水平及其對特定設(shè)計的影響,。在這個發(fā)現(xiàn)過程中，我們可以嘗試區(qū)分隨機性和純系統(tǒng)缺陷,。系統(tǒng)性通常影響設(shè)計結(jié)構(gòu)中的同一點,，例如，特定的角點或線端,。隨機變量影響最普遍的弱結(jié)構(gòu),，但它們不會影響設(shè)計結(jié)構(gòu)鐘的同一點。準(zhǔn)確的基于設(shè)計的分塊有助于區(qū)分隨機性和系統(tǒng)性,?！?/p>

　　除了隨機性的檢查和經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)之外，模擬還可以成為預(yù)測隨機性的關(guān)鍵推動因素,?！爸劣谕ㄟ^模擬預(yù)測隨機性，有效且準(zhǔn)確的模型是最大的挑戰(zhàn),?；谀Ｐ偷娜酒S機缺陷率預(yù)測可能是一種有效的策略，這取決于準(zhǔn)確性和速度,。這里的挑戰(zhàn)是保持基于物理模型的準(zhǔn)確性,，并具有足夠的吞吐量來覆蓋設(shè)備，”Cross 說,。

　　光學(xué)檢測也有一些優(yōu)勢,。“光學(xué)檢測的優(yōu)勢在于它可以在短時間內(nèi)掃描完整的晶圓,。通過這種方式,，可以測量每平方厘米的缺陷數(shù)，因此芯片制造商可以估算其芯片的良率,，”Imec的Ronse說,。“光學(xué)檢測的分辨率可能不足以捕捉最小的缺陷,，尋找換行符是一項挑戰(zhàn),。”

　　同時,，還有其他方法可以發(fā)現(xiàn)芯片中隨機效應(yīng)引起的缺陷,，即使用電子束技術(shù)的工具，例如 CD-SEM 和大規(guī)模CD計量,。

　　一些供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)了大量的CD計量工具,。基本上,，該工具是具有計量功能的增強型電子束檢測系統(tǒng),，它們使用戶能夠在更大的視野中發(fā)現(xiàn)缺陷,。

　　在電子束檢測中，晶圓片被裝入系統(tǒng),，該系統(tǒng)發(fā)出電子束,，與被掃描材料中的電子相互作用。這會發(fā)送回映射的信號,。電子束檢測具有比光學(xué)更好的分辨率,，但速度較慢。

　　晶圓廠設(shè)備供應(yīng)商 Tasmit 是最新一家開發(fā)大規(guī)模CD計量系統(tǒng)的公司,。Tasmit的新工具通過三個步驟識別EUV工藝中的缺陷,。

　　首先，將工具設(shè)置為SEM模式,；然后,，它執(zhí)行檢查和計量功能以從晶圓片收集缺陷和CD數(shù)據(jù)；最后,，進行大規(guī)模檢查和場內(nèi)CD計量步驟,。

　　使用16μm檢查模式，可實現(xiàn)2.6 hr/mm? 的吞吐量,?！拔覀円呀?jīng)在 32 納米線或間距圖案上顯示了平均CD和斷裂類型缺陷率之間的高度線性相關(guān)性。此外,，預(yù)計缺陷率低至0.89個缺陷/ mm?,，”來自Tasmit的 Seulki Kang 在一篇論文中說。Imec 為這項工作做出了貢獻,。

　　還有其他方法,。在最近的一篇論文中，ASML描述了一種新的物理隨機邊緣放置誤差（SEPE） 模型的開發(fā),，這與其電子束檢測工具一起用于定位缺陷,。

　　SEPE模型包含多個影響輪廓不確定性的因素，包括光信號分布,、光子和光酸化學(xué)動力學(xué),、抗蝕劑分布和工藝窗口。

　　使用這個模型,，光刻模擬在整個芯片設(shè)計中運行。然后,，生成隨機變化模型,。“根據(jù)模擬的 SEPE,，計算每個關(guān)鍵切割線位置的失效概率,。每個模式組的失敗概率定義為總體和缺陷概率的乘積,。模式失效概率用于通過對缺陷嚴(yán)重性進行排序來識別頂級熱點，”來自 ASML 的 ChangAn Wang 在最近的一篇論文中說,?！叭缓螅敳繜狳c的位置用于指導(dǎo)檢測工具查找晶圓上的缺陷并驗證故障概率預(yù)測,?！?/p>

　　與此同時，多年來,，臨界尺寸掃描電子顯微鏡 （CD-SEM） 一直是晶圓廠的主要計量工具,。CD-SEM 還用于測量芯片中的 LER。

　　CD-SEM 的工作方式類似于電子束工具,，可以有許多應(yīng)用,。但是對于 LER 測量，CD-SEM 有時容易在結(jié)果上出現(xiàn)錯誤偏差,。

　　最近,，F(xiàn)ractilia 推出了一種軟件工具來克服這些測量 LER 的問題，該工具稱為 MetroLER,，可與來自不同供應(yīng)商的 CD-SEM 協(xié)同工作,。

　　Fractilia 的技術(shù)分離了由偏差引起的 CD-SEM 錯誤。然后,，它使用稱為功率譜密度 （PSD） 的技術(shù)預(yù)測粗糙度的影響,。“PSD 是一種數(shù)學(xué)技術(shù),，用于統(tǒng)計表征粗糙邊緣,，”Fractilia 的 Mack 解釋說。

　　Fractilia現(xiàn)在正在解決另一個圖案化挑戰(zhàn)——接觸孔,。在最近的一篇論文中,，F(xiàn)ractilia和 Imec描述了使用 MetroLER 分析接觸孔的自動化方法的開發(fā)。

　　在一項研究中,，研究人員分析了間距從 46nm到 56nm的孔,。“使用MetroLER實現(xiàn)了自動化分解步驟的目標(biāo),，從而減少了花費的時間和出錯的可能性,，”Imec的研究員Joren Severi 說。

　　同時,，還有另一種尋找隨機缺陷的解決方案——電氣測試,。為此，您可以在結(jié)構(gòu)上圖案化接觸，然后對結(jié)構(gòu)進行電氣測試,。

　　“這些是常規(guī)的在線電氣測試,，如果某些線路斷線或橋接，測得的電阻會表明存在故障,?？梢源竺娣e覆蓋，測量速度非?？?，”Imec的Ronse說。

　　結(jié)論

　　—

　　EUV很重要,，它使行業(yè)能夠在下一個節(jié)點對設(shè)備進行模式化,。但是，有時EUV會出現(xiàn)缺陷和故障,。因此,，從一開始就采取預(yù)防措施很重要。