集成电路测量设备

[{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"失效分析 赵工"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-LINK)"},"insert":"半导体工程师"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"2023-06-09 11:00"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"发表于北京"},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）是扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）的一种，它利用非常细小的探针，非常缓慢地在材料表面移动，以接触或非接触的方式，根据探针和材料表面的相互作用，来探知材料表面的细微结构，如原子的规则排列、表面形貌（topography）等。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"原子力显微镜主要的构成组件有探针、探针定位与扫描装置、作用力检测部分、反馈控制单元等。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"1．探针"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"探针可能经常与样品表面接触，为避免针尖弯折或断裂，探针材料需选择较硬的金属，钨丝是最常用的材料。钨丝经过电化学腐蚀，形成尖端半径为数十纳米的探针，再经由聚焦离子束切削加工后，可获得尖端半径更小的探针。探针的尖端大小和探针形状直接影响AFM的平面分辨率，通常，探针越尖，图像的平面分辨率越高。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"2．探针扫描装置"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"探针的定位与扫描需要非常高的尺寸精度，因此扫描部件一般都使用压电陶瓷元件，在空间的XYZ方向上各使用一个元件，可以实现探针的精确的移动控制。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"3．作用力检测部分"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100～500μm长和500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品与针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"在原子力显微镜的系统中，二极管激光器（laser diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（detector），如图16.4所示。因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器做信号处理。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"在AFM中要得到样品垂直方向约0.01Å的精确度，探针和样品间距的稳定度需维持在0.001Å，环境的震动振幅远远超过这个量级百万倍，因此必须隔离环境的震动。AFM的防震设计包括两方面，一是设备与周围环境震动的隔离，二是成像装置部分本身具有较大的刚度。组合使用黏弹性的高分子橡胶和金属弹簧，以尽量过滤各种频率的振动，实现与周围环境震动的隔离。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"4．反馈系统"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路（feedback）的作用就是在工作过程中，由探针得到探针与样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针与样品相互作用的强度，实现反馈控制。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的，主要有以下3种操作模式：接触模式（contact mode）、非接触模式（non-contact mode）和敲击模式（tapping mode）。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"1．接触模式"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM在整个扫描成像过程中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-10～10-6N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"2．非接触模式"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10nm的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10-12N，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难，因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"3．敲击模式"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"AFM在集成电路生产过程中主要用于测量STI的深度、STI Oxide的step height以及其他沟槽的深度和栅极、互连线的剖面轮廓等。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent","bold":true},"insert":"扫描电子显微镜"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"在集成电路制造中图形线宽的测量使用的是高分辨率电子显微镜，例如，美国应用材料（AMAT）的Verity 4iTM系列，日本日立公司（Hitachi）的S8820TM系列。电子显微镜分辨率高，测量速度快；缺点是对光刻胶有损伤。即使电子束的能量已经降到了500eV，对光刻胶造成的损失在28nm节点以下仍然不能忽略。另外，电子显微镜对垂直方向（Z方向）的测量不够敏感。在小技术节点，仅有光刻胶图形线宽已经不能满足工艺控制的需要，光刻胶图形侧壁的倾角（side wall angle，SWA）和残留的光刻胶厚度等三维数据越来越引起重视。虽然CD-SEM仍然是线宽测量的主力，业界一直在对其做改进，并探索新的测量方法。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"1．电子束与固体的相互作用"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"高能电子射入固体样品，与原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程，激发固体样品产生各种物理信号，这些物理信号有背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子（如果样品很薄，电子可以穿透的话）、特征X射线、俄歇电子、阴极荧光、电子束感生电效应等。用不同的方式接收和处理这些物理信号，构成了电子显微分析的基础。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）就是通过侦测二次电子或背散射电子，实现高分辨率、高放大倍数和大景深的观测，非常适合于微小尺寸的测量。二次电子是被入射电子轰击出来的核外电子，通常能力只有几个电子伏特，来自于固体表面十几到几十埃范围内，在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发生次数很有限的散射，基本未向侧向扩展，因此可以认为在样品上方检测到的二次电子主要来自于扫描束斑相当、深度为几十埃的样品体积内，二次电子信号源于被观测样品的表面，可以提供更高的空间分辨率，在CD-SEM（critical dimension）中广泛应用。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"2.SEM工作原理"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"电子枪发射电子，经过聚焦后轰击在样品表面，激发出二次电子，二次电子的信号强度随样品表面特征而变，扫描系统在控制电子束扫描样品表面的同时，控制显示器的阴极射线管电子束在荧光屏上作同步扫描。二次电子的信号经检测放大后作为调制信号，同步调制阴极射线管的电子束强度，在荧光屏上获得能反映样品表面特征的扫描图像。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"3.SEM构造"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"扫描电子显微镜由电子光学系统，扫描系统，信号检测放大系统，图像显示和记录系统，电源系统和真空系统等部分组成。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（1）电子光学系统：由电子枪，电磁聚光镜，光阑，样品室等部件组成。它的功能是获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和扫描像（尤其是二次电子像）分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。场发射电子枪可提供最小的电子源直径（约5nm）和最高的亮度（108～109A/cm2·sr），是高分辨率扫描电镜的理想电子源。用二次电子成像时，扫描电镜所能达到的分辨率极限就是样品表面束斑的直径。电磁聚光镜把电子枪发射的电子束进一步缩小，可以实现更高的分辨率，已经可以达到4Å。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（2）扫描系统：其作用是提供入射电子束在样品表面以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面的扫描振幅，以获得所需放大倍数的扫描像。它由扫描信号发生器、放大控制器等电子学线路和相应的扫描线圈组成。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（3）信号检测放大系统：其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大，作为显像系统的调制信号。通常用闪烁计数器来检测二次点子、背散射电子等信号，它由闪烁体、光导管、光电倍增器等组成。当信号电子撞击并进入闪烁体时引起电离，当离子与自由电子复合时，产生可见光信号沿光导管送到光电倍增器进行放大，输出电信号经视频放大器放大后作为调制信号。这种监测系统在很宽的信号范围内具有正比于原始信号的输出，具有很宽的频带和高的增益，而且噪音很小。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（4）图像显示和记录系统：把信号监测系统输出的调制信号，转换为在阴极射线管荧光屏上显示的样品表面某种特征的扫描图像。目前电子计算机在此领域的应用非常深入广泛，扫描图像保存在电脑磁盘中，还可以利用各种专业软件对图像进行所需的分析处理。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（5）真空系统：其作用是建立起确保电子光学系统正常工作、防止样品污染所必需的真空度，安装了冷场发射电子枪的扫描电镜其灯丝部分已达到10-8Pa的真空度。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（6）电源系统：由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成，提供扫描电镜各部分所需要的电源。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"4．扫描电镜的分辨率"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"分辨率是扫描电子显微镜的主要性能指标，它是指在图像上能分辨出的两个亮点之间的最小间距。影响扫描电镜分辨率的主要因素一是扫描电子束斑直径，一般认为扫描电镜能分辨的最小间距不可能小于扫描电子束斑直径，它主要取决于电子光学系统，尤其是电子枪的类型和性能、束流大小、末级聚光镜光阑孔径大小及其污染程度等，高分辨率的扫描电子显微镜都采用场发射电子枪，因其束斑直径小，束流密度高；另一个因素是入射电子束在样品中的扩展效应，高能入射电子在样品内经过多次散射后，整体上失去了方向性，在固体内部形成漫散射，漫散射作用区的形状取决于原子序数，漫散射作用区的体积大小取决于入射电子的能量。要得到高的分辨率，入射束在样品内部的扩展要小，探头所收集到的二次电子所来自的面积要小。当以二次电子为调制信号时，二次电子主要来自两个方面，即由入射电子直接激发的二次电子（成像信号）和由背散射电子、X射线光子射出表面过程中间接激发的二次电子（本底噪音）。为减少本底噪音，通常采用较低的入射能量，减少背散射电子和X射线光子的激发所产生的二次电子。理想情况下，二次电子成像的分辨率约等于束斑直径。背散射电子的能量比较大，来自于样品内较大的区域，通常背散射电子成像的分辨率要比二次电子低。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"5．扫描电子显微镜像衬度"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"扫描电子显微镜像衬度主要是利用样品表面微区特征（如形貌，原子序数或化学成分，晶体结构或晶体取向等）的差异，在电子束作用下产生不同强度的二次电子信号，从而导致成像荧光屏上不同的区域出现不同的亮度，获得具有一定衬度的图像。表面形貌衬度是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种像衬度。二次电子信号主要来自样品浅表层，它的强度与原子序数没有明确的关系，但对微区刻面相对于入射电子束的位向十分敏感，而且二次电子像分辨率高，非常适用于显示形貌衬度。表面尖棱、小粒子、坑穴边缘等结构因二次电子的产额高，在扫描像上这些位置亮度高，CD-SEM主要利用形貌衬度，利用所观察目标的表面形状的起伏产生衬度，再配以自动测量的软件，实现快速、高分辨率的CD测量。在集成电路生产过程中，沟槽的宽度、通孔的直径、栅极的宽度、互连线的宽度等都可以用CD-SEM进行高精度的测量。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent"},"insert":"椭圆偏振光谱仪"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"椭圆偏振光是最常见的偏振光，当两个方向上的电场分量具有可变相位差和不同的振幅时，光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出的轨迹为一椭圆，故称为椭圆偏振光。椭圆偏光法是一种非接触式、非破坏性的薄膜厚度、光学特性检测技术。椭偏法测量的是电磁光波斜射入表面或两种介质的界面时偏振态的变化。椭偏法只测量电磁光波的电场分量来确定偏振态，因为光与材料相互作用时，电场对电子的作用远远大于磁场的作用。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"折射率和消光系数是表征材料光学特性的物理量，折射率是真空中的光速与材料中光的传播速度的比值N=C/V；消光系数表征材料对光的吸收，对于透明的介电材料如二氧化硅，光完全不吸收，消光系数为0。N和K都是波长的函数，但与入射角度无关。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"椭偏法通过测量偏振态的变化，结合一系列的方程和材料薄膜模型，可以计算出薄膜的厚度T、折射率N和吸收率（消光系数）K。椭偏法测量具有如下优点："},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（1）能测量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1～2个数量级。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（2）是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其他精密方法如称重法、定量化学分析法简便。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（3）可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收率。因此可以作为分析工具使用。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"（4）对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感，是研究表面物理的一种方法。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"1．椭圆偏光法的基本原理"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"椭圆偏光法涉及椭圆偏振光在材料表面的反射。为表征反射光的特性，可分成两个分量：P和S偏振态，P分量是指平行于入射面的线性偏振光，S分量是指垂直于入射面的线性偏振光。菲涅耳反射系数r描述了在一个界面入射光线的反射。P和S偏振态分量各自的菲涅耳反射系数r是各自的反射波振幅与入射波振幅的比值。大多情况下会有多个界面，回到最初入射媒介的光经过了多次反射和透射。总的反射系数Rp和Rs由每个界面的菲涅耳反射系数决定。Rp和Rs定义为最终的反射波振幅与入射波振幅的比值。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"下图给出了椭偏仪的基本光学物理结构。已知入射光的偏振态，偏振光在样品表面被反射，测量得到反射光偏振态（幅度和相位），计算或拟合出材料的属性。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent","color":"#999999"},"insert":"椭偏仪的基本结构"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"入射光束（线偏振光）的电场可以在两个垂直平面上分解为矢量元。P平面包含入射光和出射光，s平面则是与这个平面垂直。类似地，反射光或透射光是典型的椭圆偏振光，因此仪器被称为椭偏仪。在物理学上，偏振态的变化可以用复数ρ来表示"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"其中，Δ是反射束和入射束的偏振态的相位差，ψ表征反射时振幅的变化，取值在0°～90°之间。P平面和S平面上的Fresnel反射系数分别用复函数rp和rs来表示。椭圆偏光法最基本的方程式就是Δ, ψ, rp, rs的关系。根据这个方程，可以推出样品的厚度和折射率等信息。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"偏振光椭圆率测量仪所需的组件包括：①把非偏振光转化为线性偏振光的光学系统；②把线性偏振光转化为椭圆偏振光的光学系统；③样品反射；④测量反射光偏振特性的光学系统；⑤测量光强度的探测器；⑥根据假设模型计算结果的计算机，如图16.8所示。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"color":"#999999","background":"transparent"},"insert":"偏振差椭圆率测量仪的组件"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"汇聚束技术：汇聚束技术实现一个锥形光束，入射角最小到40°，最大到70°。探测器有多个像素可以同时处理测量角度范围内的光线。从最大或最小角度反射来的光靠近束斑的边缘，所得的结果可能无意义，因此可以裁减掉相应的像素。而且汇聚束技术的最小束斑可以到5×10μm，可用于测量非常小的图形。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"在光谱椭偏仪的测量中使用不同的硬件配置，但每种配置都必须能产生已知偏振态的光束，测量由被测样品反射后光的偏振态，这要求仪器能够量化偏振态的变化量ρ。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"有些仪器测量ρ是通过旋转确定初始偏振光状态的偏振片（称为起偏器），再利用第二个固定位置的偏振片（称为检偏器）来测得输出光束的偏振态。另外一些仪器是固定起偏器和检偏器，而在中间部分调制偏振光的状态，如利用声光晶体等，最终得到输出光束的偏振态。这些不同配置的最终结果都是测量作为波长和入射角复函数ρ，如图16.9所示。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent","color":"#999999"},"insert":"光谱椭偏仪的测量示意图"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"在选择合适的椭偏仪的时候，光谱范围和测量速度通常也是一个需要考虑的重要因素。可选的光谱范围从深紫外到红外，光谱范围的选择通常由应用决定，不同的光谱范围能够提供关于材料的不同信息，合适的仪器必须和所要测量的光谱范围匹配。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"测量速度通常由所选择的分光仪器（用来分开波长）来决定，单色仪用来选择单一的、窄带的波长，通过移动单色仪内的光学设备（一般由计算机控制），单色仪可以选择感兴趣的波长。这种方式波长比较准确，但速度比较慢，因为每次只能测试一个波长。如果单色仪放置在样品前，有一个优点是明显减少了到达样品的入射光的量（避免了感光材料的改变）。另外一种测量的方式是同时测量整个光谱范围，将复合光束的波长展开，利用探测器阵列来检测各个不同的波长信号。在需要快速测量时，通常是用这种方式。傅里叶变换分光计也能同时测量整个光谱，但通常只需一个探测器，而不用阵列，这种方法在红外光谱范围应用最为广泛。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"在集成电路生产过程中，椭偏仪广泛用于测量介电薄膜的厚度和光学性质，这些薄膜有二氧化硅、氮化硅以及低k材料等，可测量的薄膜厚度从十几埃到数千埃不等，既可以测量单层薄膜，也可以测量多层薄膜的厚度，成为介电薄膜生长工艺监控的重要手段。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n\n\n\n\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent","bold":true},"insert":"套刻误差测量设备"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"套刻误差的测量是在专用设备上进行的。这个专用设备实际上就是具有图像识别和测量功能的高分辨率光学显微镜。日前晶圆厂用得最多的就是KLA-Tencor的ArcherTM"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"列套刻误差测量仪，有Archer 200TM、Archer 300、Archer 500TM。Archer 500TM"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"于28mm技术节点以下。套刻误差测量设备的关键技术指标包括如下几个方面："},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"（1）能够识别的套刻测量图形（overlay mark）；"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"（2）测量的精确度，通常用重复测量结果的3σ来表示；"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"（3）测量设备导致的测量误差（tool introduced shift，TIS）；"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"（4）整个测量结果的不确定性（total measurement uncertainty，TMU）。通常要求"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"TMU小于5％套刻误差控制值（5％ of overlay control spec）。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"（5）测量速度，通常用测量时间来表示（move-acquire-measure（MAM）time）；产能"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"(through-put)。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"（6）测量得到的数据必须与分析软件（如KLA-Tencor的K-T AnalyzerTM）实现无缝"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"对接，为光刻机及时提供修正参数。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"随着技术节点的推进，对套刻误差测量的要求也越来越高。套刻测量设备供应商也提出了各自的技术路线图。设备和测量技术的改进包括：①使用新的照明光源，使得设备对测量标识有更高的分辨力。优化光源，使得系统能够透过晶圆上的硬掩模分辨更底层的套刻标识，参考层的选取更加灵活；②完善的图像识别算法，能有效地过滤掉套刻标识成像的噪声，更精确定位；③使用新的套刻标识。随着技术节点中新材料、新工艺的不断使用，套刻标识的设计也在不断演化。基本的趋势是小型化，更能承受恶劣的工艺环境，不容易在工艺处理时被损坏。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"晶圆上专门用来测量套刻误差的图形被称为套刻标识。这些图形在设计掩模时已经被放置在了指定的区域，通常是在曝光区域的边缘，又叫“scribeline”或“kerf”区域。最简单的图形是所谓的套叠方框图形（frame-in-frame），如图6.10（a）所示。方框整体的尺寸是20～50μm，线宽是1～3μm。这个尺寸保证了它们在光学显微镜下能被清楚地分辨出来。套叠方框图形内部的小方框位于参考层中，外方框位于当前的光刻胶中。显微镜精确测量两个方框边缘之间的距离，从而得到中心之间沿X方向和Y方向的偏差（Δx，Ay），如图6.10（b）所示。这种套叠方框图形通常被对称地放置在曝光区域的四个角上，如图6.10（c）所示。这样测得四个角落处位置的偏差，即（Ax1，An），（AnΔy2），，（Δx4，Δy4）。在实际情况下，一个曝光区域中可能有多于4对的套叠方框图形。更多的测量图形有两个优点：①对多余图形的测量可以获得更多的数据，平均后降低测量噪声；②工艺中的不稳定性有时会导致一些方框图形的损坏，多余的图形能提供备份。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent","bold":true},"insert":"基于衍射的套刻误差测量"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"前面介绍的套刻误差测量都是通过在光学显微镜下对比图形位置的偏差来实现的，它基于图像识别技术，因此又被称为IBO（image based overlay）。套刻误差还可以通过光学衍射的原理来测量，又被称为基于衍射的套刻误差测量（diffraction basedoverlay，DBO）。用于DBO测量的图形是两个周期性的结构，一个位于晶圆的参考层中，另一个在光刻胶上。如果这两个图形完全对准，那么在光照下的衍射条纹就是对称的。通过测量衍射图形的对称性就可以获得对准偏差的信息。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"测量设备的结构如图6.19（a）所示。一束宽波段的极化光（broadband linearlypolarized light）垂直照射在晶圆表面，探测器测量对应不同波长的反射谱（衍射束光强和相位）（见图6.19（b））。入射光的极性（polarization），可以分别设置为TE和TM模式（相对于DBO标识的），如图6.19（c）所示。可以测量不同极化模式（TE／TM）照射下，反射束之间的强度与相位差别（phase differences between the TE and TM spectra）。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"图6.20（a）是一种 DBO 标识（ASML 标识）的设计图。整个标识长宽h＝w＝10μm（参考层）或16μm（光刻胶层），它包含水平的1：1密集线条（用于测量Y方向的套刻精度）与垂直的1：1密集线条（用于测量X方向的套刻误差）。线条的周期500nm。如果参考层的线条与光刻胶层的线条完全对准，即套刻误差为零，它们就像一个反射光栅一样，衍射束的强度是对称的，如图6.20（c）所示。反之，上下光栅存在位移时（套刻误差不为零），上下光栅的合成效果就等于一个不对称的光栅（asymmetricalgrating），高级衍射束正负方向的强度就不一样。位移方向不同对应衍射束强度减弱的方向不同，如图6.20（b）～（d）所示。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"与基于图像识别的方法相比，基于衍射的套刻误差测量具有的特殊优点是设备引起的测量误差（tool induced shift，TIS）较小，测量结果的重复性很好（consistent repeatability）。因此，整个测量结果的不确定性（total measurement uncertainty，TMU）就很小。文献［8］对此做了系统评估，结果如图6.22所示。在6个光刻层（Layer 1～6）做了对比试验，IBO测量方法已经做了优化。DBO测量结果的TMU只有IBO的1／5～1／2。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"到底是使用IBO还是DBO作为量产中的套刻误差测量方法，各个Fab意见并不一致，基于各自工艺的评估还在进行之中。文献［10］分别使用IBO和DBO方式测量了经不同工艺处理过的晶圆，包括金属薄膜沉积（metal film deposition）和化学机械研磨（CMP）。这些工艺对套刻误差测量标识都会造成不同程度的损伤。对两种方法测量的结果都做了修正模型分析，确定了修正量和修正后的残留，发现：对于金属薄膜沉积的衬底，使用IBO结果修正后的残留比DBO的略小；而对于CMP处理后的衬底，使用DBO结果修正后的残留明显小于IBO结果修正后的残留。综合起来看，DBO明显比IBO有较高的测量精度，测量标识的变形对DBO结果的影响小于IBO［10］。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent","bold":true},"insert":"散射仪测量图形的形貌"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"散射仪（scatterometry）的工作原理是：一束光入射在晶圆表面，晶圆表面的光刻胶图形对入射光产生散射和衍射，这些含有表面结构信息的光被探测器接收。对探测器接收的信号做分析，得到晶圆表面光刻胶图形的三维尺寸。由于散射仪是使用光学的办法来测量光刻胶图形的线宽等几何信息，因此，又被称为光学CD测量（optical CD，OCD）。使用散射仪来测量光刻胶图形线宽的努力早在21世纪初就开始，但是，一直到28nm技术节点以后才开始受到广泛的关注21，这是因为CD-SEM测量导致的光刻胶损失效应在28nm以下再也不能忽略了，而且，OCD测量还能提供图形的三维信息。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"散射仪的结构如图8.5（a）所示。一束宽波段的偏振光（broadband polarized light垂直入射在晶圆表面，在晶圆表面图形发生衍射，0级衍射束的TE和TM分量被探测器接收。这种入射光垂直于样品表面的系统又被称为垂直入射线宽测量系统（normal-incidence optical critical dimension，NI-OCD）。也可以使用非垂直入射的设计，但是垂直入射的设计使得设备更加紧凑。使用耦合波分析方法对接收到的测量信号进行回归分析（regression），可以获得晶圆上图形的三维轮廓3］。各散射仪供应商都提供专用的分析软件包。在使用这些专用软件时，必须首先建立测量和数据分析模型。可以获得的光刻胶图形三维信息包括；光刻胶图形高度h、顶部的线宽CDop腰部的线宽CDmid、底部的线宽CDbottom和侧壁的角度SWA，如图8.5（b）中所示。刻蚀后的图形包含多层不同的材料，可以建立更复杂的模型，把每一层的厚度、线宽和SWA拟合出来。散射仪具有测量速度快、无损的优点，但测量结果的精确度与测量模型的准确性有关。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n\n\n\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"缺陷检查设备"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"缺陷检测分为直接测量和比较性测量。直接测量需要在无图形的衬底上进行颗粒和线指的探测。如美国科天公司的Surfscan SP3，SP5，SP5系列。这个系列采用深紫外照明光，测量的缺陷尺寸一般为20～30nm。图8-36展示了这种设备的外观图。图8-37是一张被扫描出的硅片上缺陷示意图。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"另外一种是比较型测量。这种测量需要在有图形的衬底上，通过成像与没有缺陷的参考图形进行比较确定缺陷的存在、位置和大小等。缺陷的检测也分为掩模版的缺陷检测和硅片的缺陷检测。掩模版的缺陷检测如果存在相同的图形区域，如一块掩模版可能存在多个相同的芯片区，比如包含3x4＝12个芯片区，则可以通过芯片与芯片之间的比较（Die to diecomparison）确定缺陷的存在。但是，如果是研发用的测试芯片，则这种比较可能无法实现。因为每个测试芯片可能只有一个。这时就需要采用芯片和设计版图进行比较（Die to databasecomparison）。两种比较方法也适用于硅片缺陷的检测。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#333333"},"insert":"对于设计规则较大的版图，如最小线宽在200～300nm（4倍率）以上，掩模版缺陷还可以从透射像和反射像观测，而无须版图设计信息。这是因为，对于较大的图形，如不透明的或者透明的形状，其反射光和透射光的总和是基本固定的，与其他图形一样。比如，反射光为1.0（归一化），透射光接近0，则两者的总和约为1。但是，对于（相对于设计规则）明显偏小的缺陷图形［如缺陷尺寸为30～100nm（4倍率）］，由于其尺寸明显小于检测波长（如波长等于257nm），光照射到此类图形后会有较大角度的散射，其反射光或者透射光会明显弱于正常图形。也就是说，如果考虑反射光和透射光的总和会明显小于正常图形的值。当然，如果存在某些反射率高于掩模版上不透明图形材料的外来颗粒，其反射光和透射光的总和还会明显大于1。所以，通过此类方法，通过将反射图像和透射图像相加，就可以发现缺陷。此类掩模版检测方法由美国科天公司提供，被称作同时的透射反射探测（Simultaneous Transmision AndRellection Light，STARlight）方法。其光路图如图8-38所示，照明由一个45°半透半反分束板导人光路中，用来照亮掩模版待测区域，接着通过掩模版的透射光经过成像透镜组在成像单元上成像，而反射光经过原先的半透半反分束板，经过同样的透镜组在另外一片成像单元上成像。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"insert":"图8-39显示了一种缺陷的扫描结果，在制作过程中出现不透明层没有完全被去掉（即存在显影刻蚀残留）或者显影刻蚀过程中掉落的颗粒物，其表面一般比较粗糙，反射率较低，明显低于1。图8-40是另外一种缺陷，是在不透明层图形上出现的针孔（Pin hole），这可能是铬或者硅化钼（MoSi）上的针孔缺陷导致的。由于光透过比其波长小的小孔的强度会明显衰减，这个小孔处的反射光和透射光的总和也会小于1，可以被检测出来。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"但是，对于尺寸与正常图形一样或者更大的缺陷图形，由于其反射光加上透射光的总和与正常图形一样，这种方法就无法检测出来了。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"硅片上的缺陷扫描与掩模版上的缺陷扫描类似。不过只有反射光，没有透射光。图8-41展示了一种反射式硅片上缺陷扫描仪的外观。除了与掩模版检测一样能够看到颗粒或者针孔缺陷外，硅片缺陷扫描还可以看到光学邻近效应修正的缺陷。图8-42展示了一幅在阵列最边缘的线条偏细的图像。这是光学邻近效应没有补偿完整而出现的缺陷。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"由于缺陷扫描属于成像探测，而一般显微镜平直的像场在30～50μm范围内、如果需要对全硅片区域进行扫描，需要耗费很多时间。所以，一般缺陷扫描需要抽取部分芯片区域进行。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n\n"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"来源：半导体材料与工艺设备"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-0)"},"insert":"半导体工程师"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]