晶圓邊緣的檢測(cè)

 

當(dāng)在器件結(jié)構(gòu)上線寬持續(xù)變窄后，我們不能夠再忽視晶圓的邊緣了。這背后的原動(dòng)力是對(duì)于降低日益惡化的表面污染的需求，粗糙的、坑洼或者斷裂的邊緣會(huì)引起表面污染，同時(shí)也要防止災(zāi)難性的污染 -晶圓在工藝腔體里的爆裂。此外，如果不做邊緣檢查，那么晶圓表面積的5-7%就沒(méi)有了，這是需要重視晶圓邊緣的技術(shù)原動(dòng)力。

晶圓的邊緣包括三部分：上斜面，頂或者冠，以及底斜面。尤其是去年以來(lái)，器件制造商已經(jīng)密切關(guān)注這些部分，并且已經(jīng)把廢棄的邊緣包含在內(nèi)。這就是為什么檢查系統(tǒng)要升級(jí)，從利用激光或CCD只關(guān)注每部分單程的頂點(diǎn)，到關(guān)注晶圓邊緣附近，這些以前排除在外的部分，如上斜面，頂點(diǎn)，底斜面和背面邊緣部分，轉(zhuǎn)向更全面的晶圓檢查。

進(jìn)行全面檢查


很多年來(lái)，晶圓表面，包括正面和背面，已經(jīng)成為檢查的焦點(diǎn)，而邊緣則被認(rèn)為不太重要的。現(xiàn)在它卻變得重要了，因?yàn)榫A要通過(guò)緣進(jìn)行操作，同時(shí)邊緣也與晶圓盒相接觸。 "污染不只是顆粒，還有金屬污染，污染從邊緣向內(nèi)部區(qū)域以及表面的擴(kuò)散是個(gè)重要的問(wèn)題。"Hologenix董事長(zhǎng)Philip Blaustein說(shuō)："這些原子和金屬顆粒傾向于粘附在邊緣附近的缺陷上，這就是劃傷、碎片或者粗糙引起金屬粘污的源起。"

這種檢查側(cè)重于邊緣拋光、CMP應(yīng)用、層檢、剝落和一層到另一層的污染。300毫米廢棄區(qū)域縮小之后尤其如此。邊緣污染，比如從邊緣轉(zhuǎn)移到表面的金屬或者其他各種各樣的顆粒-尤其對(duì)于65納米線寬 -現(xiàn)在是非常重要的，這種情況下幾乎每一層都要做邊緣檢查。背面真空過(guò)去用來(lái)搬放晶圓，但是因?yàn)?00毫米晶圓是雙面拋光的，所以不能有東西接觸背面。因此，是通過(guò)邊緣對(duì)晶圓進(jìn)行搬送的，而邊緣則是一直以來(lái)關(guān)注是否有損傷的一個(gè)區(qū)域。


美國(guó)Raytex執(zhí)行副總裁John Valley認(rèn)為CMP是邊緣缺陷的來(lái)源之一。他說(shuō)："CMP工藝要針對(duì)邊緣情況進(jìn)行特定的調(diào)整。邊緣情況可能由于晶圓供應(yīng)商的不同而變化，甚至?xí)捎诠に囋O(shè)備的不同而變化。邊緣情況已經(jīng)成為必須要測(cè)量和控制的項(xiàng)目。" 
邊緣缺陷非常多，這是因?yàn)檫吘壟c前端的潔凈度不同；并且，拋光質(zhì)量也不高。由于邊緣這種形狀，因此很難保持明確一定的平滑度。這就是如果不應(yīng)用于晶圓級(jí)，邊緣檢查在器件級(jí)沒(méi)有意義的原因所在。
在晶圓到達(dá)器件制造商之前，清除掉微米以及亞微米的缺陷非常重要。

在邊緣檢查系統(tǒng)方面，視基系統(tǒng)（CCD相機(jī)或者線掃描相機(jī)）與激光基系統(tǒng)一直存在著競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。激光基系統(tǒng)對(duì)于小缺陷更靈敏。在產(chǎn)能方面，激光基系統(tǒng)更快，當(dāng)需要檢查不同平面的五部分時(shí)這點(diǎn)很重要； 兩個(gè)邊緣區(qū)域的上和下，上斜面和底斜面，以及頂。還包括晶圓的缺口（notch），因?yàn)樗且粋€(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，而且可視為對(duì)于有源區(qū)的損傷。

大部分前端（FEOL）檢查已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)完備，但是由于工藝波動(dòng)，部分芯片，以色差使得對(duì)于邊緣的檢查非常困難，因此邊緣檢查發(fā)展得還相當(dāng)不夠。按照August Technology公司產(chǎn)品經(jīng)理Tuan Le的說(shuō)法，邊緣檢查開(kāi)始于八年之前，采用的似激光掃描設(shè)備用以尋找碎片和裂紋。

August的邊緣檢查方法是視基的，不是激光掃描工藝。因?yàn)樾枰幚砀鞣N表面，所以使用了多個(gè)相機(jī)在不同照明下校正的通用技術(shù)。貫穿邊緣的法線，可以在頂點(diǎn)處檢查晶圓。如果這個(gè)區(qū)域采用點(diǎn)光源照明，被反射后，相機(jī)只能收到一點(diǎn)光。其他不同的方法還有暗場(chǎng)和普遍明場(chǎng)方案。暗場(chǎng)聚焦于邊緣，使顆粒顯現(xiàn)突出。普遍明場(chǎng)源顯示色差、水泡缺陷、分層和低高寬比缺陷，以及傾斜面上的碎片和裂紋。

標(biāo)準(zhǔn)的建立


碎片和裂紋的檢測(cè)是非常重要的，因?yàn)樗鼈兪遣荒鼙浑[藏或返工，如果是機(jī)械或者熱應(yīng)力缺陷，還能破壞晶圓。另外一類缺陷是水泡。如果有顆粒被覆蓋，不論來(lái)源于光刻膠、CMP、還是晶圓盒子粘污，隨之又通過(guò)了一個(gè)熱工藝，就會(huì)形成一個(gè)水泡。它可能不會(huì)對(duì)下一步工藝造成損害 ，可能在幾步之后，最后到達(dá)一定程度之后才爆裂。

領(lǐng)先的器件制造要求100%檢查晶圓邊緣的水泡、碎片和裂紋。August的CTO Cory Watkins說(shuō)："每個(gè)公司都有一個(gè)正規(guī)的良率管理項(xiàng)目。他們研究了邊緣缺陷的類型，突發(fā)事件以及工藝問(wèn)題，繪出了嚴(yán)格控制下斜角輪廓的ROI圖。SEMI對(duì)于斜角輪廓的標(biāo)準(zhǔn)還比較松，分為t/3，t/4和全圓斜角輪廓。對(duì)結(jié)論的分析是要實(shí)現(xiàn)最小的良率損失，就要對(duì)整個(gè)邊緣都檢查。他們目前也涉足200毫米晶圓，同時(shí)也在指定實(shí)際的斜角輪廓。" 斜角輪廓影響良率，這是因?yàn)楦鲗硬荒芟裾掣皆趖/3或者t/4上一樣粘附在全圓上。此外，根據(jù)晶圓邊緣形成時(shí)砂輪的狀態(tài)，邊緣輪廓也可能是不規(guī)則的。

目前針對(duì)邊緣缺陷問(wèn)題的方法是手動(dòng)利用光學(xué)顯微鏡檢查晶圓邊緣。這應(yīng)該自動(dòng)化，但是器件制造必須首先決定他們需要什么-看哪些區(qū)域，用什么靈敏度，最佳的方法是什么，如何監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)了缺陷，糾正措施是什么。

也確有一些解決方案。應(yīng)用材料有一些早期時(shí)針對(duì)SEM平臺(tái)的應(yīng)用，當(dāng)抓到一些圖像時(shí)，使用光學(xué)顯微鏡觀察晶圓邊緣（圖1）。這個(gè)系統(tǒng)提供照片使得監(jiān)控實(shí)現(xiàn)定制，嘗試定位宏觀邊緣缺陷，然后操縱SEM移動(dòng)到那里。應(yīng)用材料工藝診斷與控制組SEM部缺陷檢查全球產(chǎn)品經(jīng)理Renan Milo說(shuō)："隨著方法成熟、措施得當(dāng)，大缺陷是能夠避免， 我們的注意力將轉(zhuǎn)向更小的缺陷，這就需要更好的檢查和觀測(cè)能力。" 


 

深入到里面 
表面光學(xué)技術(shù)檢測(cè)到表面的缺陷。通常，這些方法可采用照相機(jī)和激光束從四個(gè)方向聚焦在晶圓邊緣。Bede X-Ray Metrology產(chǎn)品經(jīng)理Petra Feichtinger說(shuō)："只看表面是不夠的。X-Ray衍射成像直接給出由于缺陷，比如埋層裂紋和表面劃傷導(dǎo)致的晶格變形分布圖。"該技術(shù)可以區(qū)分遍及晶圓及其邊緣的這種缺陷，包括表面和晶圓體區(qū)，同時(shí)對(duì)于斜角形狀變化也很敏感。

X-ray衍射甚至可以檢測(cè)到很小的應(yīng)變場(chǎng)，比如與氧化層的界面處。X-ray衍射的優(yōu)點(diǎn)是，由于它直接對(duì)晶格成像，因此既可以對(duì)光片也可以對(duì)圖形晶圓進(jìn)行檢查，這是超越光學(xué)成像技術(shù)的地方。這使得由晶圓搬送引入的缺陷能夠在它們導(dǎo)致器件損失或者晶圓破損之前就被隔離和清除掉，既便金屬層只有幾層。

從晶圓到器件

像KLA-Tencor這樣的OEM已經(jīng)有設(shè)備平臺(tái)瞄準(zhǔn)上面和上斜面的檢測(cè)。"我們有設(shè)備能夠檢測(cè)晶圓的上表面，但是目前沒(méi)有設(shè)備能夠檢測(cè)頂點(diǎn)和低斜面。這些區(qū)域的自動(dòng)缺陷檢測(cè)和分類對(duì)于IC制造來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。"成長(zhǎng)市場(chǎng)與已有市場(chǎng)主管Frank Burkeen這樣說(shuō)。最近針對(duì)十幾個(gè)fab的基準(zhǔn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)按照晶圓中心或者接近中心的區(qū)域的最佳良率歸一化之后，晶圓邊緣芯片的良率損失在10%-50%的范圍。"從200到300毫米，這個(gè)比例保持不變，但是隨著晶圓尺寸變大，在邊緣放更多芯片的時(shí)候，這就成為問(wèn)題了。


今天的邊緣檢查是針對(duì)晶圓制造的優(yōu)化，而不是IC。已有的設(shè)備通常都是基于激光散射的，配備有幾路CCD成像，或者僅基于明場(chǎng)成像。同時(shí)它可用于檢測(cè)裂紋、碎片、可能的顆粒和水泡，這些缺陷降低了邊緣良率，很可能與薄膜和刻蝕殘留相關(guān)-它們留在晶圓邊緣，在接下來(lái)的工藝步驟中剝落下來(lái)（圖2）。



 

建立這些缺陷與芯片良率損失相關(guān)性對(duì)于IC制造商來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)，但晶圓制造商不關(guān)心這些。 

雖然感興趣的缺陷，如邊緣粘污和膜殘留， 能夠被IC制造商清楚地區(qū)分開(kāi)來(lái)，但是還不能做到自動(dòng)檢測(cè)和分類。在對(duì)邊緣殘留進(jìn)行檢查時(shí)，較低的斜面可能是缺陷最通常的起源之處；但是，沒(méi)有好的設(shè)備能判斷這些。有人用傾斜SEM手動(dòng)檢查上表面、上斜面，有時(shí)也檢查頂端的上面部分。然而，由于不能翻轉(zhuǎn)晶圓，沒(méi)有有效的方法來(lái)檢查背面和頂端下面，其感度又能夠檢測(cè)到膜殘留和可能引起分層的異常。

邊緣問(wèn)題具有多面性。主要的問(wèn)題是如何發(fā)現(xiàn)在邊緣上的是什么。今天，除了邊緣專用的CCD系統(tǒng)，沒(méi)有理想的設(shè)備來(lái)檢測(cè)晶圓邊緣或者對(duì)頂端成像；用SEM則幾乎不可能，而且背面斜面也達(dá)不到。針對(duì)前端和背面的檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)有了，但是能夠收集到的晶圓邊緣的信息卻非常有限。利用CCD拍照，并且利用散射設(shè)備繪制成圖是可能的，但是理解薄膜構(gòu)成和測(cè)定邊緣膜厚均勻性的設(shè)備還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)。


器件制造商面臨的兩個(gè)關(guān)注的問(wèn)題： 邊緣不完整性和顆粒，這引發(fā)了如何處理它們的問(wèn)題。如果顆粒的化學(xué)構(gòu)成能夠確定，就能確定它們的來(lái)源。檢查晶圓邊緣（和表面）的困難在于，當(dāng)檢查分散的缺陷時(shí)，達(dá)到探測(cè)器分辨率以下是可能的，但卻不是總能夠區(qū)分散射的機(jī)制。當(dāng)利用非散射光學(xué)觀察事物時(shí)，不管怎么做，分辨率都是一個(gè)限制。 
為了檢查邊緣，要么是需要單獨(dú)的操作直接觀察，要么是需要某種方式同時(shí)進(jìn)行。Nanometrics公司硬件工程主管Barry Bowman說(shuō)："我們的系統(tǒng)中采用了大景深，以便觀察邊緣一側(cè)切線附近的各種情況。因此，我們能夠區(qū)分象素分辨率那般大小的物體。我們采用散射型器件，因此通過(guò)校正，我們能夠區(qū)分亞象素分辨率的顆粒，但是有時(shí)不能判斷它們是什么。"這是散射設(shè)備的共通之處；區(qū)分確定數(shù)據(jù)信號(hào)非常困難。它可以收集與凹坑、劃傷或者裂紋相關(guān)的特定信號(hào)，但是在沒(méi)有特征信息的情況下，它通常不能將顆粒和劃傷或者其他缺陷區(qū)分開(kāi)來(lái)。這意味著只有上面是可見(jiàn)的，而不是整個(gè)邊緣。對(duì)此，翻轉(zhuǎn)晶圓是必須的，以便看到邊緣的兩面。


一種選擇是正對(duì)著檢查晶圓邊緣。這強(qiáng)調(diào)工藝能力，至多只能觀察180 色差儀相關(guān)文章:色差儀原理