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ot;display: block;">隨著芯片制造商不斷地發明新材料、新結構以及新工藝,他們正面臨著新的缺陷類型和影響缺陷檢測的新噪聲源不斷增加的局面。能夠捕獲最廣泛缺陷類型的傳統手段是寬帶明場檢測技術,另一種方法則是單波長激光DUV明場檢測。本文將利用理論模型與實驗數據展示一個可調的寬帶明場檢測方案,在滿足最新的缺陷檢測挑戰并對影響良品率的缺陷產生較高的捕獲率方面,該方案具有單波長方案不具備的一些優點。主要優點是,寬帶源可以根據給定的層或缺陷類型的特有光學特性將光波段調整到最佳,從而產生最大的對比度。寬帶源的另外一個優點是其波長光譜可以被用來減少來自于下面層彩色信號雜波造成的干擾,這些干擾會造成假缺陷。減少假缺陷意味著被檢缺陷與良品率有更強的相關性。

在新一代的集成電路器件中,芯片制造商正在利用新材料和新結構來增強芯片功能,同時又要節省功率,于是導致了許多新的缺陷類型和噪聲源的產生。此外,刻線增強技術、光學近似校正以及其他新型的復雜光刻技術也導致系統缺陷的大量上升。面對所有各層中各式各樣的缺陷類型,芯片制造商發現他們在工藝控制中需要更加靈敏和更加靈活的檢測方法。模型研究以及半導體廠的經驗證明,要實現可靠的缺陷檢測,不同的缺陷類型和器件層需要不同的檢測波長。因此,對于捕獲范圍極廣的缺陷類型來說,一個范圍從DUV到可見光波長的可調的寬帶工具是最好的解決方案。

本文基于光學原理對可調的寬帶技術與單波長亮域檢測方案進行了比較。文中還給出了與光學對比和顏色噪聲相關的挑戰,以及克服這些挑戰的解決方案。本文還列舉了利用長波檢測短波無法檢測到的缺陷類型的實際結果。最后,為了在存在一般性工藝變異的條件下捕獲所有層中的各類缺陷類型,建議利用全波長明場檢測來滿足芯片制造商65nm生產以及更先進節點研發方面的需求。

信噪比優化

明場檢測是范圍很廣的產品片檢測策略的一個重要組成部分,他解決了所有工藝層中的大量缺陷檢測。雖然暗場檢測更具成本效益,對于最小的物理缺陷以及隱藏的電氣缺陷需要采用電子束檢測,然而明場檢測在絕大多數的光刻和蝕刻前端生產線監控方面能夠提供更好的缺陷捕獲。不過,對于特定材料和特定層來說,許多變異將會影響到亮域檢測的有效性。影響一個檢測系統提供缺陷捕獲能力的信噪比深植于缺陷與其周圍環境的對比度中。對于明場檢測,該對比度取決于缺陷及其周邊環境的光學特性,而這些特性又是入射波束波長的函數。因此,全波長檢測系統提供最廣泛的缺陷類型捕獲,因為可以調整入射波的波長使得所關注的缺陷類型與其環境之間的對比度達到最佳。

光阻層中的短路缺陷

材料的物理和光學特性會因為結構的不同而有很大的差異。例如,圖1中用曲線和間隔陣列繪制出了在兩種不同厚度的光阻/BARC層條件下由短路缺陷引起的取決于明場灰度等級(gray-level)信號的理論波長。圖中繪出了缺陷灰度信號-即缺陷和其它沒有缺陷之間的圖像間的灰度差。其中一層呈現出在深紫外線(DUV)范圍內具有最好的缺陷灰度等級,而另一層則在可見光范圍內具有最好的缺陷灰度等級。由于短路缺陷信號隨層厚度而改變,因此在工藝變化是器件創新無法避免的場合,可調波長將成為缺陷捕獲的關鍵特性。

圖1:作為波長函數的模型化明場[y51]缺陷灰度等級信號    

電容傾斜缺陷

圖2顯示的是對DRAM電容器的電容傾斜缺陷的檢測。在90nm工藝節點,選用的材料是多晶硅,而在70nm節點,材料換成了Ti/TiN。圖2表明缺陷信號的波長隨新材料的變化很大。在90nm節點(左圖),445nm是最佳檢測波長,而在70nm節點(右圖),最佳檢測波長則是325nm。這再一次證明,當工藝參數改變時,波長調整是缺陷檢測的關鍵。

圖2:缺陷灰度信號的變異與電容傾斜缺陷的波長之間的關系    

STI空缺

圖3顯示了在窄深槽結構(STI)前去除氮化層,在空洞缺陷檢測時,波長調整對信噪比的影響。在266nm上灰度檢測信號很弱。改變波長以涵蓋DUV的峰值范圍可以將圖像的對比度提高約4倍。

圖3:仿真波長取決于STI空洞[y53]的信噪比。    

銅線短路

第一層金屬層化學機械拋光后,銅短路是面臨的另一種缺陷檢測的挑戰,此時波長靈活性具有明顯的優勢。圖4給出了65nm器件上銅短路時取決于缺陷灰度信號的理論波長。本例中,DUV波長可以提供比UV波長更高的灰度等級信號。因此,寬帶明場檢測工具的可調性可以直接等效為更好的缺陷捕獲能力。

圖4:仿真波長取決于銅短路缺陷的灰度差,檢測是在65nm器件中的金屬1的CMP后完成的。    

閃存上的蝕刻缺陷

將這一研究擴展到45nm節點時,直覺告訴我們DUV將更合適,我們檢查了閃存器件上的兩種缺陷類型(圖5)。在波長大約300nm時提供STI蝕刻短路缺陷檢測最強的灰度等級差。可是,可見光波提供柵極蝕刻微短路檢測最強的灰階差異。

 圖5:仿真波長取決于兩種蝕刻缺陷的灰度等級差    

通過上述的討論可見,當存在大范圍的缺陷類型,或者大范圍材料或材料參數時,可調波長對于晶圓檢測是至關重要的。最優缺陷捕獲方法是不同的,從用于90nm DRAM的后蝕刻多晶硅電容缺陷的可見光到用于第一層金屬層層上化學機械拋光工藝CMP)之后的銅短路缺陷的最深DUV。因此,通常說短波長可以捕獲較小的缺陷這種說法已不合適。而應該是,對不同缺陷和薄面層最佳的寬范圍波長對工廠中出現的大范圍缺陷類型的檢測來說才是關鍵。

噪聲抑制

通常來說,在線檢測的算法是通過對比兩個芯片單元來檢測缺陷。有些時候,相鄰芯片單元會因為介質層薄膜厚度的變化而有一些輕微變異,因此在使用單波長明場系統時,會呈現不同的灰度等級信號(采用傾斜入射的單波長暗場系統則不太受影響,這是因為掠入射降低了穿透平面的光量,從而大大降低了干擾邊緣的強度)。由于輕微的膜厚度或折射率差別并不影響器件性能,故這類“彩色”噪聲缺陷并沒什么害處。單波長明場系統必須采取后處理缺陷分級以便將彩色噪聲錯誤警報降到最低。下面將證明寬帶檢測系統從本質上就適于處理常見的工藝變化。

圖6所示為氧化硅晶圓表面的理論反射率與膜厚度之間的關系,所用的入射波波長為266nm。藍色曲線代表由于位于晶圓中不同深度上的薄膜界面處的光干涉引起的循環圖。芯片單元之間,由膜厚度變化引起的工藝變異將導致不同的反射率,甚至是對于一個特定的芯片單元也是如此。如果很小的變異出現在曲線的峰值或谷值區域,反射率的變化將會較小。但是,在曲線最陡斜率處的膜厚度的任何細微變化都將會導致反射率的巨大變化,這將被檢測為彩色噪聲。只要采用相鄰芯片單元算法,彩色噪聲就會隨著缺陷的增加而上升,或者會影響目標缺陷的檢測能力。

圖6:數字光圈對歸一化反射率的影響與SiO2膜厚度的函數關系,所用波長為266nm。    

減小這種效應有兩種方法。第一種是利用高數字光圈(NA)的物鏡,如圖6中所示。對于厚度大于200nm的膜,將會大大降低反射率隨著膜厚度變化的幅度。當采用高NA時,光強度被分布到較寬的入射角上,從而利于消除反射變化。其結果是干擾峰值被降低-從而降低了彩色噪聲問題。

降低彩色噪聲的第二種方法是使用寬帶光源,而不是單波長光源。寬帶光源具有很短的相干波長,其等式為:CL =  ?2/??。隨著帶寬??的增加,相干波長減小。由于引起反射率變化的薄膜干涉效應取決于厚層中相干的光,寬帶源的相干波長較短,從而減小了變異。當寬帶光穿越高NA的光學鏡頭時,兩種影響的共同作用使得彩色噪聲大大降低,如圖7所示。

圖7:單波長與寬帶光的比較,采用高NA光學鏡,歸一化的反射率為二氧化硅膜厚度的函數。    

為了證明試驗結果,觀察圖8所示的實際斷線缺陷。利用窄波段光源時,目標芯片單元(左上)和參考芯片單元(左下)呈現極為不同的灰度等級,而缺陷(位于黃色圈內)卻無法檢測出來,此時的信噪比是0.4。彩色噪聲會影響自動缺陷檢測,盡管信號很強,并且肉眼即可相當容易地發現圖像中的缺陷。然而,當采用寬帶光源時,目標芯片單元(右上)和參考芯片單元(右下)具有相似的灰度等級,從而很容易檢測到缺陷,此時信噪比為1.1(即使觀察圖中的缺陷更難)。

 圖8:在窄帶明場[y56]和寬帶明場[y57]照明之下的一條斷線瑕疵(插頁)    

降低彩色噪聲的第三種方法是在數據收集后利用算法來降低彩色噪聲。而這也是單波長檢測降低彩色噪音唯一有效的方法,通常其噪聲在像素化處理時會高出3到5倍。

本文總結

有多種檢測方法適用于晶圓的缺陷檢測。在各種檢測方法中,已證明明場檢測技術是前段光刻和蝕刻工藝中的各層缺陷檢測最有效的方法。根據本文的討論,在出現常見的工藝變異時,要捕獲大范圍的缺陷類型,具有可調特性的寬波段波長和高數字光圈的明場檢測技術要優于單波長的DUV技術。

與單波長檢測工具不同,寬帶DUV/UV/可見光檢測器允許調整入射光的波長,從而提高了對STI、電容缺陷以及銅線短路這類缺陷的檢測能力。通過即時調整適用于指定層或缺陷類型的最佳波長來進行具有最佳信噪比的實時生產線檢測,光波從DUV到可見光這種寬波段明場檢測系統適用于生產線上各個工藝步驟的缺陷檢測。當一般的工藝變異引起“彩色噪聲”缺陷時,寬波段波長檢測系統也同樣優于單波長明場檢測系統。

作者:Steven R. Lange, Becky Pinto博士

KLA-Tencor 公司