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硅片称重简化了计量

一种新的半导体过程监控方法有望比传统方法更简单、更便宜、更省时。

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建造半导体是一个难以置信的严格过程,关键尺寸带来了重大的设备挑战,而且小的过程偏差可能会导致产量下降。因此,测量和监控最关键的工艺步骤一直是很重要的,以确保不对错误批次进行进一步处理,以便在更多批次发生错误处理之前,设备可以恢复正常。

随着设备结构变得越来越复杂,需要更多的过程步骤,过程控制变得更加关键。传统的测量方法面临着挑战,需要以所需的灵敏度来表征微小的特征。在简化的测试结构或监视晶片上的Fab计量不一定反映实际结构。实验室计量(如TEM, XPS等)很慢,很昂贵,当然,经常是破坏性的。

工艺工程师一直在寻找打破复杂循环的方法,同时保持芯片用户所依赖的质量水平。这项研究为半导体过程监控提供了一种新的方法,与传统方法相比,这种方法更简单、更便宜、更省时。这叫做质量计量学。

添加和删除工作
大多数半导体加工步骤都涉及到添加或去除材料。典型的监视方法是测量这个添加或删除的尺寸。沉积一层金属?然后你要测量新层有多厚。氧化硅到想要的厚度?然后你要测量产生的氧化物厚度。蚀刻材料以创造特性或通过硅孔(TSVs)?您需要测量临界尺寸(CD)、深度和侧壁轮廓。研磨或抛光掉一部分晶圆片?然后测量被移除的材料厚度的变化。 Changing fundamental material properties like density or refractive index by a process like curing?

然后你想测量这个过程是如何改变这些属性的。传统的焦点是厚度、深度和CD。但是,由于涉及的尺度越来越小,以及3D设备架构(FinFET、3D NAND、3D XPoint)越来越复杂,这些测量越来越难以实现高保真度。即使是在现有金属上测量一层新添加的金属也会很困难,因为很难分辨新旧金属在哪里停止,在哪里开始。

质量:对工艺可变性的直接响应
如果测量添加和去除的一个明显的尺寸是添加或减去材料的厚度,则还有另一个明显的尺寸,添加或去除材料的过程改变了晶片的质量。通过测量足够的保真度和在一个特征的过程中的质量变化,可以直接测量是否添加了适当的材料量。

但一个显而易见的问题是,考虑到我们讨论的材料的数量非常少,你真的能可靠地检测出埃级的问题吗?开创性的开发工作已经表明,是的,给定质量测量在100微克范围内的3σ精度,转换为材料添加或删除在埃的灵敏度。此外,在许多应用中,质量测量的灵敏度随长宽比的增加而增加,非常适合3D过程。

质量测量是无创的,直接在产品晶圆背面接触,这意味着测量本身不应该是任何电路级损坏的原因。可在1分钟左右完成,支持高采样率测量。

许多应用程序
这种方法可以在晶片上的任何设备制造中的各种步骤中使用,包括集成电路和MEMS制造。例子包括:

  • 确保以正确的厚度和覆盖层沉积薄膜
  • 验证深蚀刻的特征,如沟槽和tsv有正确的深度和轮廓
  • 测量新氧化材料的厚度
  • 检查SIN,硬碳面罩等材料密度,与高K材料和金属合金组成相关
  • 在沉积期间测量均匀性或密度变化随温度变化
  • 测定清洗过程中清除的适量残留物和浮渣

同样简单的测量方法可以用于所有这些和更多的应用程序,加速整体处理,增加吞吐量,并降低成品晶圆的成本。

多个3D NAND监控机会
可以在3D NAND工艺流程中找到大量计量的一些最引人注目的应用程序,如图1所示。多层堆叠沉积,这可能难以通过光学CD方法造型,是一种优异的用例。对于诸如通道孔蚀刻的高纵横比结构,质量计量具有优于光学方法的优点,这可能无法提供关于孔底部临界尺寸的信息。替换闸门凹槽和填充过程,它们是光学方法的横向,因此无法访问,也是良好的候选者。


图1。许多三维非与加工步骤可以通过质量计量来监测。来源:林的研究

ALD电影应用程序
也可以通过大规模计量有效监测ALD薄膜。虽然乍一看,ALD应用可能是令人惊讶的,让我们记住应用程序本身 - 共形沉积 - 通常涉及大于橡皮特沉积层的区域,甚至更多地在高纵横比设备拓扑上。图案化晶片上的膜的质量敏感性可以高于橡皮布晶片上的10倍或更多(图2)。


图2。在图像化晶片上对薄膜的质量灵敏度比在毛毯晶片上高>10倍。来源:林的研究

对于ALD应用程序,最关键的要求是从3D设备上的顶部到底部具有完整和统一的覆盖范围。设备底部的更薄或不完全沉积通常导致高泄漏和高故障率。虽然在测试目标上的传统光学厚度测量良好匹配到设备顶部的厚度变化,但它不会捕获底部的过程偏差。另一方面,大规模计量测量,监控整个设备的材料变化量。例如,在图3中,我们比较橡皮布和图案晶片上的流量减少诱导的质量变化。虽然在毯子晶片上,在流量减少3%后发生显着的质量变化,但在图案化的晶片上,它在减少1%后开始偏离。质量测量检测装置底部的ALD薄膜的低覆盖范围,否则将在橡皮布晶片或实心膜测试垫上的光学测量错过。


图3。当质量计量监测整个设备的材料变化时,可以检测到小的流量减少。来源:林的研究

总结
几乎所有先进的半导体工艺都需要精确地添加或移除正确数量的材料。在今天的3D制作过程中,材料的数量通常会随着纵横比的变化而变化。质量计量技术对三维器件的工艺变化具有很高的灵敏度,为三维器件制造过程控制的挑战提供了理想的解决方案。



2的评论

史蒂文·安德鲁·查普曼 说:

太棒了!原位质量测量技术(QCMs)已在实验室沉积系统中应用多年。通过适当的设计,将类似的技术集成到硅片搬运系统中似乎是可行的。

大卫•钟 说:

很高兴在这里见到你!谢谢你的好文章。
害怕独立计量的未来。

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