晶圓邊緣的檢測

 

當在器件結構上線寬持續變窄后，我們不能夠再忽視晶圓的邊緣了。這背后的原動力是對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引起表面污染，同時也要防止災難性的污染 -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%就沒有了，這是需要重視晶圓邊緣的技術原動力。

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，器件制造商已經密切關注這些部分，并且已經把廢棄的邊緣包含在內。這就是為什么檢查系統要升級，從利用激光或CCD只關注每部分單程的頂點，到關注晶圓邊緣附近，這些以前排除在外的部分，如上斜面，頂點，底斜面和背面邊緣部分，轉向更全面的晶圓檢查。

進行全面檢查


很多年來，晶圓表面，包括正面和背面，已經成為檢查的焦點，而邊緣則被認為不太重要的。現在它卻變得重要了，因為晶圓要通過緣進行操作，同時邊緣也與晶圓盒相接觸。 "污染不只是顆粒，還有金屬污染，污染從邊緣向內部區域以及表面的擴散是個重要的問題。"Hologenix董事長Philip Blaustein說："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。"

這種檢查側重于邊緣拋光、CMP應用、層檢、剝落和一層到另一層的污染。300毫米廢棄區域縮小之后尤其如此。邊緣污染，比如從邊緣轉移到表面的金屬或者其他各種各樣的顆粒-尤其對于65納米線寬 -現在是非常重要的，這種情況下幾乎每一層都要做邊緣檢查。背面真空過去用來搬放晶圓，但是因為300毫米晶圓是雙面拋光的，所以不能有東西接觸背面。因此，是通過邊緣對晶圓進行搬送的，而邊緣則是一直以來關注是否有損傷的一個區域。


美國Raytex執行副總裁John Valley認為CMP是邊緣缺陷的來源之一。他說："CMP工藝要針對邊緣情況進行特定的調整。邊緣情況可能由于晶圓供應商的不同而變化，甚至會由于工藝設備的不同而變化。邊緣情況已經成為必須要測量和控制的項目。" 
邊緣缺陷非常多，這是因為邊緣與前端的潔凈度不同；并且，拋光質量也不高。由于邊緣這種形狀，因此很難保持明確一定的平滑度。這就是如果不應用于晶圓級，邊緣檢查在器件級沒有意義的原因所在。
在晶圓到達器件制造商之前，清除掉微米以及亞微米的缺陷非常重要。

在邊緣檢查系統方面，視基系統（CCD相機或者線掃描相機）與激光基系統一直存在著競爭關系。激光基系統對于小缺陷更靈敏。在產能方面，激光基系統更快，當需要檢查不同平面的五部分時這點很重要； 兩個邊緣區域的上和下，上斜面和底斜面，以及頂。還包括晶圓的缺口（notch），因為它是一個轉變點，而且可視為對于有源區的損傷。

大部分前端（FEOL）檢查已經發展得相當完備，但是由于工藝波動，部分芯片，以色差使得對于邊緣的檢查非常困難，因此邊緣檢查發展得還相當不夠。按照August Technology公司產品經理Tuan Le的說法，邊緣檢查開始于八年之前，采用的似激光掃描設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。因為需要處理各種表面，所以使用了多個相機在不同照明下校正的通用技術。貫穿邊緣的法線，可以在頂點處檢查晶圓。如果這個區域采用點光源照明，被反射后，相機只能收到一點光。其他不同的方法還有暗場和普遍明場方案。暗場聚焦于邊緣，使顆粒顯現突出。普遍明場源顯示色差、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。

標準的建立


碎片和裂紋的檢測是非常重要的，因為它們是不能被隱藏或返工，如果是機械或者熱應力缺陷，還能破壞晶圓。另外一類缺陷是水泡。如果有顆粒被覆蓋，不論來源于光刻膠、CMP、還是晶圓盒子粘污，隨之又通過了一個熱工藝，就會形成一個水泡。它可能不會對下一步工藝造成損害 ，可能在幾步之后，最后到達一定程度之后才爆裂。

領先的器件制造要求100%檢查晶圓邊緣的水泡、碎片和裂紋。August的CTO Cory Watkins說："每個公司都有一個正規的良率管理項目。他們研究了邊緣缺陷的類型，突發事件以及工藝問題，繪出了嚴格控制下斜角輪廓的ROI圖。SEMI對于斜角輪廓的標準還比較松，分為t/3，t/4和全圓斜角輪廓。對結論的分析是要實現最小的良率損失，就要對整個邊緣都檢查。他們目前也涉足200毫米晶圓，同時也在指定實際的斜角輪廓。" 斜角輪廓影響良率，這是因為各層不能像粘附在t/3或者t/4上一樣粘附在全圓上。此外，根據晶圓邊緣形成時砂輪的狀態，邊緣輪廓也可能是不規則的。

目前針對邊緣缺陷問題的方法是手動利用光學顯微鏡檢查晶圓邊緣。這應該自動化，但是器件制造必須首先決定他們需要什么-看哪些區域，用什么靈敏度，最佳的方法是什么，如何監控，當發現了缺陷，糾正措施是什么。

也確有一些解決方案。應用材料有一些早期時針對SEM平臺的應用，當抓到一些圖像時，使用光學顯微鏡觀察晶圓邊緣（圖1）。這個系統提供照片使得監控實現定制，嘗試定位宏觀邊緣缺陷，然后操縱SEM移動到那里。應用材料工藝診斷與控制組SEM部缺陷檢查全球產品經理Renan Milo說："隨著方法成熟、措施得當，大缺陷是能夠避免， 我們的注意力將轉向更小的缺陷，這就需要更好的檢查和觀測能力。" 


 

深入到里面 
表面光學技術檢測到表面的缺陷。通常，這些方法可采用照相機和激光束從四個方向聚焦在晶圓邊緣。Bede X-Ray Metrology產品經理Petra Feichtinger說："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致的晶格變形分布圖。"該技術可以區分遍及晶圓及其邊緣的這種缺陷，包括表面和晶圓體區，同時對于斜角形狀變化也很敏感。

X-ray衍射甚至可以檢測到很小的應變場，比如與氧化層的界面處。X-ray衍射的優點是，由于它直接對晶格成像，因此既可以對光片也可以對圖形晶圓進行檢查，這是超越光學成像技術的地方。這使得由晶圓搬送引入的缺陷能夠在它們導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已經有設備平臺瞄準上面和上斜面的檢測。"我們有設備能夠檢測晶圓的上表面，但是目前沒有設備能夠檢測頂點和低斜面。這些區域的自動缺陷檢測和分類對于IC制造來說非常關鍵。"成長市場與已有市場主管Frank Burkeen這樣說。最近針對十幾個fab的基準研究發現，當按照晶圓中心或者接近中心的區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候，這就成為問題了。


今天的邊緣檢查是針對晶圓制造的優化，而不是IC。已有的設備通常都是基于激光散射的，配備有幾路CCD成像，或者僅基于明場成像。同時它可用于檢測裂紋、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-它們留在晶圓邊緣，在接下來的工藝步驟中剝落下來（圖2）。



 

建立這些缺陷與芯片良率損失相關性對于IC制造商來說是個挑戰，但晶圓制造商不關心這些。 

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

邊緣問題具有多面性。主要的問題是如何發現在邊緣上的是什么。今天，除了邊緣專用的CCD系統，沒有理想的設備來檢測晶圓邊緣或者對頂端成像；用SEM則幾乎不可能，而且背面斜面也達不到。針對前端和背面的檢測設備已經有了，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，并且利用散射設備繪制成圖是可能的，但是理解薄膜構成和測定邊緣膜厚均勻性的設備還沒有開發出來。


器件制造商面臨的兩個關注的問題： 邊緣不完整性和顆粒，這引發了如何處理它們的問題。如果顆粒的化學構成能夠確定，就能確定它們的來源。檢查晶圓邊緣（和表面）的困難在于，當檢查分散的缺陷時，達到探測器分辨率以下是可能的，但卻不是總能夠區分散射的機制。當利用非散射光學觀察事物時，不管怎么做，分辨率都是一個限制。 
為了檢查邊緣，要么是需要單獨的操作直接觀察，要么是需要某種方式同時進行。Nanometrics公司硬件工程主管Barry Bowman說："我們的系統中采用了大景深，以便觀察邊緣一側切線附近的各種情況。因此，我們能夠區分象素分辨率那般大小的物體。我們采用散射型器件，因此通過校正，我們能夠區分亞象素分辨率的顆粒，但是有時不能判斷它們是什么。"這是散射設備的共通之處；區分確定數據信號非常困難。它可以收集與凹坑、劃傷或者裂紋相關的特定信號，但是在沒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分開來。這意味著只有上面是可見的，而不是整個邊緣。對此，翻轉晶圓是必須的，以便看到邊緣的兩面。


一種選擇是正對著檢查晶圓邊緣。這強調工藝能力，至多只能觀察180 色差儀相關文章:色差儀原理