《半導體芯科技》雜志文章

Nearfield Instruments B.V.最近推出了AUDIRA系統，據說這是業界第一個也是唯一一個用于先進半導體制造的在線無損表面下測量系統。

作者：Niranjan Saikumar

共同作者：Nelda Antonovaité, Irene Battisti, Taras Piskunov, Mehdi Soozande

AUDIRA 系統旨在為先進存儲器和邏輯器件中的掩埋特征和缺陷（如空洞）提供高精度和精確的納米級測量。借助AUDIRA，Nearfield Instruments公司的目標是在透射電子顯微鏡（TEM）和臨界尺寸掃描電子顯微鏡（CD-SEM）中，引入補充性的表面下次表層過程控制測量技術。

Nearfield Instruments公司經業界驗證的在線表面測量解決方案QUADRA，采用基于多小型原子力顯微鏡（稱為MAFM, miniaturized atomic force microscopes）的創新架構，可實現高速、無損的器件表面形貌測量。超高速MAFM頭技術與多MAFM方法相結合，允許在晶圓上進行并行成像，實現了比現有最先進的自動化AFM系統高出100 倍以上的吞吐量，從而能夠將QUADRA用作大批量制造（HVM）晶圓廠的在線工具。QUADRA的獨特架構還確保了在測量CMP 應用中的層以及高深寬比（HAR,high-aspect ratio）結構和High-NA EUV（高數值孔徑極紫外線）應用時，具有出色的精度和動態穩定性。專有的高級成像模式使QUADRA 成為唯一能夠對關鍵HAR 結構進行3D測量的AFM工具。結合定制的CD提取算法和用于自動探頭更換的尖端磨損檢測機制，QUADRA根據需要為通過混合鍵合的CMP 工藝、蝕刻后的HAR結構和EUV光刻膠CD 計量提供了出色的在線過程監控功能。

新的AUDIRA次表層計量工具基于QUARA架構，保留了獨特的多MAFM系統架構和專有的AFM技術的優勢，旨在實現在線過程控制的高通量。在AUDIRA 中，Nearfield Instruments引入了兩種新的聲學顯微鏡技術，以滿足兩個不同深度范圍的表面下計量需求。在這兩種技術中，AFM 探針都被用作波導，用于發送然后“監聽”來自晶圓層的聲波。

應用

AUDIRA 瞄準計量和檢測市場，專門用于測量不透明層表面下的納米級結構。從計量（metrology）方面來說，主要應用是測量疊加精度，即不同層上的圖案錯位。目前，許多傳統的光學疊加測量技術僅限于測量比器件本身尺寸大十倍以上的大型光學目標。對于5nm 節點，疊加容差約為幾納米，大多數領先的內存和邏輯制造商實現了2 納米的疊加，并且預計還會進一步縮小。隨著尺寸的縮小，將需要直接在器件上進行疊加測量，以消除從計量到器件（MTD, metrology to the device）校準的可能誤差，并保證器件的性能。由于EUV 光和光刻膠之間的相互作用，EUV 光刻過程中隨機效應的增加也推動了對器件上疊加計量解決方案的需求。隨機效應導致CD 不均勻性（線邊和線寬粗糙度）增加，從而占據了邊緣放置誤差（EPE, edge placement error）的很大一部分，即對于5nm 節點會小于5nm，從而為疊加誤差留下更少的空間。

這種嚴格的疊加控制對亞納米級計量工具的準確度和精度提出了挑戰。雖然電子束成像可以檢測非常局部的產品對準誤差，包括隨機誤差，但它的穿透深度有限，并且會損壞敏感的光刻膠，從而限制了其應用。此外，由于特征尺寸差異很大，從而使得邏輯客戶選擇在曝光后進行檢查，存儲器市場在蝕刻后對疊加計量有所增加，這表明需要多樣化的疊加計量功能。例如，透明層和不透明層都需要多層的測量。

AUDIRA 的檢查和審查市場應用目標主要是空洞，但不限于空洞。層中的空洞形成可以在器件級別跟蹤到至少一個關鍵過程，其中犧牲的氮化硅被去除并用導電金屬代替，從而產生埋藏在10 ~100 nm深的淺空洞。

雖然這個問題在3D NAND 結構中尤為嚴重，因為大孔密集且孔間距減小，但由于金屬線橫截面的縮小，互連也出現了這種情況。在存在空洞的情況下，由于尺寸縮小而增加的電流密度會進一步增加應力，并可能導致器件失效。

在使用混合鍵合的晶圓/ 芯片級先進封裝步驟中，在鍵合步驟后Cu 焊盤上的表面缺陷會產生高達10 倍缺陷尺寸的空洞，這些大空洞深埋在不透明層下方近微米的地方。隨著銅焊盤的尺寸縮小到遠低于1μm，并且用于鍵合的致密銅焊盤趨于標準，因此需要分辨率為100nm 或更高的缺陷靈敏度。

鍵合材料/ 工藝中的缺陷也可能導致不同類型的缺陷，這里是分層。雖然這在晶圓級的混合鍵合中比較常見，但器件制造路線圖指向了2D FET，溝道層的分層成為器件級良率的主要問題。在這兩種情況下，這些缺陷都會導致電氣或機械失效。

測量技術

AUDIRA 提出了兩種不同的互補的表面下計量技術，相對而言，在成像的穿透深度和橫向分辨率能力方面進行了權衡。從技術角度來看，這兩種技術在操作的聲學頻率范圍和測量中使用的基本物理場方面有所不同，根據材料特性的差異，一種是用于測量深度達10um 的淺層結構的MHz 頻率范圍，另一種是用于測量更深的結構或埋在表面以下淺層的具有類似材料特性的結構的GHz 頻率范圍。

檢測粘彈性變化

第一種技術基于對材料粘彈性變化的檢測，適用于測量淺層和精細的特征，或埋藏在深處直至幾微米的相對較大的特征。根據應用的不同，可以獲得nm 或亞nm級的橫向分辨率。當被掃描探頭感應到時，每種材料都顯示出一個特征的共振頻率，稱為接觸共振（CR,contactresonance）（見圖1）。

圖1：不同材料的接觸共振偏移。較硬的材料具有較高的接觸共振頻率。

圖片選取自B.D. Huey et al, Annu. Rev. Mater. Res. 37 (2007)

接觸共振的變化也可能是由埋在表面下的材料變化引起的，例如空洞/ 分層或表面下對齊標記（見圖2）。

圖2：卡通圖片顯示了掩埋結構上和離開掩埋結構的 AFM探針響應的差異。

圖片選取自M.H. van Es et al, Ultramicroscopy 184 (2018)

在文獻中，用于表面表征和表面下成像的CR-AFM通常是在聲波源和CR 的傳感分離的情況下完成的。聲波通常施加在晶圓底部，將聲能傳遞到整個晶圓，而頂部的掃描探頭則在特定位置感應CR。在AUDIRA 中，通過在探頭處結合聲源和檢測器，從而改變了傳統的工作方式。

該探頭用作波導，在MHz 范圍內以載波頻率fc 引入聲波，然后以頻率fm 進行調制。非線性針尖- 晶圓相互作用產生了fm 處的混頻信號，該信號通過懸臂響應放大。這種通過該測量模式用于檢測CR 變化的方式被稱為表面下超聲共振力顯微鏡（SSURFM，Subsurface ultrasonic resonance force microscopy）。

圖3：SSURFM技術，專為AUDIRA中基于探頭的直接驅動和傳感而定制。

圖片選取自M.H. van Es et al, Ultramicroscopy 184 (2018)

就靈敏度而言，穿透深度取決于特征尺寸以及所涉及的不同材料的機械硬度變化。AUDIRA 通過針對表面下測量的定制懸臂和尖端設計，提高了分辨率和對埋藏材料的靈敏度，從而進一步創新了這一技術。

波傳播方案

粘彈性變化傳感的靈敏度隨著深度的增加而下降：當深度大于10μm時，它只能檢測具有顯著材料屬性變化的大的特征。為了滿足深度大于10μm的需求，AUDIRA 采用的第二種技術是利用GHz 量級頻率的聲波注入，目標分辨率在幾納米或幾十納米的范圍內，具體取決于目標深度。

樣品掃描使用超聲壓電換能器（PZT 技術）或超短激光脈沖（泵浦- 探針PTAI 方法）。在樣品表面產生的超聲波傳播通過樣品的深度，到掩埋結構上進行反射，并產生表面的機械變形，而這會被記錄為超聲波回波。

該技術所采用的物理原理轉變為波傳播方案，其中透射波在器件內的所有表面轉變處與晶圓相互作用并反射回來。這種反射聲波包含與強度和到達時間相關的信息，然后用于重建表面下結構的3D 圖像。

使用該方案進行成像考慮了兩個主要技術方向：壓電換能器（PZT, Piezoelectric Transducer）方法和光熱聲學成像（PTAI, Photothermal Acoustic Imaging），AUDIRA 能夠在同一架構中容納兩者。在PZT 技術中，先進的電子元件被用來有效地發射和檢測GHz 聲波。這些電子元件實現了發射和檢測之間的快速切換，可以精確控制聲波波長。這種控制水平在確定測量的深度分辨率和信噪比方面起著關鍵作用。

在PTAI 方法中，超短激光脈沖用于引發聲波，檢測反射并重建聲回波，采用泵浦- 探針方案來進行工作。與PZT 技術不同，PTAI 對電子元件的要求不那么嚴格。然而，雖然PTAI 具有簡化電子元件的優勢，但與通過PZT 方法實現的直接測量相比，它重建的回波本質上是間接測量。

樣品掃描使用超聲壓電換能器（PZT 技術）或超短激光脈沖（泵浦- 探針PTAI 方法）。在樣品表面產生的超聲波傳播通過樣品的深度，到掩埋結構上進行反射，并產生表面的機械變形，而這會被記錄為超聲波回波。對回波陣列進行處理可以重建掩埋結構。表面的2D 掃描可以生成表面下的完整3D 圖像，可用于生成不同的橫截面，例如圖4中右上角圖像上顯示的B 掃描（樣品的側視圖）。

圖4：超聲波束成形原理。

從應用的角度來看，這兩種技術在穿透深度方面進行了權衡，因為深度直接取決于聲激發的波長，從而可以采用聲學頻率。PZT 技術受到壓電材料厚度的限制，壓電材料可以始終如一地制造，轉換為幾GHz 范圍內的較低頻率直至最高可達10GHz 的頻率，而PTAI 則可以充當高達100GHz 的高頻源。

信號處理對于獲得兩種技術的完整3D 結構的全面重建都起著至關重要的作用。AUDIRA 采用定制的超聲波束成形技術（見圖4）。這種技術是無損檢測中使用的一種眾所周知的后處理方法。這種方法涉及處理掃描探頭在成像過程中收集的回波陣列，模擬用于將超聲波束聚焦在固態物體或結構的點上的聲學透鏡。這種處理構成了該方法生成表面下特征的高保真表達能力的支柱，并使得能夠提取詳細的結構信息。

AUDIRA中的圖像處理

Nearfield Instruments 認識到與疊加提取或缺陷識別相關的數據處理算法所發揮的關鍵作用。對于疊加提取，雖然現有的光學技術算法在一定程度上適用，但需要特別注意信息的獨特的單像素捕獲。為此，Nearfield Instruments還通過AUDIRA 引入了定制算法，旨在增強表面下圖像的對比度，并大大提高提取疊加層的準確性。此外，由于需要通過多個具有各自對準標記的不透明層進行疊加提取，因此采用了解析干擾結構和同時疊加提取的算法。Nearfield Instruments 還與客戶合作，為基于AUDIRA 的測量定制對準標記，以提高通量和精度。

在缺陷識別和分類方面，Nearfield Instruments 正在發展傳統算法，但也在傳統方法之外一直在開發基于機器學習的分類算法，這些算法已經可以部署在代工廠中。混合鍵合后的缺陷檢測尤其需要機器學習路線，因為晶圓邊緣修整、晶圓研磨和切割的后端工藝會產生與表面粗糙度相關的偽影，并且還會渲染低對比度圖像。

平臺和M&I路線圖鏈接

Nearfield Instruments 與客戶合作開發配方，并為應用選擇是否最適合進行局部彈性測量，以及何時切換到波傳播方案。借助MHz 粘彈性傳感和GHz 超聲成像技術，AFM 頭通過從晶圓捕獲信息來掃描整個芯片，步長小至十分之一納米。然后，在每一步中捕獲的數據被組合并轉換為底層的綜合圖案。

到目前為止，彈性和波傳播方案主要是通過前者從樣品底部傳輸聲波，后者從頂部傳輸聲波來發展起來的。這嚴重限制了設備功能，不允許單一工具來同時處理這兩種模式。對于小樣品，底部驅動的彈性方法也許是可能的，而對于像300 mm晶圓這樣的大樣品來說則幾乎是不可能的。Nearfield Instruments 已經成功地將這些技術結合起來，使掃描頭能夠使用AFM 探針作為聲波的波導。

因此，AUDIRA 可以利用QUADRA 成熟的多頭架構，從而實現更快地在代工廠的應用。多頭架構允許AUDIRA同時用于晶圓上不同深度的測量，并作為缺陷檢測和審查工具，因為不同的掃描頭可以執行不同的功能。在掃描頭中實現這種功能使得AUDIRA 能夠在晶圓廠中用作混合計量工具，而這是一項關鍵的突破。

審核編輯 黃宇