通孔刻蚀工艺的检测技术研究
中心议题：
- 通孔的检测技术
- 不同检测设备的检测结果对比
- 通过高压产生电子束，照射硅片，激发出二次电子，
- 二次电子被探测器感应并传送至图像处理器，
- 移动晶圆到相同的芯片位子上对比两者之间的区别
随着半导体制造技术推进到更加先进的深亚微米技术，半导体金属布线的层数越来越多，相应的通孔刻蚀工艺也越多，并且伴随着通孔的尺寸随着器件设计尺寸逐步缩小。以DRAM制造为例，存储量由4M发展到512M时，设计规则由1μm缩小到0.16μm，其中通孔的尺寸也从0.8μm下降到了0.25μm。通孔尺寸越小，刻蚀的难度也越来越大，如果刻蚀不到位，就可能出现金属布线间的开路，直接导致器件失效。
所谓通孔刻蚀，就是在两层互连金属线之间的层间膜内刻蚀出一系列通孔的过程，通孔里面填入用于两层金属线间的互连金属，通过这些金属线把成千上万的晶体管连成具有一定功能的器件回路。层间膜通常都是各种各样的氧化膜，因此，通孔刻蚀属于氧化膜刻蚀。由于氧化膜透光的特性，平常的检测技术往往很难抓通孔刻蚀的缺陷。业界会在产品下线前，对通孔刻蚀作一些简单的通孔直径量测和物理切片来判断它的工艺窗口（图1）。
但是当半导体工艺设备运作中参数产生偏差时，往往线上的通孔直径量测没办法及时反映出来，一直要等到良率出来才能发现问题，以至于有大量的生产产品受到污染，使工厂付出沉重的代价。而且当产品到最终的良率测试后，发生问题时的生产机台状况已经很难追踪，不利于线上找到问题的原因，很难做持续改善。所以，及时抓到这种缺陷十分必要。
通孔的检测技术
根据不同层面特性、缺陷尺寸和种类的不同，目前有三种主要的检测技术，即暗场、明场和电子束检测技术，以及自动工艺检测技术。
暗场检测技术是指通过在暗场中的探测器捕获缺陷的检测方法。通常以激光作为入射光源，遇到晶片上的缺陷后被散射，在暗场背景上产生亮度（强度）不一的信号，然后通过探测器捕捉到缺陷信号，灵敏度适中，检查速度快，成本低。其具体过程是：一、激光照射到硅片的某个位置；二、散射光被安置在暗场的探测器接收；三、探测器将光信号转换成电信号并传送至图像处理器；四、图像处理器将收集到的电信号转换为数字图像，并对数字图像进行分析处理，从而判断出是否存在缺陷。
暗场检测技术作为检测晶片缺陷的有效手段之一，其优点在于以下几个方面：首先，在暗场获得图像的灰阶易于控制和调节。暗场是位于硅片上方和硅片成30度角的区域，在此区域内获得的图像灰阶，可以通过调节激光的能量和探测器的敏感度来轻松控制；其次，在暗场内，可以很容易地辨认有具体形态和位于硅片表面的缺陷，比如刮伤、微粒之类的缺陷；最后，使用暗场的检测速度非常快，成本相对比较低，通常被用作快速分析影响产量的各类缺陷超出界定值的问题，AIT和COMPASS是在半导体制造企业广泛应用的暗场检测设备（如图2和3所示）。12345下一页> 关键字：通孔刻蚀工艺 检测技术 晶体管 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80006737
明场检测技术是指通过在明场中的探测器来捕获缺陷的检测方法，其检测过程与暗场大致相同。不同点是：
一、采用高亮度白炽光或激光作为光源；
二、探测器被安置在位于硅片正上方的明场区域来接收反射光；
三、检测的单位面积减小；
四、图像处理器需要处理的数据量增大。
明场检测技术作为检测晶片缺陷的有效手段之一，其主要优点在于：首先，明场可以检测到尺寸更小的缺陷。运用小于0.3微米的的垂直入射与反射探测技术，可以看到硅片上更多的细节；其次，没有具体形态或很浅、很光滑的缺陷，在暗场下不容易被发现，而明场检测技术可以吧这些平面图形或类平面图形逐点地勾画出来，从而判断出缺陷，比如平面图形缺陷中的遗漏图形、桥接缺陷等，都是运用明场检测技术来捕捉的。KLA-Tencor的明场检测设备在半导体制造企业广泛应用（如图4所示）。<上一页12345下一页> 关键字：通孔刻蚀工艺 检测技术 晶体管 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80006737?page=2
电子束检测技术是以精确聚焦的电子束来探测缺陷的检测手段。
其检测过程为：
一、通过高压产生电子束，照射硅片，激发出二次电子、背散射电子、俄歇电子等（主要为二次电子）；
二、二次电子被探测器感应并传送至图像处理器；
三、处理后形成放大图像。
电子束检测技术作为捕捉晶片缺陷的检测手段之一，其具体优点如下：
首先，它摆脱了照明光源，检测结果不会受到类似变色、厚度不均等各种层面所带来的物理因素的影响；其次，电子束的分辨率极高。因为它的检测单位是电子，电子要比微波以及任何尺寸的颗粒或缺陷都要小得多；再次，电子是带有电性的电荷，所以它可以被用于分析材料的电性或电组织成分，这被称作电压对比度图像，经常被用于检测类似开闭锁等电子电路缺陷和通孔蚀刻不足等材料缺陷。电子束检测设备一般有KLA-Tencor和HMI公司的Escan系列（如图5所示）。
自动工艺检测技术是一种利用扫描电子显微镜缺陷再检测系统实现对缺陷直接检测的技术，适用于对量产或工艺改变中已知有规律的缺陷进行非连续的检测。
其检测过程为：
一、通过高压产生电子束，照射硅片，激发出二次电子，
二、二次电子被探测器感应并传送至图像处理器，
三、移动晶圆到相同的芯片位子上对比两者之间的区别。
自动工艺检测技术是扫描电子显微镜缺陷再检测系统基体开发的，所以其设备和程式的设定都是共享，相对而言，对集成电路制造的花费是最少的。其次它可以直接保存高分辨率图象，节省了缺陷再检测的时间，提高了缺陷检测的效率。自动工艺检测技术主要应用在普通光学缺陷检测系统具有局限性的，如超微小缺陷和电性缺陷等方面的检测。可对以下缺陷进行直接检测：连接断开、残余和桥接、图形和连接未对准、通孔部分刻蚀等。自动工艺检测技术开发在AMAT的扫描电子显微镜缺陷再检测G2以后的系列上（如图6所示）。<上一页12345下一页> 关键字：通孔刻蚀工艺 检测技术 晶体管 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80006737?page=3
不同检测设备的对通孔刻蚀的检测结果
由于暗场检测仪器的接受的更多的信号源都是有一定角度的，所以这种检测设备会对晶圆的表面更敏感。所以在对通孔刻蚀后晶圆进行检测结果来看，能抓到更多的是表面的微粒以及通孔刻蚀过程中的聚合物残留。所以暗场检测仪器在对通孔刻蚀检测结果不尽如人意，它只能对通孔刻蚀过程后芯片表面的残留进行有效的检测，可是对于通孔刻蚀状态没法完全反映（如图7所示）。
根据明场检测仪器对通孔刻蚀的检测结果，发现明场检测技术只能抓住对通孔未刻蚀开的缺陷，而对于刻蚀过程中产生的刻蚀不完全缺陷则很难检测到。结果表明，由于此缺陷在通孔内太过深入，探测器能够收集到的反射电子较少，信号很弱，导致明场检测技术无法正常而有效的检测到这类缺陷的存在（如图8所示）。
电子束检测技术以电压衬度像为主要内容，其优点是可在不详细了解电路内部单元的情况下，利用高能电子束与集成电路的相互作用而进行集成电路的故障定位和失效机理分析。电压衬度像可对金属布线层上和电路单元上的电位进行分析，从而判断电路逻辑是否正确。
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实验表明通孔刻蚀不足缺陷完全可以被E-scan300检测到。其不足在于，电子束检测技术以聚焦电子束作为检测源，虽然灵敏度极高，但是检测速度慢、价格高，而且高灵敏度的同时也带来了很多干扰信号，在实际生产中，在许多干扰信号中找出正确的通孔刻蚀不足缺陷将受到很大程度的限制（如图9所示）。
自动工艺检测技术是对电子束检测技术补充。在实际生产过程中，常常能发现通孔刻蚀的一些系统性缺陷，它主要由于刻蚀设备及其工艺在调试过程中还没达到最好的工艺窗口，或者工艺窗口的漂移使刻蚀设备的一些薄弱部位提前显现在通孔刻蚀工艺过程中。实验过程中通过对一颗产品的薄弱部位进行定点检测，来反映整片晶圆的工艺条件（如图10所示）。
最终的实验证明自动工艺检测结果与最终良率的对应关系。表明自动工艺检测可以反映存储单元内接触孔通孔刻蚀的状态。对于在生产线上检验到薄弱部位有刻蚀不完全比较多的晶圆，其对应的正常存储单元内也有较多的接触孔有刻蚀不完全问题。可以通过对产品的薄弱部位进行监测达到对正常存储单元内接触孔刻蚀状态的实时反映，这对接触孔的刻蚀工艺改进有极大的促进作用（如图11所示）。
在众多的通孔刻蚀检测案例中，发现通孔刻蚀的检测技术有多种多样，关键是要看对DOI（DefectofInteresting）的判断。根据所要检测的缺陷特性及检测设备的原理选择正确的检测技术，对缺陷及工艺的改善才能事半功倍。<上一页12345 关键字：通孔刻蚀工艺 检测技术 晶体管 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80006737?page=5
