用于65nm以下节点关键缺陷捕获的宽带照明技术优势

随着芯片制造商不断地发明新材料、新结构以及新工艺,他们正面临着新的缺陷类型和影响缺陷检测的新噪声源不断增加的局面。能够捕获最广泛缺陷类型的传统手段是宽带明场检测技术,另一种方法则是单波长激光DUV明场检测。本文将利用理论模型与实验数据展示一个可调的宽带明场检测方案,在满足最新的缺陷检测挑战并对影响良品率的缺陷产生较高的捕获率方面,该方案具有单波长方案不具备的一些优点。主要优点是,宽带源可以根据给定的层或缺陷类型的特有光学特性将光波段调整到最佳,从而产生最大的对比度。宽带源的另外一个优点是其波长光谱可以被用来减少来自于下面层彩色信号杂波造成的干扰,这些干扰会造成假缺陷。减少假缺陷意味着被检缺陷与良品率有更强的相关性。

在新一代的集成电路器件中,芯片制造商正在利用新材料和新结构来增强芯片功能,同时又要节省功率,于是导致了许多新的缺陷类型和噪声源的产生。此外,刻线增强技术、光学近似校正以及其他新型的复杂光刻技术也导致系统缺陷的大量上升。面对所有各层中各式各样的缺陷类型,芯片制造商发现他们在工艺控制中需要更加灵敏和更加灵活的检测方法。模型研究以及半导体厂的经验证明,要实现可靠的缺陷检测,不同的缺陷类型和器件层需要不同的检测波长。因此,对于捕获范围极广的缺陷类型来说,一个范围从DUV到可见光波长的可调的宽带工具是最好的解决方案。

本文基于光学原理对可调的宽带技术与单波长亮域检测方案进行了比较。文中还给出了与光学对比和颜色噪声相关的挑战,以及克服这些挑战的解决方案。本文还列举了利用长波检测短波无法检测到的缺陷类型的实际结果。最后,为了在存在一般性工艺变异的条件下捕获所有层中的各类缺陷类型,建议利用全波长明场检测来满足芯片制造商65nm生产以及更先进节点研发方面的需求。

信噪比优化

明场检测是范围很广的产品片检测策略的一个重要组成部分,他解决了所有工艺层中的大量缺陷检测。虽然暗场检测更具成本效益,对于最小的物理缺陷以及隐藏的电气缺陷需要采用电子束检测,然而明场检测在绝大多数的光刻和蚀刻前端生产线监控方面能够提供更好的缺陷捕获。不过,对于特定材料和特定层来说,许多变异将会影响到亮域检测的有效性。影响一个检测系统提供缺陷捕获能力的信噪比深植于缺陷与其周围环境的对比度中。对于明场检测,该对比度取决于缺陷及其周边环境的光学特性,而这些特性又是入射波束波长的函数。因此,全波长检测系统提供最广泛的缺陷类型捕获,因为可以调整入射波的波长使得所关注的缺陷类型与其环境之间的对比度达到最佳。

光阻层中的短路缺陷

材料的物理和光学特性会因为结构的不同而有很大的差异。例如,图1中用曲线和间隔阵列绘制出了在两种不同厚度的光阻/BARC层条件下由短路缺陷引起的取决于明场灰度等级(gray-level)信号的理论波长。图中绘出了缺陷灰度信号-即缺陷和其它没有缺陷之间的图像间的灰度差。其中一层呈现出在深紫外线(DUV)范围内具有最好的缺陷灰度等级,而另一层则在可见光范围内具有最好的缺陷灰度等级。由于短路缺陷信号随层厚度而改变,因此在工艺变化是器件创新无法避免的场合,可调波长将成为缺陷捕获的关键特性。

图1:作为波长函数的模型化明场[y51]缺陷灰度等级信号

电容倾斜缺陷

图2显示的是对DRAM电容器的电容倾斜缺陷的检测。在90nm工艺节点,选用的材料是多晶硅,而在70nm节点,材料换成了Ti/TiN。图2表明缺陷信号的波长随新材料的变化很大。在90nm节点(左图),445nm是最佳检测波长,而在70nm节点(右图),最佳检测波长则是325nm。这再一次证明,当工艺参数改变时,波长调整是缺陷检测的关键。

图2:缺陷灰度信号的变异与电容倾斜缺陷的波长之间的关系

STI空缺

图3显示了在窄深槽结构(STI)前去除氮化层,在空洞缺陷检测时,波长调整对信噪比的影响。在266nm上灰度检测信号很弱。改变波长以涵盖DUV的峰值范围可以将图像的对比度提高约4倍。

图3:仿真波长取决于STI空洞[y53]的信噪比。

铜线短路

第一层金属层化学机械抛光后,铜短路是面临的另一种缺陷检测的挑战,此时波长灵活性具有明显的优势。图4给出了65nm器件上铜短路时取决于缺陷灰度信号的理论波长。本例中,DUV波长可以提供比UV波长更高的灰度等级信号。因此,宽带明场检测工具的可调性可以直接等效为更好的缺陷捕获能力。

图4:仿真波长取决于铜短路缺陷的灰度差,检测是在65nm器件中的金属1的CMP后完成的。

闪存上的蚀刻缺陷

将这一研究扩展到45nm节点时,直觉告诉我们DUV将更合适,我们检查了闪存器件上的两种缺陷类型(图5)。在波长大约300nm时提供STI蚀刻短路缺陷检测最强的灰度等级差。可是,可见光波提供栅极蚀刻微短路检测最强的灰阶差异。

图5:仿真波长取决于两种蚀刻缺陷的灰度等级差

通过上述的讨论可见,当存在大范围的缺陷类型,或者大范围材料或材料参数时,可调波长对于晶圆检测是至关重要的。最优缺陷捕获方法是不同的,从用于90nm DRAM的后蚀刻多晶硅电容缺陷的可见光到用于第一层金属层层上化学机械抛光工艺CMP)之后的铜短路缺陷的最深DUV。因此,通常说短波长可以捕获较小的缺陷这种说法已不合适。而应该是,对不同缺陷和薄面层最佳的宽范围波长对工厂中出现的大范围缺陷类型的检测来说才是关键。

噪声抑制

通常来说,在线检测的算法是通过对比两个芯片单元来检测缺陷。有些时候,相邻芯片单元会因为介质层薄膜厚度的变化而有一些轻微变异,因此在使用单波长明场系统时,会呈现不同的灰度等级信号(采用倾斜入射的单波长暗场系统则不太受影响,这是因为掠入射降低了穿透平面的光量,从而大大降低了干扰边缘的强度)。由于轻微的膜厚度或折射率差别并不影响器件性能,故这类“彩色”噪声缺陷并没什么害处。单波长明场系统必须采取后处理缺陷分级以便将彩色噪声错误警报降到最低。下面将证明宽带检测系统从本质上就适于处理常见的工艺变化。

图6所示为氧化硅晶圆表面的理论反射率与膜厚度之间的关系,所用的入射波波长为266nm。蓝色曲线代表由于位于晶圆中不同深度上的薄膜界面处的光干涉引起的循环图。芯片单元之间,由膜厚度变化引起的工艺变异将导致不同的反射率,甚至是对于一个特定的芯片单元也是如此。如果很小的变异出现在曲线的峰值或谷值区域,反射率的变化将会较小。但是,在曲线最陡斜率处的膜厚度的任何细微变化都将会导致反射率的巨大变化,这将被检测为彩色噪声。只要采用相邻芯片单元算法,彩色噪声就会随着缺陷的增加而上升,或者会影响目标缺陷的检测能力。

图6:数字光圈对归一化反射率的影响与SiO2膜厚度的函数关系,所用波长为266nm。

减小这种效应有两种方法。第一种是利用高数字光圈(NA)的物镜,如图6中所示。对于厚度大于200nm的膜,将会大大降低反射率随着膜厚度变化的幅度。当采用高NA时,光强度被分布到较宽的入射角上,从而利于消除反射变化。其结果是干扰峰值被降低-从而降低了彩色噪声问题。

降低彩色噪声的第二种方法是使用宽带光源,而不是单波长光源。宽带光源具有很短的相干波长,其等式为:CL = ?2/??。随着带宽??的增加,相干波长减小。由于引起反射率变化的薄膜干涉效应取决于厚层中相干的光,宽带源的相干波长较短,从而减小了变异。当宽带光穿越高NA的光学镜头时,两种影响的共同作用使得彩色噪声大大降低,如图7所示。

图7:单波长与宽带光的比较,采用高NA光学镜,归一化的反射率为二氧化硅膜厚度的函数。

为了证明试验结果,观察图8所示的实际断线缺陷。利用窄波段光源时,目标芯片单元(左上)和参考芯片单元(左下)呈现极为不同的灰度等级,而缺陷(位于黄色圈内)却无法检测出来,此时的信噪比是0.4。彩色噪声会影响自动缺陷检测,尽管信号很强,并且肉眼即可相当容易地发现图像中的缺陷。然而,当采用宽带光源时,目标芯片单元(右上)和参考芯片单元(右下)具有相似的灰度等级,从而很容易检测到缺陷,此时信噪比为1.1(即使观察图中的缺陷更难)。

图8:在窄带明场[y56]和宽带明场[y57]照明之下的一条断线瑕疵(插页)

降低彩色噪声的第三种方法是在数据收集后利用算法来降低彩色噪声。而这也是单波长检测降低彩色噪音唯一有效的方法,通常其噪声在像素化处理时会高出3到5倍。

本文总结

有多种检测方法适用于晶圆的缺陷检测。在各种检测方法中,已证明明场检测技术是前段光刻和蚀刻工艺中的各层缺陷检测最有效的方法。根据本文的讨论,在出现常见的工艺变异时,要捕获大范围的缺陷类型,具有可调特性的宽波段波长和高数字光圈的明场检测技术要优于单波长的DUV技术。

与单波长检测工具不同,宽带DUV/UV/可见光检测器允许调整入射光的波长,从而提高了对STI、电容缺陷以及铜线短路这类缺陷的检测能力。通过即时调整适用于指定层或缺陷类型的最佳波长来进行具有最佳信噪比的实时生产线检测,光波从DUV到可见光这种宽波段明场检测系统适用于生产线上各个工艺步骤的缺陷检测。当一般的工艺变异引起“彩色噪声”缺陷时,宽波段波长检测系统也同样优于单波长明场检测系统。

作者:Steven R. Lange, Becky Pinto博士

KLA-Tencor 公司