计量和晶圆检测流程正在发生变化，以跟上不断发展的新设备应用。虽然工厂车间仍然有大量的 OCD 工具、椭圆仪和 CD-SEM，但新系统正在具有越来越多的 3D 结构性质以及它们所包含的新材料。例如，混合键合、3D NAND 闪存设备和纳米片 FET 等工艺正在突破现有工具的界限。

半导体计量学就是关于表征、监测和控制各个半导体工艺，以最大限度地提高成品器件的产量。计量和检测平台在能够测量最小的缺陷或图案边缘，在相对较大的视场上，以确保 300mm 晶圆的高产量。

为了满足亚 20nm 间距的 N3 代器件的需求，基于光学、电子束（e-beam）、X 射线、扫描探针（AFM）等系统的工具必须以与时俱进的速度测量相关参数与在制品 (WIP)，测量精度和准确度至关重要。晶圆检测的目标是检测影响良率的致命缺陷，通常是关键特征尺寸的 10% 到 30%。

关键节点的计量和检测需求越来越受到晶圆厂中范围广泛的新结构的影响（见图 1）。其中包括 3D 纳米片晶体管中的 SiGe/Si 堆栈、完全耗尽的绝缘体上硅 (SOI) 器件、新的背面功率传输方法以及通过混合键合实现的芯片堆叠技术。

国际设备和系统路线图 (IRDS) 阐述了这种范式转变：「从广义上讲，表征逻辑和存储设备结构所需的参数的形状、数量和位置比单独的尺寸带来更大的挑战。亚 20 纳米的特征很难测量。然而，设备结构的复杂性和新材料的使用使具有挑战性的环境进一步复杂化。」关键计量和检测技术的扩展系列始于支持图案化过程的计量。

生产率

随着 光刻 (L) 的使用势头越来越强，EUVL 引起的随机振荡已成为一个主要挑战。随机振荡是指可能导致图案化抗蚀剂薄膜出现缺陷的图案可变性，并已成为关键的计量障碍。由于 CD 通常使用 CD-SEM 进行测量，因此解决随机变化的软件与 CD-SEM 输出相关联。随着预算的不断缩减，覆盖仍然是提高设备良率的制约因素。

在最好的情况下，计量系统是制造过程开发、控制和改进以及更快的产量提升的关键推动因素——通常是通过结合人工智能方法的更好分析来实现的。而且由于计量平台是在进入晶圆厂大批量制造之前开发的，因此它们的发展遵循趋势。

Nova 首席技术官 Shay Wolfling 表示：「过去几年，复杂 3D 结构的计量学在 3D NAND 和高级逻辑中提出了多重挑战，现在我们也看到客户转向 3D DRAM 的迹象。」 「而先进封装，顾名思义，是一个复杂的 3D 结构。我们越来越多地看到，无论是在客户利益方面，还是在尺寸和材料技术复杂性方面，先进封装挑战都类似于半导体前端的挑战。」

因此，主要趋势围绕着：

器件结构和新材料的复杂性，推动了计量学的需求以及持续的缩放。

混合计量方法，它将在未来盛行，因为没有一种技术可以解决所有需要的参数和测量。

更快的测量，这需要更亮的光源和更多的通道来提供更多的数据进行处理。

理想情况下，计量系统利用人工智能和深度学习工具进行智能数据分析，最终解决计量的所有方面，包括图像和数据分析、推理、与建模和仿真的集成、预测以及与晶圆工艺步骤的关联。

「您不仅需要以极高的速率进行数据采集，还需要能够处理所有这些数据并生成高保真 3D 地图，」诺信测试与检测网络光学部门研发副总裁 Tim Skunes 说。「所以你的算法的能力需要非常高。」

光学的优势

吞吐量最高的系统，全部基于光学，是原位（在处理室中）和在线（独立）过程控制的首选工具。与此同时，NAND 闪存、高级逻辑和新型 3D DRAM 中更多的 3D 结构正在催生具有多个光源和多个检测器的工具，以解析 3D 结构，同时加快吞吐量。

如今，Onto Innovation、Nova、Applied Materials、KLA 和 Hitachi High Tech 提供了多个具有生产价值吞吐量的平台。

在 5nm 和 3nm 节点，芯片制造商正在从使用深紫外光刻 (193nm) 的双重或四重图案化过渡到关键级别（晶体管定义、第一金属层）的 EUV 光刻（13.5nm），再到图案化 25nm 特征。与 193nm 相比，EUV 提高了光刻分辨率，同时减少了光刻通道的次数，提高了保真度并降低了制造成本。向高 NA EUV 的过渡有望实现 20 纳米图案化和 13 纳米自对准双图案化。

掩模上的缺陷

正确控制晶体管栅极长度的变化始于掩模计量。

「掩模和晶圆的不同之处在于，同一个掩模用于制造所有晶圆上的所有芯片，因此掩模上的缺陷就是所有晶圆上的缺陷，」D2S 董事长兼首席执行官 Aki Fujimura 说。

为了帮助进行图案化掩模检测，Lasertec 引入了改进的光化掩模检测，可识别可印刷掩模缺陷。光化检测使用高功率 EUV 光源 (13.5nm) 生成高分辨率、高对比度的缺陷图像——最重要的是，捕获使用非光化深紫外检测无法解决的相位缺陷。光化图案掩膜检测 (APMI) 与 ASML 的多束电子束检测器相结合，可以捕获更多此类掩膜缺陷，并通过多束检测实现更高的吞吐量。

Fujimura 指出，使用 EUV（也称为逆光刻技术）在产生理想掩模图案方面做得更好的曲线掩模正在取代曼哈顿式掩模布局。「ILT 设计的曲线掩膜形状使计量、检查和维修更加复杂。由于掩膜上的真实形状（相对于 CAD 图纸）一直是曲线的，即使对于绘制为曼哈顿形状的 CAD 形状，在基础层面上也没有太大区别。但在实际层面上，例如考虑曲线形状数据表示的效率，数据流和工具需要成熟，因为该行业正在将曲线格式作为 SEMI 标准。」

光刻单元中的计量

光刻单元中执行三种计量活动——材料和工具鉴定、工艺窗口发现以及工艺窗口鉴定和控制。材料和工具鉴定通常使用未图案化的晶圆检测工具在生产使用前检查缺陷。

在工艺窗口发现期间，光刻工程师执行多项实验设计 (DOE) 以量化工艺余量边界。工艺窗口扩展涉及有目的地调制扫描仪在晶圆上的曝光和剂量值，例如，通常使用 DUV 检查来识别热点。此外，可以调制叠加（一个特征在底层特征上的排列），以识别布局中的模式敏感性并进一步量化工艺窗口。这些分析使用高分辨率光学检测系统进行，然后进行电子束检测以确认实际缺陷。原子力显微镜（AFM）测量是一种扫描探针，可作为参考标准（CD-AFM）。

光学和电子束系统各有优势，而且通常协同工作。对于缺陷检测，光学系统在检测整个晶圆、晶圆与晶圆以及批次之间的缺陷率趋势方面做得最好。电子束检测，无论是使用单束还是多束，都提供了优于其他光学方法的准确性和灵敏度，并且非常擅长检测重复（系统）缺陷。不幸的是，低吞吐量仍然限制了大批量生产中的层的使用。

3D 结构会产生应力和变形，从而导致边缘放置错误。NAND 闪存芯片制造商是第一个采用广泛晶圆形状计量的制造商，这些计量与覆盖和其他计量工具协同工作，将晶圆形状的不规则性反馈到扫描仪，从而补偿从晶圆中心到边缘的局部晶圆形状。根据应用材料公司的说法，晶圆厂最常量化整体误差，称为边缘放置误差，其中包含 CD、覆盖和工艺变化（见图 2）。该公司还发现了一种趋势，即从关键光刻步骤中的单层图案化控制转向多层集成控制，其中两到三层的工艺窗口一起进行统计优化。

光学系统已经发展到使用一系列波长（宽带紫外线检测）、使用偏振光（椭圆光度法）或使用多角度散射测量法来收集有关设备的更多信息。除了使用多种波长和偏振的光外，光的相位还可以对形貌测量产生额外的敏感性。

基于图像的叠加测量或散射测量用于大批量生产。对于划线中基于图像的目标，通常比设备特征大 5 倍，测量会针对这种计量到设备的偏移进行校正。CD-SEM 捕获局部变化，包括随机性。芯片制造商都在转向更小的目标，并使用现场目标来更好地代表实际设备功能。莫尔效应目标——一种叠加的线网络，当用散射测量法成像时会导致与对准偏移相对应的反射差异——使客户能够最大限度地减少叠加中的总测量不确定性。

图 2：晶圆厂正在转向多层测量，以捕获导致边缘放置误差的所有良率限制因素。来源：应用材料

为应用选择合适波长的光的能力很重要。例如，3D NAND 堆栈通常由二氧化硅和氮化硅层组成，因此近红外波段椭圆偏振仪效果很好。

「对于几十微米厚的 3D NAND 堆栈，我们有一个名为 Aspect 的工具，它利用 5 到 10 微米的中红外波长，」Onto Innovation 应用开发总监 Nick Keller 说。「我们使用这种光有几个原因，因为堆叠太厚了，还因为你从介电材料中获得了这些强吸收带。因此，椭圆计使用吸收带按波长过滤不同的深度。通过建模，你基本上可以得到结构的整个轮廓。」

该系统可在单次测量中对纵横比为 80:1 的通道孔的大型阵列进行在线测量。AI Diffract 软件有助于快速处理数据。

机器学习在计量学中发挥着越来越重要的作用。「光学工具的一大优势在于您可以在快速覆盖大面积的同时测量多个参数。关键问题是如何将灵敏度与感兴趣的实际参数相关联，」Nova 的 Wolfling 说。「我们已经证明，通过良好的机器学习培训，我们可以将光学计量用于以前由较慢的 AFM 或 CD-SEM 或 AFM 使用的应用。我们以 CD-SEM 或 AFM 作为参考来训练我们的光学测量，通过这种训练，我们能够检测和量化，例如，光学线边缘粗糙度和形貌变化。」他指出，CD-SEM 和 AFM 仍将用于监控和不断改进光学工具的培训。

纳米片晶体管计量

尽管纳米片与 finFET 架构有普遍的相似之处，但纳米片——或者更普遍地说，环栅晶体管在纳米片之间具有隐藏的间隙——对检测和计量来说具有挑战性。

图 3：需要结合计量技术来生成 3D 结构的所有必要测量值。来源：新星

基于应变的结构可以使用拉曼光谱在线表征，这是对其他方法的补充。许多客户在大批量生产中使用拉曼光谱来监测器件结构中的应变、应力和结晶度。因此，拉曼对监测器件的晶相或检测硅锗周围的缺陷或残留物非常敏感。

Wolfling 指出，与散装材料特性相比，拉曼光谱在设备上直接测量的性能实际上更好。「它对材料非常敏感，」他说。「例如，finFET 中的硅锗和体中的 SiGe 不会产生相同的原始信号。这种方法符合设备上测量的总体趋势。」

BEOL 计量和检测

散射测量是一种基于衍射的计量主力，在沟槽深度、接触和过孔结构以及复杂的 3D 结构中起着关键作用。散射测量使用单波长或多波长工具为许多参数提供线形计量和平均计量值。与基于图像的计量学相比，它还可以提供改进的总测量不确定度。

Nova 开发了垂直行进散射测量法，该方法除了收集反射光束的强度外，还收集光相位信息。优点是测量灵敏度更高，而且能够选择要测量的层而不会受到底层的干扰。

混合键合

2.5D 和 3D 封装的趋势给计量和检测工具带来了重大挑战。「根据定义，先进封装是 3D 的，」Wolfling 说。在先进封装问题上，混合键合是一个非常强大的领域，也是一个重大的转折点。Nova 以集成计量起家，因此平面化和抛光起着关键作用。当您将晶圆键合在一起时，它们需要非常均匀。因此，我们看到越来越多的原位 CMP 计量要求，并且我们针对这些键合层提供了集成的计量解决方案。

之所以称为混合键合，是因为它将铜互连从一个器件连接到另一个器件，并连接它们之间的介电场。在大约 10µm 的焊盘间距下，需要混合键合，因为将微凸块键合到微凸块的热压键合不再能够可靠地扩展。

除了光学工具之外，原子力显微镜还广泛用于研发，以开发混合键合之前所需的适当凹陷铜剖面。AFM 具有将轮廓从一个特征映射到另一个特征所需的特定 z 高度分辨率。

用于排列两个键合晶圆的叠加计量使用红外显微镜（1310nm 或宽带），它可以穿透硅晶圆的整个深度。这种计量必须内置到混合键合工具中。

必须检测粘合界面缺陷和空隙。事实上，对无缺陷键合表面的需求是晶圆到晶圆和芯片到晶圆键合从研发到生产如此具有挑战性的部分原因。

使用超声波通过去离子水的扫描声学显微镜 (SAM) 可以检测到此类空隙，但对气密性的担忧正在推动干法或喷涂技术的发展，以保护键合晶圆界面。理想情况下，缺陷审查程序是为 HVM 中的键合晶圆或裸片开发的。

「混合键合仍然存在很多挑战，也许最大的挑战不是技术性的，」Skunes 说。「这是生态系统中不同部分的数量，它们必须聚集在一起才能真正实现它。」

图 4：显示 2D 和 3D 图像的故障缺陷审查。来源：CyberOptics 部门，Nordson Test & Inspection

在晶圆级封装中，凸点计量对于确保每个晶圆上数百个（如果不是数千个）凸点符合规格非常重要。Skunes 指出，对微凸块最感兴趣的参数包括 XY 偏移、凸块直径、局部凸块高度和每个芯片的凸块共面性。焊膏的光学检查可以测量 XY 偏移、面积、体积并检测桥接。例如，光学审查结果包括显示由 MRS 传感器捕获的 2D 和 3D 图像（见图 4），还有一个额外的高倍率光学元件，可实现 0.2µm 的高度分辨率。

Skunes 说：「我们相信 100% 检查将改变游戏规则，尤其是在汽车等细分市场，汽车中的电子产品含量持续快速增长。」该公司的光学检测工具使用多达四个探测器以 5µm 横向分辨率 (xy) 和亚微米 z 分辨率对晶圆微凸块进行成像。

Bruker 的应用和产品管理总监 Frank Chen 最近描述了对包含潜在缺陷的现场故障存储设备执行的故障分析。他们在制造过程中通过了探测和电应力测试，但是当使用 X 射线 CT（计算机断层扫描）进行缺陷检查进行 FA 分析时，它揭示了客户抽样策略遗漏的多个凸块上的边际缺陷。「产量管理策略没有改变的部分原因是缺乏可以快速可靠地捕获这些隐藏的潜在缺陷的在线技术，」他说。

结论

现有的计量方法正在扩展，以满足不断增加的 3D 应用列表的需求，而新技术则为从实验室到晶圆厂的特定应用。解决方案正在根据测量的材料以及 3D 集成的新架构需求进行定制。