半导体芯片制造中的量测与检测技术详解

半导体芯片制造中的量测与检测技术详解

量测和检测对于半导体制造过程的管理非常重要。半导体晶圆的整个制造过程有400到800个步骤，需要一到两个月的时间。如果在流程的早期出现任何缺陷，后续耗时工艺中所做的所有工作都将被浪费。因此，在半导体制造工艺的关键点建立量测与检测流程，可以有效确保和维持良率。

半导体中的量测

在半导体制造过程中，'量测'（Metrology）指的是使用各种技术和设备对晶圆（wafer）和芯片进行测量和监控，以确保制造工艺的精度和产品的质量。量测技术在半导体制造中的应用贯穿整个生产过程，从前道工序（如光刻、刻蚀、沉积等）到后道工序（如封装和测试），确保每一步工艺的精度和质量，最终提高产品的良率和性能。量测在半导体制造中扮演着关键角色，以下是一些常见的量测技术和它们的应用：

1. 光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）

• 应用：用于检测晶圆表面的图形和缺陷。
• 光学显微镜：通过光学方法放大图像，适用于较大特征的观测。
• SEM：通过电子束扫描样品表面，提供高分辨率图像，适用于微小特征和缺陷的检测。

2. 薄膜厚度测量

• 椭圆偏振测量仪（Ellipsometer）：通过测量偏振光在薄膜上的变化，精确测量薄膜的厚度和光学性质。
• 光谱反射率仪（Spectroscopic Reflectometer）：通过分析光在薄膜表面的反射光谱，测量薄膜厚度。

3. 关键尺寸（Critical Dimension, CD）量测

• CD-SEM：用于测量半导体器件的关键尺寸（如线宽、间距等），确保它们符合设计规范。
• 原子力显微镜（AFM）：通过测量表面形貌和高度，提供纳米级精度的尺寸量测。
• 套刻误差（Overlay）：导体制造的难点在于需要上百甚至上千个步骤的紧密配合，每一步都要按照设计目标进行，才能最终制作出所需的器件。各个工艺步骤之间的协调和前后对准是基本要求。因此，套刻误差监控是必不可少的。

4. 光掩模（Photomask）和掩模检测

• 光学检测系统：用于检测光掩模上的缺陷和图形错误。
• EUV掩模检测：专门用于极紫外光（EUV）光刻掩模的检测，确保高精度的图形转移。

5. 电特性测量

• 四探针测量（Four-Point Probe）：用于测量半导体材料的电阻率。
• 参数分析仪：用于测量器件的电特性参数，如电流-电压特性、阈值电压等。

6. X射线和光电子能谱（XPS）

• X射线光电子能谱（XPS）：用于分析材料的化学组成和化学键状态。
• X射线衍射（XRD）：用于测量晶体结构和应力。

7. 化学机械抛光（CMP）量测

• 表面轮廓仪（Profilometer）：用于测量抛光后的表面平整度和轮廓。
• 厚度测量仪：用于测量抛光前后的薄膜厚度变化。

8. 颗粒检测和表面缺陷检测

• 颗粒计数仪：用于检测和计数晶圆表面的颗粒和微小杂质。
• 表面缺陷检测系统：通过光学和激光扫描方法，检测晶圆表面的缺陷和污染。

9. 翘曲度测量

• 例如晶圆基体弯曲翘曲（Bow/Warp）测量以及薄膜应力测试

量测案例

量测1：测量半导体晶圆指定位置的电路图案的线宽和孔径（CD-SEM）。

量测2：测量半导体晶片表面薄膜的厚度（椭偏仪等）

量测3：用于检测套刻精度的量测系统（套刻工具）。执行测量以检测转移到晶圆上的第一层图案和第二层图案的重叠的精度。

量测通常是指使用量测设备来测量关键结构参数与体积的方法。量测虽然通常被认为是测量的同义词，但它是一个更全面的概念，它不仅指测量行为本身，还指通过考虑误差和精度以及量测设备的性能和机制来执行的测量。如果图案测量结果不在给定的规格范围内，则制造的器件不能按设计运行，在这种情况下，电路图案的曝光转移可能需要返工。测量点的数量因半导体器件制造商或器件而异。新设计的器件在制造的启动阶段可能会经历数千个晶圆的量测过程。

半导体中的检测

涉及使用检测设备根据特定标准检测是否符合要求，以及异常或不适合的情况，是一个检测晶圆中任何颗粒或缺陷的过程。具体来说，其目的是找到缺陷的位置坐标（X，Y）。

缺陷的原因之一是灰尘或颗粒的粘附。因此不可能预测哪里会出现缺陷。如果晶圆表面出现大量缺陷，则无法正确创建电路图案，从而导致图案缺失，阻止电子电路正常运行，从而使晶圆成为有缺陷的产品。检测缺陷并指定其位置（位置协调）是检测设备的主要作用。

主要的半导体制造工艺包括相当于印刷版的光掩模制造工艺、作为半导体基础的晶圆制造工艺、利用光掩模在晶圆上形成精细电路结构的前端工艺以及后端工艺。电路形成后封装单个半导体芯片的最终过程。如果我们看细节的话，有上百个流程。

检测设备在生产率如此高的半导体制造过程中极其重要，可以尽早剔除缺陷产品，降低成本，提高质量和可靠性。选择半导体检测设备的标准应考虑晶圆的直径、要使用的工艺以及要检测的缺陷类型。

半导体检测设备用于半导体制造过程的各个阶段。检测缺陷包括光掩模和晶圆上的变形、裂纹、划痕和异物，前道工序中形成的电路图案的错位，尺寸缺陷，后道工序中的封装缺陷等。半导体制造的难点在于需要上百甚至上千个步骤的紧密配合，每一步都要严格按照设计目标进行，才能最终制作出所需的器件。各个工艺步骤之间的协调和前后对准是基本要求。因此，缺陷检测和过程监控至关重要。

缺陷检测（Defect Inspection）

指在半导体制造过程中，使用各种技术和设备对晶圆和芯片进行检查，以识别和定位潜在的缺陷。这些缺陷可能包括颗粒污染、划痕、蚀刻残留、膜层不均匀等。主要包括无图形缺陷检测（Non-patterned Defect Inspection）和有图形缺陷检测（Patterned Defect Inspection）。

3.1 无图形缺陷检测

在半导体制造过程中，无图形缺陷检测专注于在晶圆和芯片的无图形区域内发现和识别缺陷。与图形化区域不同，无图形区域通常是平滑的，没有复杂的结构和特征，因此更容易识别微小的缺陷。无图形缺陷包括颗粒污染、表面粗糙度异常、薄膜厚度不均匀、微裂纹等。

3.1.1 主要检测方法

a. 光学检测（Optical Inspection）

• 亮场检测（Bright-field Inspection）：利用普通光源照射无图形区域，检测表面上的颗粒和其他缺陷。
• 暗场检测（Dark-field Inspection）：利用倾斜光源照射样品表面，增强微小缺陷的可见度。

b. 激光散射检测（Laser Scattering Inspection）

• 光学颗粒计数仪（Optical Particle Counter）：利用激光束照射无图形表面，检测和计数表面颗粒。颗粒的散射光信号可以被敏感探测器捕捉到，从而识别出微小颗粒。

c. 扫描电子显微镜（SEM）

• 低能量电子束检测：利用低能量电子束扫描无图形区域，识别表面微裂纹和其他细小缺陷。

d. 原子力显微镜（AFM）

• 表面形貌测量：利用探针扫描样品表面，提供高分辨率的表面形貌图，检测表面粗糙度和微小缺陷。

e. 光学轮廓仪（Optical Profilometer）

• 表面轮廓检测：利用干涉测量技术，测量无图形区域的表面轮廓和薄膜厚度变化，识别不均匀性和缺陷。

f. 化学机械抛光（CMP）检测

• 抛光后表面检查：专门用于检测CMP工艺后无图形区域的表面缺陷，如残留物、划痕和表面不平整。

3.1.2 应用场景

• 薄膜沉积工艺后的检查：确保薄膜表面均匀、无颗粒污染和薄膜厚度均匀。
• 氧化和扩散工艺后的检查：检查无图形区域的表面质量，确保没有微裂纹和其他缺陷。
• CMP工艺后的检查：确保抛光后的表面平整、无划痕和残留物。

3.1.3 总结

无图形缺陷检测对于确保半导体器件的整体质量和可靠性至关重要。尽管这些区域没有复杂的图形，但任何微小缺陷都可能在后续工艺中被放大，影响器件的性能和可靠性。因此，及时检测和修复无图形区域的缺陷是保证高质量半导体产品的关键。

3.2 有图形缺陷检测

有图形缺陷检测是半导体制造过程中至关重要的一部分，主要关注在已经刻蚀或形成图形的区域内检测缺陷。这些缺陷可能包括图形偏差、蚀刻缺陷、残留物、颗粒污染等，直接影响到器件的功能和性能。

3.2.1 主要检测方法

a. 自动光学检测（Automated Optical Inspection, AOI）

• 亮场检测（Bright-field Inspection）：利用光源直接照射样品，通过检测反射光来识别图形区域的缺陷，如颗粒、残留物和图形偏差。
• 暗场检测（Dark-field Inspection）：利用倾斜光源照射样品，通过检测散射光来识别微小缺陷，尤其适用于检测边缘粗糙度和微小颗粒。

b. 扫描电子显微镜（SEM）

• CD-SEM（Critical Dimension SEM）：用于测量关键尺寸（如线宽、间距）并检测图形缺陷，如蚀刻残留、沟槽和桥接缺陷。
• 缺陷复查SEM：用于详细检查和分析自动光学检测发现的缺陷，提供高分辨率图像。

c. 电子束检测（E-beam Inspection）

• 高分辨率检测：利用电子束扫描样品表面，通过检测电子的反射或透射信号来识别细微缺陷，适用于检测高密度图形区域。

d. 光学干涉检测（Optical Interference Inspection）

• 干涉显微镜：通过光学干涉技术，检测图形区域的高度差异和表面缺陷，如凹陷和突起。

e. 缺陷分类和分析软件

• 缺陷分类：结合人工智能和机器学习技术，对检测到的缺陷进行自动分类和分析，帮助工程师快速定位和修复问题。

f. 化学机械抛光（CMP）后的图形缺陷检测

• 表面形貌和厚度变化检测：确保抛光后的图形区域无划痕、残留物和不均匀性。

3.2.2 应用场景

• 光刻工艺后的检查：确保图形正确形成，无显影缺陷和颗粒污染。
• 蚀刻工艺后的检查：检测蚀刻后的图形区域是否存在残留物、刻蚀不完全和侧壁缺陷。
• 薄膜沉积后的检查：确保沉积层在图形区域的厚度均匀，无颗粒污染和裂纹。

3.2.3 总结

有图形缺陷检测对于保证半导体器件的性能和可靠性至关重要。任何微小的图形缺陷都可能导致器件失效或性能下降，因此需要高精度的检测技术和设备来及时发现和修复这些缺陷。这不仅提高了生产良率，还确保了最终产品的质量和可靠性。

3.3 掩模版缺陷检测（Reticle Inspection）

掩模版缺陷检测是在半导体光刻过程中，对光掩模（也称为掩膜版或光罩）进行检查以发现并修复缺陷的过程。光掩模是光刻工艺中将电路图形转移到晶圆上的关键组件，其质量直接影响到晶圆上图形的精确度和最终器件的性能。这些缺陷可能包括颗粒污染、图形断裂、桥接缺陷和光掩模材料的缺陷。

3.3.1 主要检测方法

a. 光学显微镜（Optical Microscopy）

• 高倍光学显微镜：使用高倍率光学显微镜检查掩模版表面的明显缺陷和污染。

b. 自动光学检测（Automated Optical Inspection, AOI）

• 亮场检测（Bright-field Inspection）：利用直射光源照射掩模版，通过检测反射光来识别图形缺陷和污染。
• 暗场检测（Dark-field Inspection）：利用倾斜光源照射掩模版，通过检测散射光来识别微小缺陷，特别适用于检测表面颗粒和边缘缺陷。

c. 扫描电子显微镜（SEM）

• 高分辨率SEM检测：提供高分辨率图像，详细检查掩模版上的微小缺陷，如断线、短路和边缘粗糙度。

d. 电子束检测（E-beam Inspection）

• 高精度检测：使用电子束扫描掩模版，检测图形的精细结构和细微缺陷，适用于复杂图形的详细检查。

e. 激光散射检测（Laser Scattering Inspection）

• 颗粒检测：通过激光散射技术检测掩模版表面的微小颗粒和污染物。

f. 光学干涉检测（Optical Interference Inspection）

• 干涉显微镜：使用光学干涉技术检测掩模版表面的高度差异和缺陷，如凹陷和突起。

g. 缺陷修复

• 激光修复：使用激光修复系统修复掩模版上的细小缺陷。
• 电子束修复：使用电子束修复系统对掩模版上的图形进行精细修复。

3.3.2 应用场景

• 掩模制造工艺中的质量控制：确保新制造的掩模版无缺陷。
• 掩模使用前的检查：在光刻工艺前对掩模版进行检查，确保其在使用前无缺陷。
• 掩模清洗后的检查：在掩模版清洗和处理后进行检查，确保清洗过程中没有引入新的缺陷。

3.3.3 总结

掩模版缺陷检测对于半导体制造的成功至关重要。掩模版上的任何缺陷都会在光刻过程中被放大并转移到晶圆上，导致器件性能下降甚至失效。因此，通过高精度的缺陷检测和及时的修复，保证掩模版的质量，对于提高生产良率和确保最终产品的可靠性至关重要。

总结

除了量测和晶圆检测之外，缺陷审查、分析和分类对于监控和控制半导体制造序列中各个步骤的质量也至关重要。量测程序验证每一步都满足生产中器件的目标物理和电气特性，而晶圆检测则识别表面颗粒、图案缺陷和其他可能损害成品器件性能的条件。