晶圓經(jīng)濕法清洗后形成的殘余物缺陷會(huì)引起器件良品率的下降，需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和消除。

　　集成電路制造商非常依賴光學(xué)檢測(cè)手段來(lái)對(duì)晶圓生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。光學(xué)檢測(cè)已經(jīng)被證明可以有效地對(duì)半導(dǎo)體晶圓上的多種物理缺陷如凹坑、微粒和劃傷等進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。最近幾年以來(lái)，IC制造中的特征圖形尺寸在持續(xù)地縮小，而同時(shí)半導(dǎo)體制造商針對(duì)先進(jìn)的工藝技術(shù)引入了很多新的材料、工藝和結(jié)構(gòu)，例如高k金屬柵、低k介質(zhì)和應(yīng)力硅溝道等。在工藝上加速進(jìn)步的步伐會(huì)引入新的影響良品率的缺陷種類(lèi)，其中一些類(lèi)型的缺陷并不能被光學(xué)檢測(cè)手段所檢測(cè)到。這些缺陷被稱(chēng)之為“非可見(jiàn)性缺陷(Non Visual Defects，NVD)”，包括有亞單層的殘余物、表面沾污，以及工藝過(guò)程中產(chǎn)生的介質(zhì)膜的荷電等缺陷。

　　Samsung Electronics和Qcept Technologies公司之前報(bào)道了一個(gè)分析案例，其中一個(gè)荷電類(lèi)型的非可見(jiàn)性缺陷(NVD)被確認(rèn)為是在柵氧化工序中反應(yīng)前驅(qū)體氣體所產(chǎn)生的物理“凹坑”所致。這篇論文描述了一個(gè)邏輯器件晶圓在進(jìn)行濕法清洗之后所產(chǎn)生的殘余物缺陷進(jìn)行檢測(cè)和消除的情況。該殘余物缺陷與在后道工序(EOL)電學(xué)測(cè)試中所發(fā)現(xiàn)的良品率問(wèn)題直接相關(guān)聯(lián)，失效芯片呈半圓弧狀分布并集中在晶圓的頂部。這種缺陷被認(rèn)為是產(chǎn)生于前道工序(FEOL)的柵氧化工藝模塊中，但是利用現(xiàn)有的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備卻無(wú)法發(fā)現(xiàn)可以與其相匹配的缺陷圖形，最終是利用了一種獨(dú)特的非光學(xué)檢測(cè)技術(shù)來(lái)將這種殘余物缺陷確認(rèn)為是一種“非可見(jiàn)性缺陷(NVD)”。

　　最早是在一個(gè)先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)邏輯器件的制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，在EOL的電學(xué)測(cè)試中出現(xiàn)了良品率的異常損失。從隨機(jī)批次中任意選出的晶圓上有大量芯片出現(xiàn)了低的集電極電壓(Vcc)失效。圖l圖(a)和(b)是EOL失效(芯片)分布圖，失效芯片(粉色)通常出現(xiàn)在晶圓的整個(gè)頂部區(qū)域。圖(c)是在清洗后光學(xué)檢測(cè)(ACI)的明場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)獲得的缺陷分布，說(shuō)明目前的光學(xué)檢測(cè)方法并不能顯示這種會(huì)引起良品率損失的缺陷。

　　圖2左圖是_AI ChemetriQ檢測(cè)圖像，顯示了在經(jīng)歷了間隔層沉積、刻蝕、等離子灰化和清洗后在晶圓頂部殘余物缺陷的分布圖(紅色箭頭)，而功函數(shù)增加(+WF)區(qū)域在圖中用白色顯示。右圖是對(duì)合成后的圖像進(jìn)行域值處理后所得到的缺陷分布圖，晶圓整個(gè)頂部區(qū)域的缺陷分布與EOL的良率損失分布之間存在著直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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　　失效出現(xiàn)整個(gè)晶圓的a) b)頂部區(qū)域并呈現(xiàn)圓弧狀分布(圖1)，其失效模式表明缺陷是發(fā)生在柵極和間隔層( spacer)模塊結(jié)構(gòu)中的某個(gè)部位。對(duì)柵極和間隔層模塊的現(xiàn)有明場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，并未發(fā)現(xiàn)有一種缺陷樣本可與這種良率損失特征相符合。為了探討和診斷這個(gè)問(wèn)題，在柵極和間隔層模塊的一些工序中引入了一種獨(dú)特的非光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，因?yàn)樗鼘?duì)各種類(lèi)型非可見(jiàn)性缺陷(NVD)都很敏感，包括亞單層的沾污以及工藝過(guò)程引發(fā)的荷電等缺陷類(lèi)型。

　　圖3在進(jìn)行間隔層刻蝕工序后，用來(lái)清洗晶圓的批次性處理浴槽的結(jié)構(gòu)示意圖。晶圓是以邊緣切口向上取向從批處理浴槽中被提升出來(lái)，所以沖洗去離子水是從晶圓底部流向其頂部并溢出。

　　圖4將晶圓旋轉(zhuǎn)90度放八批次清洗設(shè)備的實(shí)驗(yàn)樣本結(jié)果。晶圓的旋轉(zhuǎn)同樣引起了由ChemetriQ檢測(cè)系統(tǒng)所檢測(cè)到的NVD分布圖和EOL測(cè)試良品率損失分布圖的旋轉(zhuǎn)。

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　　這種檢測(cè)系統(tǒng)是來(lái)自Qcept Technologies公司的ChemetriQ系統(tǒng)。ChemetriQ系統(tǒng)是一種掃描探針系統(tǒng)，它能夠給出整個(gè)晶圓上功函數(shù)變化的分布。所得到的功函數(shù)差異數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)字化積分和域值化處理，來(lái)檢測(cè)并顯示晶圓上具有相對(duì)較高或較低功函數(shù)的區(qū)域。功函數(shù)的變化可以歸結(jié)于晶圓上有著不同類(lèi)型的表面狀態(tài)，包括表面化學(xué)態(tài)的變化，例如存在殘余物或沾污。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于低污染水平的亞單層表面沾污十分敏感，但是這種缺陷并不會(huì)對(duì)入射光線產(chǎn)生散射，所以不能被傳統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)手段所檢測(cè)到。

　　ChemetriQ檢測(cè)是在柵極和間隔層工藝模塊中的一些工序中進(jìn)行，包括在柵極光刻后、柵極刻蝕/清洗后、間隔層淀積和刻蝕/光刻膠灰化/清洗后?？梢赃M(jìn)行這種分解式的探測(cè)研究是因?yàn)镃hemetriQ系統(tǒng)可以在多種不同的工序中進(jìn)行晶圓的掃描檢測(cè)而無(wú)需修改其掃描菜單，這樣就無(wú)需花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)對(duì)每個(gè)工藝步驟進(jìn)行其掃描菜單的優(yōu)化處理。晶圓在經(jīng)過(guò)間隔層刻蝕、灰化和清洗步驟之后，非可見(jiàn)性缺陷(NVD)的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示在晶圓頂部區(qū)域有多個(gè)點(diǎn)具有較大的功函數(shù)(+WF)的增加。對(duì)在間隔層工序中檢測(cè)到的NVD檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行域值化處理后得到如圖2所示的缺陷分布圖。NVD的數(shù)量及其空間分布與EOL所檢測(cè)到的失效芯片位置直接相關(guān)聯(lián)，并且與晶圓頂部區(qū)域的良品率損失分布有非常相近的相關(guān)性。

　　分解式探測(cè)研究提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明了在間隔層刻蝕和清洗過(guò)程中確實(shí)會(huì)產(chǎn)生缺陷。批次濕法清洗工藝被鎖定為是最有可能會(huì)產(chǎn)生NVD缺陷的來(lái)源。從清洗過(guò)程中，晶圓是以邊緣切口向上的取向從批次處理設(shè)備中提升取出，而沖洗用的去離子水流是從晶圓的底部流向晶圓的頂部，如圖3所示。令人懷疑的是這種清洗工藝過(guò)程可能會(huì)引起晶圓頂部的清洗不充分。

　　我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證在晶圓從批次濕法清洗設(shè)備中升高取出時(shí)是否是會(huì)由于去離子水流方式而引起缺陷的產(chǎn)生。我們將晶圓的切口轉(zhuǎn)動(dòng)90度并將其放入清洗設(shè)備中。在進(jìn)行清洗工序后ChemetriQ檢測(cè)圖顯示其正功函數(shù)(+WF)的NVD分布圖也同樣旋轉(zhuǎn)了90度。EOL電學(xué)測(cè)試表明，失效芯片的分布圖也同樣旋轉(zhuǎn)了90度(圖4)。這些結(jié)果提供了令人信服的證據(jù)，表明批次清洗設(shè)備的去離子水沖洗過(guò)程會(huì)在晶圓表面留下殘余物，并且由此引起了芯片良品率的損失。

　　為了消除在批次濕法清洗工藝過(guò)程中所產(chǎn)生的NVD，我們對(duì)不同的解決方案進(jìn)行了評(píng)估，其中包括將現(xiàn)有批次式晶圓處理工藝和改為單片式晶圓清洗工藝流程。一個(gè)很有前景的選項(xiàng)是使用一種新型的直線型配置的單片晶圓清洗工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)更為可靠的清洗工藝來(lái)消除NVD。對(duì)于使用這種新的直線型單片晶圓清洗工藝所獲得的晶圓的ChemetriQ檢測(cè)結(jié)果顯示，它們具有更高的表面清潔度和均一性。EOL電學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)同樣顯示出這些晶圓在良品率上有著顯著提升，并且其表示良品率損失的特征分布圖也隨之消失，如圖5所示。

　　作為此項(xiàng)工作的結(jié)果，在間隔層刻蝕后的晶圓清圖5由直線型配置的單晶圓清洗工藝進(jìn)行晶圓清洗的樣本檢測(cè)和電學(xué)測(cè)試結(jié)果.從ChemetriQ檢測(cè)和缺陷分布圖顯示已經(jīng)消除了正功函數(shù)(+WF)缺陷的分布，并且EOL艮品率也得到了顯著的提高。

　　結(jié)論

　　在本篇文章中，我們描述了檢測(cè)和消除一種FEOL中柵極和間隔層工藝模塊中會(huì)引起良品率下降的殘余物缺陷。NVD是這種沾污缺陷引起良品率損失的一個(gè)實(shí)例，而常規(guī)的光學(xué)檢測(cè)手段不能檢測(cè)到這種缺陷。在這個(gè)案例當(dāng)紅，殘余物缺陷是采用掃描探針技術(shù)來(lái)進(jìn)行探測(cè)，它可以檢測(cè)到由于化學(xué)沾污或介質(zhì)薄膜DI荷電引起的晶圓表面功函數(shù)的變化。對(duì)表面功函數(shù)的檢測(cè)結(jié)果可采用來(lái)對(duì)產(chǎn)生缺陷的清洗工序進(jìn)行識(shí)別和調(diào)整。由此就可以消除這種缺陷類(lèi)型。并使良品率獲得提升，而且還可以應(yīng)用這種檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)整個(gè)工藝過(guò)程以保證這種類(lèi)型的缺陷不再重現(xiàn)。