用于全场热点检测的3D光学分析

化学机械抛光(CMP)，也被称为平面化，长期以来一直是半导体集成芯片(IC)制造过程中最常用的平滑和平坦晶圆表面的技术。几十年来，这种方法一直是常见的做法。

在此期间，后cmp评估已成为确保集成电路层足够平面性的标准手段，以及确认其符合平面性要求的最常见方法。

然而，传统的CMP工艺评估方法具有分析限制。难以收紧的过程控制限制导致了在半导体芯片制造中使用的晶片表面表征方法中提高了准确性的越来越需要。

使用先进的3D光学轮廓仪技术，可以在cmp后评估中找到这些传统方法的最佳替代方案。这种方法能够更及时、准确地识别CMP集成问题，从而降低与当前IC规模发展趋势相关的制造成本。

本文概述了使用用于后cmp晶片表征的白光干涉法(WLI)，探索先进的包装制造商和CMP专家如何使用该3D光学分析技术从高分辨率，全模图中获取关键数据。

CMP的计量考虑

半导体芯片制造商通常使用CMP在沉积后去除多余的电介质和金属材料，以及去除层之间的这些材料。欧洲杯足球竞彩这有助于确保足够水平的表面平面为下一个工艺步骤。随着集成电路晶体管的不断小型化，CMP已成为芯片制造中最重要的工艺之一。

最近的行业进展在异构集成（如Cowos），3D内存堆叠技术（如NAND内存）和先进的包装技术导致了对CMP规范的进一步限制，越来越紧化CMP工艺要求。

CMP专业人员和制造商经常获取本地化的小面积表面形貌测量，以评估CMP工艺性能。这些测量可以用于质量控制和十字线检查。

然而，模具上图案密度和尺寸的变化可能会引起不均匀的平面化。因此，小面积测量不一定代表全模CMP形貌。¹

Bruker的基于WLI的3D光学分析器能够克服这种分析限制，致力于宽大的垂直分辨率，高吞吐量和面积计量能力。Bruker的基于WLI的3D光学分析仪可以促进大面积表面形貌测量的快速，直接的集合（mm²厘米²），有效地通过埃斯特罗姆级垂直分辨率和微米级横向分辨率提供全模图。使用此信息，制造商可以确保更可靠地对晶片表面平面和CMP处理效能进行评估。²

通过图像拼接的全模图

传统的后cmp晶片特性的主要限制来自于它无法在整个晶片上收集数据。这就产生了一个明显的分析盲点，导致了对CMP对齐问题的敏感性。

现代先进的三维光学轮廓仪采用精密拼接算法，结合多个视场(FOV)，以延长评估长度。这些轮廓仪也能够自动分析，达到快速，可重复和无伪成像-即使成像广泛的区域。

在此处提供的示例中，标准200 M次测试CMP晶片在不同尺寸，宽度和线间距值中具有明确定义的结构，以模拟一系列拓扑特征。该测试CMP涂层涂有20nm不透明的钛层，该层设计成解决晶圆表面中存在的透明度和异种材料，有助于确保在模具水平下没有折衷的表面形貌。欧洲杯足球竞彩^3.

使用a获得测量布鲁克InSight WLI光学计量系统．该系统配备了一个设备前端模块(EFEM)，以促进自动化硅片处2020欧洲杯下注官网理，以及一个迈克尔逊干涉5倍物镜，提供大视场(2.3 mm x 1.7 mm)和3.6 μ m有效横向分辨率。

数据采集采用移相干涉测量(PSI)方式完成。这种模式可以在每个测量周期小于3秒的测量速度下实现埃级垂直分辨率。

应当注意，仪器的自动拼接能力促进扩展的测量区域，高达几平方厘米。精细摄像机对准，精确的XY电机运动和先进的地形连续性算法，也有助于确保高度测量精度低至0.1nm。

Insight WLI的高吞吐量测量功能允许130个单独图像缝合在一起覆盖455毫米²使用后处理分析去除局部背景形状，快速轻松地揭示即使是最小的侵蚀和盘化现象(图2)。

图1。（a）用于模具缝合个体视野的模式;（b）从测试CMP晶片的中心模具（20 mm x 20 mm）的全模贴图。图片来源:布鲁克纳米表面公司

图2。3D中心模具的渲染在0.25倍的缩放与max对比度显示侵蚀和凹陷在绿色和蓝色的颜色。图片来源:布鲁克纳米表面公司

Post-CMP热点检测

CMP工艺非常有效，这些方法是针对IC设计的兼容性的优化;例如，尺寸变化和模芯图案密度。优化减少了在任何IC层上抛光或过度抛光的“热点”缺陷的风险。凹陷和侵蚀的风险也减少 - 两种现象可能降低光刻模式保真度并导致芯片性能的芯片可变性。⁴这些风险的真实后果意味着热点检测的CMP建模是制造高质量和高效率半导体芯片的必要工具。

制造业（DFM）流程的当前最佳实践涉及在线（FEOL）和后端（BEOL）处理中的热点检测中的CMP型号广泛使用。此过程有助于从测试晶片中收集CMP和CMP后CMP型材，并对寻求构建合适的模型和验证建模结果的制造商来说是一个基本考虑因素。⁵

现有一系列常规的、常用的CMP建模技术;例如，TEM、AFM、FIB-SEM和手写笔轮廓术。然而，这些技术都不能提供足够的大面积测量能力，同时确保高分辨率成像和快速吞吐量。⁶

WLI成功地连接了制造商的需求和这些方法能力，允许用户在使用CMP时，用户可以在全模级别访问有价值的和以前无法访问的信息。

在这里所示的例子中，WLI被用于测试结构之间的平面度的模对模比较。这些测试结构位于靠近晶圆片边缘和靠近中心的位置(图3，上一行)。

图3。顶部一行:晶圆片位置与表面形貌的模对模比较。橙色和蓝色区域强调CMP优化的可能性。底部一行:所选中心和边缘位置的模具的高度分布。图片来源:布鲁克纳米表面公司

由此得到的表面图显示，靠近边缘的测试结构相对于其周围特征(用蓝色和深蓝色色调表示)要比靠近晶圆中心的结构更深。表面贴图还显示了具有较高z剖面的衬底区域(图中以橙色表示)。

这些结果可能在晶圆上提出了CMP过程中的不一致，突出了需要进一步的CMP过程优化。

完整的模具图像也可以用来比较模具的z范围或高度分布，高度分布的极端代表侵蚀/盘化和突出的影响。

在这里所示的示例中，边缘和中心位于的全芯片的WLI成像揭示了边缘和中心的模具之间的不同高度分布，突出显示CMP过程可能使热点可能导致其在中心管芯处的性能（图3，底行）。

这里显示的比较揭示了依赖于小区域“斑点”测量(例如，T-box)的后cmp评估方法可能无法捕获或忽略的信息。这是因为表面缺陷通常高度依赖于位置、图案密度和周围的图案结构。

传统的模具点测量实际上可能会加强关于CMP集成的保真度的错误断言，提示制造商通过关键机会来解决问题的过程参数。WLI映射为用户提供了更大的尺度的更多信息 - 更好地表示在整个CMP过程中晶片和抛光垫之间的大面积相互作用。

全模图的放大视图

除了便于整个晶圆片的成像和整个模具的评估，WLI剖面仪还可以在用户放大整个模具图的较小部分时保留图像的横向分辨率。

该功能允许用户更仔细地检查全模映射所揭示的特定感兴趣区域，例如CMP热点，允许他们更好地理解结构密度对CMP工艺效率的影响。

在此处提供的示例中，对测试结构的仔细检查（图4）证实，CMP后地形取决于模具内的图案位置以及结构类型;例如，垫，密集或远侧。

图4。具有相同垂直刻度（-150nm; +150 nm）的全模图上的不同位置的缩小视图。图片来源:布鲁克纳米表面公司

使用5倍干涉测量目标测量的相同边缘和中心模具的单个FOV水平型材之间进行比较。这些证实中心模具的沟槽深度达到48.2nm，而边缘模具沟槽几乎是深度的两倍，测量为94.3nm（图5）。

图5。中心模(上)和边缘模(下)的单视场图像比较。图片来源:布鲁克纳米表面公司

量化这些缺陷提供了有用的信息，可以用来预测各种CMP工艺参数何时何地必须改进;例如，材料选择，压力设置，速度设置和晶圆内应力。

高分辨率的WLI成像可以提供宝贵的CMP结果，允许制造商轻松地解决实验计划，优化流程，同时指导用户使用特定的、可操作的解决方案，可以提高性能和产量。

专业软件的重要性

Bruker的3D光学轮廓仪独特的成像能力由行业领先的Vision64进一步增强^®软件集成，提供自动WLI成像和分析。

该软件允许用户同时捕获每个识别区域的一系列表面特征(例如，面积、最低深度、最高峰值、体积等)。它还允许用户定义自定义度量阈值，标记测试结构中未能满足设置的公差标准的区域。

Vision64.^®软件可以采用所识别的区域的晶圆坐标，并利用这些来编程高分辨率单对FOV成像例程，或将它们导出到坐标地图文件中，该坐标地图文件可用于通过原子力显微镜进行缺陷审查。

该软件的自动化配方可能包括每个模具超过100个测量位置，并可以想象一个高数值孔径(NA)物镜的横向分辨率可达380纳米。

Bruker的AcuityXR高级图像处理算法可以解析200 nm线间距(图6)，进一步提高横向分辨率。模内拼接可以自动化与高NA物镜，扩大测量面积，同时充分利用高横向分辨率。

图6。在测试结构上使用50倍物镜和2倍变焦镜头的单视场图像(线宽/间距- 0.5 μm/0.5 μm)。图片来源:布鲁克纳米表面公司

高精度，全模表面形貌测量

必须识别和纠正表面平面度的纳米级偏差，以确保模对模或模对晶圆键合的成功。这也是每个IC层的情况。如果要使全模映射成为工艺优化的可靠工具和cmp后硅片表面评价的有效手段，则WLI成像结果必须始终实现1 nm的精度。

重复静态后CMP评估实验与数据密切监视和数据进行比较，可以提高对全模测量的准确性和可重复性的理解。

在这里给出的示例中，在中心模具上总共执行了10次静态重复，同时监测得到的全模具图的z -高度分布和平均粗糙度(图7)。

图7。Z高度分布在日志中与线性刻度10静态重复。平均粗糙度达到SA =（15.9±0.1）nm。图片来源:布鲁克纳米表面公司

这种短期重复性测试在定性和定量上都获得了良好的结果。全模映射在每个测试特征上产生了相同的CMP指纹，而结果在每个实例中显示了几乎相同的高度分布。

尽管样本量小，但测试运行之间的协议显示了极高的重复性。还应注意，在实际情况下，先前已经观察到参考QC晶片上的长期再现性，在一年的过程中提供±1nm的可重复性。

结论

力量的先进基于wli的三维光学轮廓仪可以自信地测量模量（mm²厘米²半导体IC晶圆及晶片的纳米形貌。这些仪器能够以高的垂直和横向分辨率完成这一任务，并且测量时间很短，大约10分钟。

自动测量和分析程序确保现代成像，高级包装和NAND内存流程所需的生产率，一致性和高级吞吐量。

这一系列的特性使Bruker的WLI技术为CMP工艺设计验证提供了理想的解决方案，同时促进了研发阶段的工艺收率的提高。布鲁克的WLI技术也是生产环境过程控制的一个很好的选择。

致谢

由Roger Posusta欧洲杯足球竞彩和Samuel Lesko撰写的材料制作，来自Bruker的纳米表面和计量部门。

参考文献

1. F. Dettonia, M.Rivoirea, S.Gaillarda, O.Hinsingera, F. Bertinb，和C.Beitiab，“28 nm FDSOI CMOS前端CMP工艺的模具尺度高分辨率纳米形貌表征，”微电子工程113,2014年1月，pp 105-108。
2. R. posusa和S. Lesko，“利用白光干涉法表征CMP过程”，布鲁克应用笔记#564,2020。
3. F. Dettoni等人，“干涉测量:一种直接的模面表征技术”，ICPT 2012 -平坦化/CMP技术国际会议，法国，Grenoble, 2012，第1-6页。
4. D.伍迪，化学机械抛光（CMP），康奈尔大学2007年康奈尔纳米级设施。
5. R. Ghulghazaryan, J. Wilson，和A. AbouZeid，“创建一个精确的FEOL CMP模型”，制造，封装与材料，半导体工程，2016年10月20日。欧洲杯足球竞彩
6. C. Beitia，“在死亡水平上的纳米形貌测量的挑战”，FCMN，蒙特雷，加州，美国，2017年3月21-23日。

此信息已采购，审查和调整Bruker纳米表面提供的材料。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问力量纳米表面。