發佈日期：2022/5/26先進製程設備缺陷,
發佈單位：iST宜特
半導體生產良率的瓶頸，居然在製程設備，如何透過材料分析，改善缺陷?
2022開始，台積電、英特爾、三星等半導體大廠先進製程大戰如火如荼展開，重砸資本支出在各項先進製程設備，如極紫外光(EUV)設備需求大增；若要在這場大戰奪得先鋒，關鍵在於產品良率(Yield)是否能快速提升。有非常多因素會影響產品良率，本期iST宜特小學堂將聚焦於「先進製程設備的缺陷 如何影響良率」，以及「如何透過材料分析改善缺陷 」。
先進製程設備缺陷
一、 製程設備如何影響IC半導體生產良率?
半導體積體電路(IC)製程隨著成本及技術的演進，晶圓尺寸很快地從四吋、六吋、八吋、來到穩定的十二吋，而對於有效的IC晶粒(Chips)數，「良率(Yield)」一直是非常重要的關鍵指標。
因此，半導體製程上所使用的製程設備(如黃光、蝕刻、清洗、鍍膜、甚至承載與傳送機具…等)，在重複的製作過程中，其真空腔體及內部零件也同時在經歷蝕刻(或鍍膜)，而累積一段時間後，將會導致腔體汙染，或生成副產物掉落至晶片上影響良率。所以製程設備必須定期做清潔維護(PM)或更換零件。
此外，元件線路尺寸也隨著摩爾定律不斷地縮小至數奈米，更無法容忍製程設備所產生的副產物(或汙染)，因此，除了需要提高PM的頻率外，相關設備零件也必須不斷地開發改良。以因應降低微粒的產生，而達到良率的提升。
二、EUV黃光製程中的缺陷源自「光罩」上的汙染
目前影響奈米級先進製程生產良率，最重要的即是黃光製程的曝光設備。極紫外光(EUV)曝光機所使用的光罩上，若有一微小的顆粒(Particle) ，將導致整片晶圓上的所有晶片(chip)都形成固定的缺陷(Defect)，致使整片晶圓良率直接歸「零」，對於此狀況，晶圓製造過程中絕對是零容忍。
因此，探究這汙染異物是如何在製作光罩時所產生的，就必須分析Particle或Defect產生的源頭；最直接的方式，就是用雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)斷面觀察(cross-section)，或是透過穿透式電子顯微鏡 (TEM)來觀察更小的Defect。
如圖一中三種不同的缺陷來源，右上圖的Particle EDS分析結果為掉落在最表面抗反射層(Anti-reflection coating)上含有元素C、O、Si成份的汙染；而右下圖的缺陷則是落在覆蓋層(Capping layer)的位置。左下圖卻是在一開始光罩基材上的蝕刻殘留汙染，這些都可透過斷面EDS成份分析來判斷其生成的起源點，以提供光罩廠作為生產製程的改善。
圖一：光罩上污染或缺陷的斷面EDS成份分析。
三、如何改善蝕刻製程設備零件所產生的缺陷?
蝕刻設備也是目前影響良率最主要的原因之一。蝕刻設備內有電漿產生器的電極板、承載晶圓的載台、真空腔壁及管路等，在進行離子蝕刻時，會通入含氟(F)等的氣體，將對腔體內的零件產生腐蝕現象，因此必須定期更換腔體零件。而在要求延長零件的使用壽命之外，如何降低(或甚至消除)副產物的生成也是重要的課題。
1. 透過分析工具，確認真空腔體、零件表面護層之平坦緻密度
早期大部分的腔體零件一般是使用SiO2、Al2O3作為表面保護層，然而，其與含氟(F)基的氣體反應卻會產生微粒、副產物等，且抗腐蝕效果不佳。後來的研究發現，Y2O3材料可以大幅地改善，但仍無法完全有效地解決微粒問題；近年來研究相關的護層新材料，如Y2O3表面氟化處理、YF3、YOF等，藉由嘗試不同的含氟基釔化物材料，進行蝕刻的耐久性測試。
此類的研究在表面護層的特性要求包括孔隙率、粗糙平坦度的分析，可使用掃描式電子顯微鏡 (SEM)或是原子力顯微鏡 (AFM)來觀察表面的形貌與粗糙度。在經過蝕刻設備的腐蝕與可靠度測試後，可觀察表面形貌與粗糙度的改變之外，還可藉由分析表面是否有副產物的形成，比較前後的差異。如圖二中為Y2O3鍍層經過含氟基電漿蝕刻，分別使用SEM觀察其蝕刻前後的表面形貌與AFM分析粗糙度的差異。由AFM分析粗糙度的結果顯示，可以很明顯看到在蝕刻後平均粗糙度(Rms)從10.7nm降到6.5nm。
圖二：分別使用SEM與AFM觀察Y2O3鍍層在蝕刻前(a)與後(b)之表面形貌及粗糙度的差異。
(Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc)另外在鍍層的開發研究中，可以藉由X光繞射(XRD)分析其鍍層生成的結晶相，以及與晶粒尺寸大小的關係。如圖三(a)是用XRD分析Y2O3鍍層在不同溫度的結晶性，另外藉由繞射峰的半高寬值(FWHM)，計算晶粒尺寸得到圖三(b)的統計趨勢，可以看出晶粒尺寸是隨著基板溫度升高而變大，有助於提供鍍膜速率與品質的控制。
圖三：分析Y2O3鍍層在不同溫度上的結晶性與晶粒尺寸的關係。
(Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc)2. 透過XPS分析成分變化，判斷護層抗腐蝕與否
至於針對表層數十奈米深度的成分變化，可藉由X 光光電子能譜儀 (XPS/ESCA)分析其縱深及鍵結，以判斷此表面形成的副產物之厚度及化學態，進而判斷該材料是否具備抗腐蝕特性。如圖四為(a) Al2O3與(b) Y2O3這兩種不同鍍層在含氟基電漿蝕刻後表面XPS縱深分析的結果，明顯地可以看到Y2O3的表面F含量變多，有形成一層較厚的氟化副產物。
圖四：Al2O3與Y2O3 YOF二種鍍層在含氟基電漿蝕刻後表面XPS縱深分析的結果。
(Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc)另外也可以藉由高解析的X 光光電子能譜儀 (XPS/ESCA)，來更精確地分析這層副產物鍵結的化學態，如圖五分別是解析(a) 鍍層Al2O3的Al2p 能譜與(b) 鍍層Y2O3的Y3d 能譜的鍵結化學態，顯示在含氟電漿蝕刻後的表面確實分別形成Al-F、Al-O與Y-F、Y-O的化學鍵結，在Y2O3表層所含的Y-F鍵結量(紅色虛線下的面積)明顯是比Y-O的(綠色虛線下的面積)多，也說明了其氟化比是高於Al2O3的。
圖五：高解析XPS分析鍍層Al2O3(a)與Y2O3(b)在含氟電漿蝕刻後其表面 Al2p與Y3d的鍵結化學態。
(Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc)3. 護層表面副產物之厚度與成分分析
當然，如果進一步想要更精確地得知這層副產物的厚度、成分，則須採用TEM與EDS來進行高解像的微區觀察與分析。如圖六為Y2O3鍍層使用SF6電漿表面處理後的斷面TEM微區觀察，左圖可看出在用SF6電漿處理過的表面較緻密，右圖可看到在表層形成一層較厚的YOF層，推論這層會是抵抗後續含氟電漿蝕刻作用的最佳保護。因此在最新抗腐蝕材料YOF的研究，其相關鍍層技術也如火如荼的進行。
圖六：鍍層Y2O3使用SF6電漿表面處理後的樣品斷面TEM觀察。
(Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc)四、藉由AFM，CMP製程缺陷一覽無遺
此外，在後段製程設備中的化學機械研磨(CMP)也會影響產品良率。當金屬與介電層厚度尺寸更小、線路密集度更高時， CMP研磨蝕刻容易不均，進而形成殘留物，發生電路漏電等異常現象。
因此在CMP階段，需特別關注殘留或微粒產生。一般在CMP製程前後，可以藉由AFM來分析蝕刻變化或殘留痕跡等，作為後續改善的參考依據。如圖七為密集的銅線路在經過CMP製程後，使用AFM量測分析研磨前後的變化，除了進行蝕刻率的分析外，亦可觀察到研磨產生的微粒殘留現象，這些都是提供CMP製程參數調整的重要指標。
綜觀以上各種不同製程階段所需要的設備，均有相對應的材料分析工具可供解答，目的都是為了尋求最合適、最耐用的材料，促使先進製程設備達到零缺陷。
圖七：金屬銅線路在CMP研磨前(左)與後(右)的AFM分析結果比較。
關於上述大型設備零件的研究試樣(Coupon)，通常都需要裁切成10~20mm左右較小的尺寸，方能送進真空分析設備(如SEM、DB-FIB)進行觀察分析。iST宜特材料分析實驗室，針對尺寸為六吋以下如光罩的試樣，均可直接進行DB-FIB的檢測、斷面、採樣與成份分析；此外，透過外部合作廠商，iST宜特材料分析實驗室也可提供大腔體SEM分析服務，提供承載12吋的零件無需額外破片，即可直接檢測，並同步進行EDS分析。
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