首頁 材料分析如何協助先進製程設備改善缺陷

材料分析如何協助先進製程設備改善缺陷

首頁 材料分析如何協助先進製程設備改善缺陷

材料分析如何協助先進製程設備改善缺陷

by ruby

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。

    先進製程設備缺陷

    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。

    先進製程設備缺陷

    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。

    先進製程設備缺陷

    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。

    先進製程設備缺陷

    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。

    先進製程設備缺陷

    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。

    先進製程設備缺陷

    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。

本文與各位長久以來支持宜特的您分享,若您有相關需求,或是對相關知識想要更進一步了解細節,歡迎洽詢 +886-3-579-9909 分機 6161 王先生,6613張先生 │ Email: web_ma@istgroup.com ,marketing_tw@istgroup.com