发布日期：2022/5/26先进工艺设备缺陷
发布单位：iST宜特
半导体生产良率的瓶颈，居然在工艺设备，如何透过材料分析，改善缺陷?
2022开始，台积电、英特尔、三星等半导体大厂先进工艺大战如火如荼展开，重砸资本支出在各项先进工艺设备，如极紫外光(EUV)设备需求大增；若要在这场大战夺得先锋，关键在于产品良率(Yield)是否能快速提升。有非常多因素会影响产品良率，本期iST宜特小学堂将聚焦于「先进工艺设备的缺陷 如何影响良率」，以及「如何透过材料分析改善缺陷 」。
先进工艺设备缺陷
一、 工艺设备如何影响IC半导体生产良率?
半导体集成电路(IC)工艺随着成本及技术的演进，晶圆尺寸很快地从四吋、六吋、八吋、来到稳定的十二吋，而对于有效的IC晶粒(Chips)数，「良率(Yield)」一直是非常重要的关键指标。
因此，半导体工艺上所使用的工艺设备(如黄光、蚀刻、清洗、镀膜、甚至承载与传送机具…等)，在重复的制作过程中，其真空腔体及内部零件也同时在经历蚀刻(或镀膜)，而累积一段时间后，将会导致腔体污染，或生成副产物掉落至芯片上影响良率。所以工艺设备必须定期做清洁维护(PM)或更换零件。
此外，组件线路尺寸也随着摩尔定律不断地缩小至数奈米，更无法容忍工艺设备所产生的副产物(或污染)，因此，除了需要提高PM的频率外，相关设备零件也必须不断地开发改良。以因应降低微粒的产生，而达到良率的提升。
二、EUV黄光工艺中的缺陷源自「光罩」上的污染
目前影响奈米级先进工艺生产良率，最重要的即是黄光工艺的曝光设备。极紫外光(EUV)曝光机所使用的光罩上，若有一微小的颗粒(Particle) ，将导致整片晶圆上的所有芯片(chip)都形成固定的缺陷(Defect)，致使整片晶圆良率直接归「零」，对于此状况，晶圆制造过程中绝对是零容忍。
因此，探究这污染异物是如何在制作光罩时所产生的，就必须分析Particle或Defect产生的源头；最直接的方式，就是用双束聚焦离子束(Dual beam FIB)断面观察(cross-section)，或是透过穿透式电子显微镜 (TEM)来观察更小的Defect。
如图一中三种不同的缺陷来源，右上图的Particle EDS分析结果为掉落在最表面抗反射层(Anti-reflection coating)上含有元素C、O、Si成份的污染；而右下图的缺陷则是落在覆盖层(Capping layer)的位置。左下图却是在一开始光罩基材上的蚀刻残留污染，这些都可透过断面EDS成份分析来判断其生成的起源点，以提供光罩厂作为生产工艺的改善。
图一：光罩上污染或缺陷的断面EDS成份分析。
三、如何改善蚀刻工艺设备零件所产生的缺陷?
蚀刻设备也是目前影响良率最主要的原因之一。蚀刻设备内有电浆产生器的电极板、承载晶圆的载台、真空腔壁及管路等，在进行离子蚀刻时，会通入含氟(F)等的气体，将对腔体内的零件产生腐蚀现象，因此必须定期更换腔体零件。而在要求延长零件的使用寿命之外，如何降低(或甚至消除)副产物的生成也是重要的课题。
1. 透过分析工具，确认真空腔体、零件表面护层之平坦致密度
早期大部分的腔体零件一般是使用SiO2、Al2O3作为表面保护层，然而，其与含氟(F)基的气体反应却会产生微粒、副产物等，且抗腐蚀效果不佳。后来的研究发现，Y2O3材料可以大幅地改善，但仍无法完全有效地解决微粒问题；近年来研究相关的护层新材料，如Y2O3表面氟化处理、YF3、YOF等，藉由尝试不同的含氟基钇化物材料，进行蚀刻的耐久性测试。
此类的研究在表面护层的特性要求包括孔隙率、粗糙平坦度的分析，可使用扫描式电子显微镜 (SEM)或是原子力显微镜(AFM)来观察表面的形貌与粗糙度。在经过蚀刻设备的腐蚀与可靠度测试后，可观察表面形貌与粗糙度的改变之外，还可藉由分析表面是否有副产物的形成，比较前后的差异。如图二中为Y2O3镀层经过含氟基电浆蚀刻，分别使用SEM观察其蚀刻前后的表面形貌与AFM分析粗糙度的差异。由AFM分析粗糙度的结果显示，可以很明显看到在蚀刻后平均粗糙度(Rms)从10.7nm降到6.5nm。
图二：分别使用SEM与AFM观察Y2O3镀层在蚀刻前(a)与后(b)之表面形貌及粗糙度的差异。
(Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc)另外在镀层的开发研究中，可以藉由X光绕射(XRD)分析其镀层生成的结晶相，以及与晶粒尺寸大小的关系。如图三(a)是用XRD分析Y2O3镀层在不同温度的结晶性，另外藉由绕射峰的半高宽值(FWHM)，计算晶粒尺寸得到图三(b)的统计趋势，可以看出晶粒尺寸是随着基板温度升高而变大，有助于提供镀膜速率与质量的控制。
图三：分析Y2O3镀层在不同温度上的结晶性与晶粒尺寸的关系。
(Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc)2. 透过XPS分析成分变化，判断护层抗腐蚀与否
至于针对表层数十奈米深度的成分变化，可藉由X光光电子能谱仪(XPS/ESCA)分析其纵深及键结，以判断此表面形成的副产物之厚度及化学态，进而判断该材料是否具备抗腐蚀特性。如图四为(a) Al2O3与(b) Y2O3这两种不同镀层在含氟基电浆蚀刻后表面XPS纵深分析的结果，明显地可以看到Y2O3的表面F含量变多，有形成一层较厚的氟化副产物。
图四：Al2O3与Y2O3 YOF二种镀层在含氟基电浆蚀刻后表面XPS纵深分析的结果。
(Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc)另外也可以藉由高解析的X 光光电子能谱仪 (XPS/ESCA)，来更精确地分析这层副产物键结的化学态，如图五分别是解析(a) 镀层Al2O3的Al2p 能谱与(b) 镀层Y2O3的Y3d 能谱的键结化学态，显示在含氟电浆蚀刻后的表面确实分别形成Al-F、Al-O与Y-F、Y-O的化学键结，在Y2O3表层所含的Y-F键结量(红色虚线下的面积)明显是比Y-O的(绿色虚线下的面积)多，也说明了其氟化比是高于Al2O3的。
图五：高解析XPS分析镀层Al2O3 (a)与Y2O3 (b)在含氟电浆蚀刻后其表面 Al2p与Y3d的键结化学态。
(Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc)3. 护层表面副产物之厚度与成分分析
当然，如果进一步想要更精确地得知这层副产物的厚度、成分，则须采用TEM与EDS来进行高解像的微区观察与分析。如图六为Y2O3镀层使用SF6电浆表面处理后的断面TEM微区观察，左图可看出在用SF6电浆处理过的表面较致密，右图可看到在表层形成一层较厚的YOF层，推论这层会是抵抗后续含氟电浆蚀刻作用的最佳保护。因此在最新抗腐蚀材料YOF的研究，其相关镀层技术也如火如荼的进行。
图六：镀层Y2O3使用SF6电浆表面处理后的样品断面TEM观察。
(Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc)四、藉由AFM，CMP工艺缺陷一览无遗
此外，在后段工艺设备中的化学机械研磨(CMP)也会影响产品良率。当金属与介电层厚度尺寸更小、线路密集度更高时， CMP研磨蚀刻容易不均，进而形成残留物，发生电路漏电等异常现象。
因此在CMP阶段，需特别关注残留或微粒产生。一般在CMP工艺前后，可以藉由AFM来分析蚀刻变化或残留痕迹等，作为后续改善的参考依据。如图七为密集的铜线路在经过CMP工艺后，使用AFM量测分析研磨前后的变化，除了进行蚀刻率的分析外，亦可观察到研磨产生的微粒残留现象，这些都是提供CMP工艺参数调整的重要指标。
综观以上各种不同工艺阶段所需要的设备，均有相对应的材料分析工具可供解答，目的都是为了寻求最合适、最耐用的材料，促使先进工艺设备达到零缺陷。
图七：金属铜线路在CMP研磨前(左)与后(右)的AFM分析结果比较。
关于上述大型设备零件的研究试样(Coupon)，通常都需要裁切成10~20mm左右较小的尺寸，方能送进真空分析设备(如SEM、DB-FIB)进行观察分析。iST宜特材料分析实验室，针对尺寸为六吋以下如光罩的试样，均可直接进行DB-FIB的检测、断面、采样与成份分析；此外，透过外部合作厂商，iST宜特材料分析实验室也可提供大腔体SEM分析服务，提供承载12吋的零件无需额外破片，即可直接检测，并同步进行EDS分析。
本文与各位长久以来支持宜特的您分享，若您有相关需求，或是对相关知识想要更进一步了解细节，欢迎洽询 +886-3-579-9909 分机 6161 王先生，6613张先生 │ Email: web_ma@istgroup.com ,marketing_tw@istgroup.com