特稿
一种用于识别抛光硅晶片上影响 成品率的较大缺陷的新方法 Kerem Kapkin、KeunSu Kim、Jason Saito、Hyosik Suh – KLA-Tencor Corporation Chung Geun Koh、Dae Jong Kim、Byeong Sam Moon、Seung Ho Pyi – Hynix Semiconductor Corporation
对于 45 纳米级的晶片，裸晶片检测技术的创新提高了大而浅缺陷的发现与分类能力。新的分类技术与多通道处理 相结合，使晶片生产商和 IC 器件生产商能够发现这些缺陷，并根据其是否可以清除、是否需要报废晶片进行分类。 在制造过程的早期识别这些缺陷有助于提高产品质量和成品率。
随着器件的尺寸不断缩小，晶片表面状况、缺陷尺寸、形
晶片生产商需要从大颗粒的背景分布中准确地检测、识
状和类型越来越成为影响器件成品率、性能和可靠性的重
别和分离这些缺陷，对其进行清洁或返工，避免不必
要因素。ITRS（国际半导体技术蓝图）指南规定了尺寸相
要的晶片次品。此外，由于 LLPD 是由各种晶片制造工
当于设计规则一半的对裸晶片表面关键缺陷的灵敏度。
艺问题造成的，因此晶片生产商必须迅速地确定造成
同时，IC 生产商已经在降低来料晶片验收时允许的缺陷
LLPD 的根源并进行修复，防止不必要的晶片报废。
总数，目前正在规定对大光点缺陷 (LLPD) 数目的限制。
我们在本文中展示了一种采用新的无图形晶片检测系统
这些 LLPD 虽然大，但很浅：其宽度可能有几微米，但
Surfscan SP2XP 来对这些关键 LLPD 进行分类的方法。该
高度却只有几纳米。LLPD 是在单晶硅锭生长期间以及随
系统的最新技术 GC（整体合成）和 RBB（基于规则的
后的晶片制作和表面预处理过程中产生的。这些 LLPD 以
分类）已经证实对晶片生产商的最终检测步骤和 IC 器件
小面凹坑或突起、气阱和抛光刮伤的形式表现在来料
生产 IQC（来料质量控制）应用均有效果。
裸硅晶片上，很可能会成为影响成品率的缺陷。因此， IC 生产商就必须在开始器件加工之前识别并挑出存在 LLPD 的晶片。 Particle
COP
0.1µm
Residue
0.1µm
Scratch
0.1µm
0.1µm
图 1：需要较高检测与分类灵敏度的常规缺陷或 LPD（光点缺陷）。
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特稿 晶片缺陷类型及其来源
Large defects (~16µm)
影响器件成品率的常规小（亚微米）缺陷包括微粒、 COP（晶体原生凹坑或微粒）、残留和刮伤，它们分别都 有各自的特点。图 1 是这些缺陷类型的示例图片。晶片上 的大微粒缺陷可能来源于传送污染、工艺设备或者超净 室的环境。其中有很多可以通过各种清洁工艺来清除。 LLPD 的识别和特征分析更具挑战性。图 2 中显示了典 型的简化硅晶片生产示意图。小面 LLPD 缺陷的来源主 要可分为两组：晶体生长工艺和晶片工艺。
Surfscan SP2XP 检测系统可以 根据类型、大小和数量来识别大 光点缺陷。 以前，各种 LLPD 缺陷无法按照类型或来源加以区分， 而只能根据暗场散射信息将其归为一类。但是，按照各 自的类型进行识别和分类又是非常重要的。晶片生产商 可以使用此信息来区分各种与工艺相关的问题和晶体生 长问题，然后采取纠正措施。IC 器件生产商可以利用分 类信息，根据具体的 LLPD 类型、缺陷大小和数目创建 自己的来料晶片质量验收规格。 IC 生产商用于测试来料晶片质量的常规技术与方法如下：
图 3：新出现的（小面）LLPD 缺陷（与抛光相关的缺陷、气阱， 以及与蚀刻相关的缺陷）。
LLPD”的分离（图 3）。最关键的小面 LLPD 是气阱缺 陷，它是在晶体拉伸过程中形成的，分布在硅衬底内的 晶片上。暴露在表面上的气阱尺寸与所在位置及晶片切 割和抛光期间展现的程度有关。暴露的气阱可以按照凹 坑的尺寸来测量，表面以下的气阱则形成空洞。 其他类型的小面缺陷是在蚀刻或抛光步骤中因机械或化 学损伤而形成的。虽然它们只限于晶片表面上而不存在 于衬底内，但是会影响离子注入轮廓、器件形貌和电气 性能，彻底破坏芯片。有些小面 LLPD 如果在在线工艺 监控中发现的话，可以通过进一步抛光和蚀刻的方式进 行返工。 用于防止影响成品率的 LLPD 检测与分类方法
第一步 — 无图形检测工具 – 一次取样
晶片生产商需要一种生产性的检测方法，能够检测所有
第二步 — 人工目视检测确认
输出晶片的所有需关注缺陷（DOI），而且具有较快的
第三步 — SEM 验证
检测速度和经济的运营成本。这种方法需要捕获全部
到目前为止，晶片生产商还不能有效地对 LLPD 进行识 别和分类，特别是裸硅晶片上一种重要缺陷类型“小面
Crystal
Wire Saw
Lapping
LLPD (Crystal)
的 DOI 类型并自动对其进行分类，且具有最高的精确度 和纯度。这样可以防止超标晶片到达 IC 器件生产商手 中，消除了因假阳性而产生的不必要晶片次品和报废。
Etching
Polishing
Inspection
LLPD (Wafering process)
图 2：简化硅晶片生产工艺和小面 LLPD。
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特稿 技术采用微分干涉对比 (DIC) 来获取相位差，从而得到
Wide Narrow
高度或斜率信息，如图 5 所示。这种 DIC 技术可用于检
Normal and BF Illumination
测暗场通道难以检测到的大、平或浅的缺陷。 获取晶片表面的完整光学信息之后，将采用一种新的 Bright Field DIC
Collector
算法对其进行分析，即基于规则的分类 (RBB)。RBB 允许 用户对五种缺陷通道（BF DIC、DF 正宽、DF 正窄、DF 斜 宽、DF 斜窄）的数学或逻辑条件进行比较，如图 6 所示。
Rotating Wafer
逻辑比较的结果可用于需关注缺陷的分类。所有的暗场
Scan
Oblique Illumination
通道可以合并为暗场合成；包括明场在内的所有五个 通道可以合并为总合成。总合成和明场通道用于确定
图 4：Surfscan SP2XP 照明与光学技术。
检测第一步最重要的目的是以在生产中切实可行的速度
Normal
Oblique
BF DIC
Wide
采用尽可能高的灵敏度获取完整的表面光学信息。如图 4 所示，新系统用正交和斜交 355 纳米紫外激光束照射 裸硅晶片，以提供 DOI 暗场 (DF) 检测。由各种缺陷类 型散射出来的光被宽、窄检测器收集起来，以便做进一 Narrow
步的分析和分类。这种结构形成了四条不同的光收集通 道（斜窄、斜宽、正窄和正宽）。 除了多通道暗场收集之外，系统还采用一种新的明场 (BF) 照射通道来获取其他缺陷类型或表面特性。这种 BF
图 6：Surfscan SP2XP 为每种缺陷创造了五 (5) 个信息通道。
Signal
0
Convex
A
Step
B
C
Concave
D
E
Time
A
B
Beam motion
C
D
E
Arbitrary surface
图 5：明场 (BF) 照明与微分干涉差对比 (DIC) 技术。
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特稿 Grand composite
Classification with rules-based binning RBB
Brightfield
Defect classification LPD
LLPD crystal
Grand composite
Grand composite with RBB LLPD wafering
Darkfield composite
LLPD wafering
图 7：基于规则分类的结果。
LLPD 缺陷，RBB 用于将 LLPD 缺陷进一步区分为微粒、 气阱、抛光凹坑和蚀刻缺陷。原理分析如图 7 所示。 图 8 中使用的数据是从七个 300 毫米晶片的检测中获得的。 DF 通道信息（斜窄、斜宽、正窄、正宽）被融入到一个 DF 合成加 BF 中。当 DF 合成和 BF 缺陷重叠时，常见缺 陷表现为 LLPD 缺陷。SEM 分析证明这种自动分类方法 的纯度达到了 100%。 在 LLPD 缺陷确定之后，可以利用 BF (DIC) 信息及 DF 通道数据通过 RBB 进一步精确地确定和区分大微粒、气
案例研究 2：二十三个 200 毫米晶片
在本案例研究中，同样对来自各晶片生产商的二十三 个 300 毫米晶片进行扫描，然后结合扫描结果对常规方 法和新 RBB 方法进行比较。通过 SEM 检查，在这 23 个 晶片上共确认出 28 个 LLPD 缺陷。 • 常规方法共报告了 65 个 LLPD - 其中 20 个 LLPD 分类正确 - 45 个微粒被误分类为 LLPD - 8 个 LLPD 没有被检测到 本案例研究的结果如图 10 所示。 由于常规方法误将微粒分类为 LLPD 缺陷，因而增加了 69% 的虚假晶片次品，29% 的 LLPD 缺陷遗漏率则可能 会对 IC 器件生产商的器件成品率造成无法预测的影响。 新方法成功地检测到了全部 28 个 LLPD，与 SEM 检查 所验证的相同。 LLPD 缺陷类型的电气分析：大微粒 (LPD) 与大凹坑 (LLPD) 比较
为了分析各种类型的 LLPD 缺陷对成品率的影响，对一 个来料原始晶片进行了 LLPD 缺陷检测。该晶片上发现 Darkfield composite
Grand composite LLPD : DF & BF
Brightfield
common defects
oblique + normal
阱、抛光凹坑和蚀刻缺陷。 LLPD Cluster
使用常规方法与 RBB 新技术得到的 LLPD 结果比较 8950 DFC Defects
案例研究 1：二十个 300 毫米晶片
对来自各晶片生产商的二十个 300 毫米晶片进行检测，
56 BF Defects
An overlay of inspection data from seven 300mm wafers
然后结合扫描结果对常规方法和新方法进行比较。SEM 检查显示共有 29 个 LLPD 缺陷。 • 常规方法共识别出 28 个 LLPD - 其中 16 个 LLPD 识别正确 - 12 个微粒被误分类为 LLPD - 13 个 LLPD 缺陷被遗漏
LLPD LLPD
LPD
Purity
LLPD
17
0
100%
LPD
0
8950
100%
Accuracy 100%
100%
图 8：用于 LLPD 分类的 DF 和 BF(DIC) 的总合成。 True LLPD Missed LLPD Particles classified as LLPD
LLPD
本案例研究的结果如图 9 所示。
17 LLPD Defects
1ea. 12ea. 29ea.
由于常规方法误将微粒报告为 LLPD 缺陷，因此在生产商最 终检验步骤中增加了 43% 的虚假晶片次品。此外，LLPD 总 数中有 45% 被遗漏，这便将风险转移到了 IC 生产商的客户 手中。 基于 RBB 的新方法能够检测到全部 29 个 LLPD；只有一
29ea.
16ea.
Missed LLPD
13ea. Conventional method
New approach
Identified LLPD by review
图 9：300 毫米晶片生产中小面 LLPD 的当前挑战。
个微粒被误分类为 LLPD。 2007 年夏 Yield Management Solutions
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特稿 对抛光凹坑引起的缺陷机制做进一步的分析发现，经过 CMP 处理之后 SiO2 STI（浅沟隔离）膜没有完全抛光并
Missed LLPD
从 Si3N4 蚀刻停止层上除去。因此，随后在凹坑内及周围
Particles classified as LLPD
45ea.
LLPD
True LLPD
进行的湿化学 Si3N4 清除工艺没有成功，致使存储器单元 所需的工作晶体管结构无法形成。
20ea.
28ea.
28ea.
结论
8ea.
Missed LLPD
Conventional method
New approach
虽然尺寸不断缩小的器件设计规则对发现较小关键尺寸
Identified LLPD by review
缺陷的灵敏度提出了要求，但是较大的、影响成品率的 缺陷也越来越重要。
图 10：200 毫米晶片生产中小面 LLPD 的当前挑战。
晶片生产商要求采用一种更好的方法来发现 LLPD 并进 行准确分类，以防止出现不必要的假次品，或者将不符
了两个 LLPD 缺陷。SEM 分析将其识别为一个大微粒和一
合 IQC 规格的缺陷晶片运至 IC 器件生产商处。在晶片工
个抛光凹坑。然后对此原始晶片继续进行 80 纳米 DRAM
艺的早期发现这些缺陷并正确进行分类还有利于快速确
存储器件的加工。基于 LLPD 缺陷位置的芯片的电气试验
定其根源，使晶片生产商能够在正确的加工步骤中及时
结果表明，两者均存在与成品率相关的问题，只是严重
地采取纠正措施，保证合格的产品质量。
程度有所不同。大微粒造成了几个坏的存储器单元，而 抛光凹坑则完全破坏了存储器器件，如图 11 所示。
新的晶片检测技术已经证实能够解决晶片生产商和 IC 器 件生产商所面对的挑战，并提供了一种改进产品质量、 成本和生产率的解决方案。基于规则的分类新技术与
LLPD Wafering
Large Particles
多通道处理相结合，大大提高了晶片生产商和 IC 器件 生产商发现缺陷以及对常规缺陷类型和影响成品率的 LLPD 进行准确分类的效率。这样就达到了提高晶片质量 的目的。晶片质量是总成品率中的一项重要因素，最终
2104K1C
46 1C
8M1A
90 1A
可以提高代工厂的财政底线。
本文作者希望感谢 Hynix Semiconductor 晶片工程部和 KLA-
Killer Device
87 77
300mm prime wafer inspection before device processing
93 1A
77
s
1A
致谢
Yielding Die
Tencor Surfscan 部门的工程与应用人员，他们为原稿做出 了宝贵的贡献，付出了集体的努力。 如果没有全球晶片生产商提供的指导、信息和大力支
图 11：DRAM 器件存储器单元位图；IC 生产中 80 纳米 DRAM 上的 小面 LLPD 与大微粒对成品率影响的对比。
持，这篇论文也不可能取得成功。 参考材料
Device failure area
Before CMP After CMP
STI Si
1.International Technology Roadmap for Semiconductors 2005 版， Yield Enchancement，第 7–10 页。 2. C.G. Koh，D.J. Kim，Hynix Technical Report，Evaluation Result of SP2 SSIS - 200mm Wafers，未发表。 3. C.G. Koh，B.S. Moon，D.J. Kim，Hynix Technical Report， A06095565，Evaluation Result of SP2 SSIS - 300mm Wafers，未发表。
图 12：由残留氧化物引起的器件缺陷和小面 LLPD 图形和 CMP 问题 引起的氮化物薄膜剥落。
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