顯影缺陷
作者：馬玲
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所謂缺陷，就是指在半導體制程中，因生產(chǎn)過程中晶圓會經(jīng)過許多的步驟，如涂底，光阻涂布，烘烤，顯影等步驟，其制程過程中會有沖洗角度，沖洗量，抽氣(Exhaust)，氣體擾流(Down Flow)，去離子水(DI Water)和光阻純凈度，機械動作，程式設(shè)定，人為因素，傳送搬運等，若有任何一部分有問題均會產(chǎn)生缺陷。缺陷對于集成電路而言是致命的，它直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，缺陷可使產(chǎn)品的良率(Yield)降低，甚至報廢。所以在集成電路制造中控制缺陷的產(chǎn)生是非常重要的課題。在光刻制程中，顯影的效果直接影響圖形的質(zhì)量。顯影中常見的缺陷通常有以下幾種：表面粒子污染，光刻膠殘留與反應(yīng)物殘留。見圖1-1。
圖1-1 顯影產(chǎn)生的三種缺陷
表面粒子污染
顧名思義，表面粒子污染指的是在光刻膠圖形表面沾染了外來的微塵粒子引起的缺陷。表面粒子一般是在去離子水沖洗之后產(chǎn)生，因為之前若有微塵粒子掉在晶圓表面，在去離子水的大量沖洗之下基本去除干凈，而在此步驟之后若有微塵粒子掉落在晶圓表面，已經(jīng)沒有機會去除，就形成了表面粒子污染。
表面粒子污染雖然對已成型的光刻膠圖案不會造成影響，但它會影響光刻之后的步驟——刻蝕或離子注入。圖1-2 描述的就是表面粒子污染影響產(chǎn)品的過程：圖片a 顯示的是無缺陷情形下刻蝕后的圖形，光刻膠遮蓋的部分刻蝕后成為凸出的一根根規(guī)則的導線；圖b 顯示的是有一顆微塵粒子掉落在光刻膠圖形上面；圖c 為圖b 中的圖形刻蝕后得到的導線形狀，因為這顆表面粒子阻擋了刻蝕反應(yīng)的進行，它的作用相當于同等投影面積的光刻膠。從圖中可以看出，圖c 所示的產(chǎn)品是不合格的，它中間的兩根導線已經(jīng)橋接在一起，形成了短路。
圖1-2 表面粒子污染失效機制
表面粒子污染會造成電路圖形失效，直接影響產(chǎn)品的良率。表面粒子可以阻擋刻蝕反應(yīng)，同樣可以阻擋離子注入，當光刻之后的工序為離子注入時，光刻膠表面的微塵粒子會阻擋離子的注入過程，同樣造成產(chǎn)品缺陷。
光刻膠表面粒子污染的來源大致有以下幾個方面：DUV 機臺熱板頂部結(jié)晶體的掉落；運動部件金屬摩擦產(chǎn)生的微塵掉落；傳送模塊老化產(chǎn)生的微塵飛揚等。
光刻膠殘留
光刻膠殘留缺陷指的是本該被顯影液反應(yīng)而沖洗掉的光刻膠，由于各種原因沒有被去除干凈，殘留于晶圓表面而引起的缺陷。在顯影液與曝光之后的光刻膠充分反應(yīng)后，這部分光刻膠被完全溶解，最后在去離子水的沖洗下完全脫離晶圓表面，產(chǎn)品上可以得到完美的光刻膠圖形。當某種原因引起局部的顯影反應(yīng)不完全時，就會產(chǎn)生光刻膠殘留缺陷。
光刻膠殘留缺陷對產(chǎn)品良率的影響機理與表面粒子污染相同。它直接影響產(chǎn)品刻蝕后的圖形，造成良率降低。
光刻膠殘留缺陷形成機理為顯影反應(yīng)不完全，形成這種缺陷的原因大致有以下幾點：顯影液流量偏低；LD 噴嘴距晶圓表面的高度過高；LD 噴嘴的兩根供液管平衡失調(diào)。
當顯影液的流量為1200ml/min 時，能得到最佳的CD，在此流量下顯影液與曝光后的光刻膠恰好完全反應(yīng)，此時得到的圖形應(yīng)該是無光刻膠殘留缺陷的。當在產(chǎn)品上發(fā)現(xiàn)光刻膠殘留缺陷時，工程師首先要檢查的就是顯影液流量是否偏低，因為流量過低會造成顯影反應(yīng)不充分，部分曝光后的光刻膠殘存于晶圓表面而形成缺陷。
顯影液是從LD噴嘴滴灑至晶圓表面的，當LD噴嘴與晶圓表面的距離過高時，滴落于晶圓表面的顯影液就會不均勻，造成局部顯影反應(yīng)不完全。要使顯影液均勻地覆蓋在晶圓表面，LD 噴嘴與晶圓表面的距離就要控制在一個小范圍之內(nèi)。在這個小范圍內(nèi)，從LD 噴嘴滴灑的顯影液立刻與晶圓接觸，在LD 噴嘴與晶圓之間形成一股柔和的水簾，隨著LD 噴嘴的勻速水平移動，顯影液均勻地覆蓋于晶圓表面，有效地避免了由于反應(yīng)不充分引起的光刻膠殘留缺陷。目前在0.18μm 工藝線上一般把這個高度控制在1.2mm 之內(nèi)。
因為LD 噴嘴中顯影液的供應(yīng)方式是由兩根供液管同時供應(yīng)，當兩根供液管的流量不同時，晶圓表面得到的顯影液均勻度也就不同，最后會造成因局部顯影不充分而導致的光刻膠殘留缺陷。在這種情況下，雖然顯影液總流量保持在1200ml/min，機臺的偵測系統(tǒng)也偵測不到流量的異常，但是它對晶圓的影響已經(jīng)悄然發(fā)生了。所以當發(fā)現(xiàn)光刻膠殘留缺陷時，除了檢查機臺的顯影液流量外，兩根供液管中流量的平衡也是必不可少的檢查項目。
反應(yīng)物殘留
曝光后的光刻膠與顯影液完全反應(yīng)溶解，反應(yīng)物被去離子水沖洗干凈。當反應(yīng)物還有部分沒被沖洗掉，殘留于晶圓表面時，就產(chǎn)生了反應(yīng)物殘留缺陷。反應(yīng)物殘留大多存在于圖形的空曠區(qū)，尺寸比較小，一般在1~2μm 之間。
反應(yīng)物殘留由于多存留于圖形空曠區(qū)，所以它對產(chǎn)品的良率影響不是非常明顯。但是它會造成最終圖形的不規(guī)則，繼而影響集成電路的可靠性。反應(yīng)物殘留缺陷對工藝的影響相當于光刻膠，它會阻擋刻蝕反應(yīng)與離子注入，從而在電路上留下“疤痕”，這樣的成品芯片在使用過程中，“疤痕”處可能會產(chǎn)生電遷移，大大降低了產(chǎn)品的使用壽命。小部分殘留可能出現(xiàn)在光刻膠邊緣，甚至覆蓋在光刻膠表面，這種殘留缺陷相當于光刻膠殘留，直接影響產(chǎn)品的良率。所以，在實際生產(chǎn)中，反應(yīng)物殘留同樣不可忽視，發(fā)現(xiàn)缺陷應(yīng)及時洗掉光刻膠重制，避免損失。
在 0.18μm 生產(chǎn)線上，反應(yīng)物殘留是顯影工藝中常見的一種缺陷。它是曝光后光刻膠與顯影液反應(yīng)得到的產(chǎn)物，由于去離子水的沖洗不充分而殘留于晶圓表面。去離子水的噴嘴有兩根，置于晶圓的上方同時噴灑去離子水，其中一根位于晶圓圓心正上方，另一根距離圓心4cm，如圖1-3。去離子水噴灑的最佳流量為1000ml/min，兩根噴嘴的流量是平衡的，各為500ml/min。
圖 1-3 去離子水噴嘴
反應(yīng)物殘留缺陷產(chǎn)生的原因通常有兩種：去離子水流量不足；兩根噴嘴的流量平衡失調(diào)。去離子水流量不足導致反應(yīng)物沒有被沖洗干凈，是反應(yīng)物殘留產(chǎn)生的最常見原因。另外，兩根噴嘴的平衡失調(diào)也是造成反應(yīng)物殘留缺陷的原因。若其中一根噴嘴的流量不足，會導致局部區(qū)域的反應(yīng)物沖洗效果不佳，產(chǎn)生殘留缺陷。DUV 機臺的自動偵測系統(tǒng)只能偵測總流量的大小，所以在0.18μm 生產(chǎn)線上，工程師要定期對兩根去離子水噴嘴的流量進行檢測，保證流量的平衡。
凹陷缺陷與微殘留
凹陷缺陷的形貌為圓形凹坑，最近發(fā)現(xiàn)于幾臺特定的DUV 機臺中，偶發(fā)性強，重復(fù)性低，一度給產(chǎn)線上的工程人員帶來不少的困擾。發(fā)生此種缺陷的產(chǎn)品良率大大降低，且在短時間內(nèi)影響眾多產(chǎn)品。缺陷發(fā)現(xiàn)之初，理論分析缺陷成因為光刻膠中有氣泡，氣泡破滅導致凹坑的產(chǎn)生。
1-4 a) 微殘留缺陷的形貌：凹陷缺陷
1-4 b) 微殘留缺陷的形貌：微殘留
微殘留缺陷的形貌如圖如圖1-4 b)所示，它在發(fā)現(xiàn)初期一直被認為是表面粒子，因為它的存在形態(tài)與傳統(tǒng)意義上的表面粒子極其相似。把這種缺陷當成表面粒子，給工程人員帶來了許多困擾，因為機臺的潔凈度測試結(jié)果正常，且每個缺陷的形貌基本相似，不如表面粒子般的多樣性。這種缺陷的尺寸在0.5μm 左右，而傳統(tǒng)表面粒子大多在1μm 以上，根據(jù)這一特征，最終工程人員把目光從表面粒子轉(zhuǎn)向了殘留缺陷，通過分割實驗，證明了這種缺陷的來源為顯影過程中的LD 噴嘴。這種缺陷的重復(fù)性極高，只要產(chǎn)生了這種缺陷，在找出問題根源之前這種缺陷不可能消失，會源源不斷地在產(chǎn)品中產(chǎn)生相同缺陷。正是由于它有相當高的重復(fù)性，成就了分割實驗的可操作性。
每一道光刻制程完成后，都需要對產(chǎn)品的缺陷進行檢查，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)問題并改進。缺陷的檢查步驟大致如下：首先通過光學掃描找出晶圓的缺陷點，根據(jù)缺陷的數(shù)量計算當層工藝良率，決定產(chǎn)品的合格與否；其次根據(jù)已知的缺陷點，通過顯微鏡觀察缺陷的形狀與種類，判斷其是否會影響后續(xù)工藝及最終產(chǎn)品的良率，同時分析缺陷的成因。
工藝產(chǎn)線上，用于掃描缺陷的機臺一般有應(yīng)用材料公司生產(chǎn)的Compass、CompLUS 機臺和KLA-Tencor 公司的KLA、AIT 等機臺。圖1-5 a)就是生產(chǎn)線上使用的Compass 機臺。這些機臺都是利用激光掃描，找出微觀圖形下的缺陷，通過對位、掃描，偵測激光在晶圓表面的反射光，然后利用程序把光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行分析，得到晶圓缺陷的掃描圖[1]。這些機臺的掃描誤差控制得非常嚴格，工程師每天都要利用標準片測試它們的掃描誤差，保證機臺有良好的掃描精確度。
圖1-5 a) Compass 機臺與晶圓掃描圖：Compass 機臺
圖1-5 a) Compass 機臺與晶圓掃描圖：晶圓掃描圖
圖 1-5 b)顯示的是一片晶圓的掃描圖，它是由Compass 機臺掃描得到的。圖中每個小方格代表的是一塊芯片，黑點代表芯片上的缺陷。一片沒有缺陷的晶圓得到的掃描圖只有方塊沒有黑點，黑點越多說明這片晶圓的缺陷數(shù)越多。一張掃描圖既提供了缺陷數(shù)量，又指明了缺陷在晶圓上的坐標位置。得到了晶圓的掃描圖之后，確定了晶圓的缺陷數(shù)量和缺陷位置。工程師根據(jù)缺陷數(shù)和受影響芯片的比率，來確定晶圓的下一步處理方式。在光刻制程中，發(fā)現(xiàn)的缺陷一般都可以通過重制去除掉。若是缺陷嚴重影響到下一層圖形，重制就毫無意義，機械性刮傷是常見的會影響下層圖形的缺陷，發(fā)生嚴重的刮傷缺陷后，通常的處理方法是報廢此片晶圓。為了分析缺陷的形成機理，避免更大的損失產(chǎn)生，觀察缺陷的形貌是有效的手段。工程師通過觀察缺陷的形貌，結(jié)合工藝步驟分析缺陷產(chǎn)生的原因，及時改進工藝條件，可以有效避免缺陷的重復(fù)產(chǎn)生。
參考文獻
[1] Takeda.H,Uesugi. K, Mihara, T., Sakurai, K. A Fast QC Method for Testing
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Transactions on Semiconductor
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