為了僅移除犧牲閘極而不影響源極和汲極，z方向上的氧化物和晶圓平面方向的閘極壁隔層材料被用於保護源極和汲極。如果壁隔層或氧化物介面中存在任何弱點，則源極或汲極就可能在該製程中受到侵蝕。當侵蝕狀況很嚴重並且導致整個源極/汲極被破壞以及鰭式場效電晶體(FinFET)失效時，此一缺陷就被稱為RX孔。優化製程條件以盡量減少或消除PFET和NFET鰭上的RX孔缺陷，是所有後閘極FinFET技術的一致要求。本文將說明針對7奈米技術節點中的這些缺陷類型，而開發實用在線檢測和檢視策略中所應對的挑戰和解決方案。
7奈米FinFET的RX孔監控難度高
針對7奈米FinFET的RX孔的監控作業，存在著非常大的挑戰，以下分成兩方面加以說明。
檢測系統要求高
為了充分監控RX孔，檢測系統必須能夠在PFET和NFET上持續一致地檢測到RX孔。在製程開發中，對P和N缺陷分別進行計數也有益於評估不同製程條件的影響。檢測系統還必須可以包容技術開發中內在的大幅度製程變化。寬頻電漿(BBP)系統根據其特定的型號可以在不同程度上滿足這些需求。這裡將討論29xx BBP系統用以監測7奈米技術開發的RX孔的結果及其局限性。
透過SEM識別特定缺陷類型
採用掃描式電子顯微鏡(SEM)對光學檢測系統所捕獲的缺陷進行檢視，對於識別特定的缺陷類型至關重要。在多晶矽閘極移除的監控步驟中，RX孔存在於較厚的氧化層之下，因此獲取該缺陷的電子影像極具挑戰性。此外，xy尺寸更加緊密，閘極的寬深比也高於先前的技術節點，這些對SEM檢視系統提出新的挑戰，因此本文也將討論本研究中所採用的SEM檢視解決方案。
善用29xx BBP系統 檢測和分類RX孔
以下說明採用29xx BBP系統時如何監測7奈米技術開發的RX孔，分成兩部分來加以說明。
寬頻電漿檢測
引入29xx BBP檢測系統改進了硬體和軟體，並為先進技術節點提供最高階的檢測解決方案。在研究中，使用電子設計自動化(EDA)軟體開發了自定義布林(Boolean)設計層，並將其作為檢測配方的一部分以提升NFET和PFET上的RX孔的檢測和分類。
圖1顯示了pRX孔平面圖與相關自定義設計片段的SRAM陣列範例，而圖2顯示一個邏輯pRX孔缺陷的範例。這個設計片段專門用於清晰地識別PFET(顯示藍色)和NFET(顯示紅色)鰭片。在陣列平面圖上可以看到，暗色和亮色水平線分別對應著PFET和NFET區域。雖然人眼很容易僅憑藉重複模式就可以識別SRAM中的PFET與NFET，但這對於如圖2中所示的邏輯區域因其設計布局的大幅度變化就無法識別。對這些邏輯缺陷進行N或P分類是透過將晶圓上的缺陷位置與設計中的相應位置進行比較，並且計算缺陷擴展邊界框(EBB)內的PFIN或NFIN自定義層密度來實現的，如圖2b正中間的虛線框所示。
然而，對於陣列缺陷，因其間距更為緊密，EBB過大，所以不能準確地將缺陷進行P或N分類。因此，本研究利用了檢測配方中的一項名為Super Cell的新功能。該功能允許在SRAM陣列內分別對PFET和NFET進行單獨檢測，從而優化對每種元件類型的檢測。這項功能還可以用於缺陷分類以確定NFET與PFET RX孔的數量。
圖3顯示了NFET RX孔(nRX孔)的平面影像(a)和Super Cell的性能(b)。平面影像顯示了NFET(平面圖中的亮色)和PFET(平面圖中的暗色)之間的明顯光學差異。在Super Cell的結果中，PFET中心由白線強調顯示並過渡至顯示為黑色的NFET中心。請注意，演算法所實現的清晰分離。
SEM檢視
在這項研究中採用最新一代SEM設備因其具有較高的入射能量，這對於表徵和監控RX孔至關重要。為了進一步改善缺陷影像的對比度，灰階影像被轉換為彩色影像，這讓人眼可以更好地辨認缺陷。圖4a顯示了這種凸顯pRX孔的新型成像方法。彩色轉換的SEM影像中的下層鰭片結構會顯示為紫色色調，其中閘極溝槽則呈現為紅色/綠色色調。可以透過PFET鰭片中是否缺失紫色色調而對pRX孔做出辨識。為了更好地凸顯缺陷，如圖4b所示，還可以將自定義設計片段與SEM影像重疊。圖4b正中央的淺色長細框勾勒出有缺陷的鰭片。
Super Cell助益檢測 蝕刻評估製程成效
接下來，透過Super Cell與傳統方法的比較，以及蝕刻批次拆分來說明檢測後的結果。
Super Cell與傳統方法比較
在加入Super Cell功能之前，只能憑藉傳統的光學屬性對SRAM中的PFET與NFET進行嘗試分離。使用局部對比度和灰階(分別指粗糙度和亮度)，可以在一定程度上分離PFET和NFET。圖5a是由顯示成紅色的切割線分開的pRX(顯示成粉紅色)和nRX(顯示成綠色)兩個分類。須注意的是，在NFET分類中有許多SEM不可見(雜訊缺陷)，但在PFET分類中卻沒有。當採用比PFET分類更為激進的訊號屬性時，可以有效地消除NFET中的這些雜訊缺陷。圖5b和圖5c中顯示了PFET和NFET之間的這種雜訊缺陷調諧的差異。雖然PFET與NFET分類策略看起來似乎運行良好，但它可能非常容易受到製程變化的影響。
圖6顯示了後續批次的結果。注意結果的逆轉，PFET中出現大量SEM不可見雜訊缺陷，同時一個pRX孔被錯分到NFET分類中。設置批次與後續批次的巨大分類差異可歸因於預期的製程變化以及開發中晶圓與晶圓的不同。檢測程式必須能夠容忍這些變化。
Super Cell功能中用於分離PFET和NFET的演算法在製程變化中更為穩定，因此不受不穩因素的影響。如圖5～6所示，當使用Super Cell將NFET與PFET進行分離時，該演算法採用位置計量並計算缺陷與NFET接近程度的分數。該屬性稱為Super Cell屬性#1，並取代光學屬性被用於建立NFET和PFET的分類。這種新分類的結果如圖7a所示。
須注意在圖的兩端是NFET與PFET的高純度分離，其間是可信度較低的nRX孔的狹窄過渡區域。這比圖5a中的應用更簡單，但真正的價值是傳統方法所無法實現的製程變化中的穩定性。相同的後續批次也採用Super Cell的程式進行檢測，其分類結果如圖7b所示。注意在設置晶圓和後續批次上所獲得的結果具有相似性。這樣的穩定性在評估製程拆分中是必不可少的，以保證檢測機台的誤差不會擴展到實驗設計(DOE)拆分分析之中。
蝕刻批次拆分的結果
這裡採用了POR(原條件)、氨和錘蝕刻三種候選蝕刻條件用以評估這個新的製程開發能力。「錘」蝕刻僅僅是較長時間的POR蝕刻，氨蝕刻則採用了與POR完全不同的化學反應。使用這個新方法，每個被捕獲的缺陷都被分為PFET、NFET、CND(無法決定)或STI(淺溝槽隔離，意味著無鰭片區)。檢測設備的這份詳細報告也包括了關於蝕刻分拆條件的額外訊息，若非如此，這些訊息則須要從SEM檢視影像的有限樣本中手動提取。
圖8顯示了不同製程條件下每種缺陷類型的相對缺陷數量，清楚地顯示出POR和錘蝕刻中NFET與PFET RX孔的比率相似，但氨蝕刻的作用則相反。該分析有助於為製程分拆提供快速的PFET與NFET反饋。
卓越檢測解決方案 排除缺陷利於生產
本文報告了針對陣列缺陷的Super Cell新檢測程式功能，以及採用自定義布林設計層針對邏輯缺陷的分類，兩者結合實現了無可替代的卓越檢測解決方案。採用高入射能量SEM檢視和彩色疊圖對檢測結果進行確認，這也是本研究的一個組成部分。新的檢測結果和SEM檢視功能為製程分拆以提供了寶貴的訊息，可用於排除缺陷，並可進一步擴展為生產線上的自動在線監控方案。
(本文作者分別任職於格芯、KLA)
