克服FinFET与FD-SOI工艺控制挑战

shuszhao

结合检测、量测和数据分析的综合工艺控制解决方案在协助IC制造商应对这些挑战方面发挥着关键性的作用...
对整个半导体产业来说，FD-SOI和FinFET晶体管技术都已经达到大量生产阶段，IC制造商希望扩展这两种技术并进一步提高性能，以满足客户在技术和经济层面的各种要求；而在开发下一代FD-SOI和FinFET技术所需的工艺时，两种类型的晶体管面临相似的挑战，包括设计和工艺系统缺陷的蔓延、工艺绩效的降低以及工艺变化的增加。
结合检测、量测和数据分析的综合工艺控制解决方案在协助IC制造商应对这些挑战方面发挥着关键性的作用。但由于FD-SOI和FinFET晶体管在组件架构和材料方面的根本差异，它们需要分别采用特定的工艺控制策略，以协助晶圆厂检测、量化并解决与工艺相关的问题。
FD-SOI技术正在越来越多地应用于制造物联网、车用电子和机器学习市场中的各种设备。目前这一技术在28nm工艺可以全面量产，22nm和12nm工艺正在开发中，并预期可拓展到10nm或以下。
FD-SOI技术是一种平面工艺，透过沿用CMOS平面制造方法但采用不同的起始基板以拓展产量。 FD-SOI基板有一层超薄绝缘层，称为埋入氧化层，位在硅基板的上面。晶体管通道由非常薄的硅膜组成。
相较于传统的bulk CMOS，FD-SOI的设计使其能够提供更好的晶体管静电性能，并减少组件泄漏。SOI基板由晶圆厂商生产，他们必须采用特定的检测和量测控制，以确保基板满足IC制造商所需的规格；晶圆厂商需要依靠工艺控制系统，例如：
•    Surfscan无图案晶圆缺陷检测仪，采用SURFmonitor技术并协助晶圆厂商优化其工艺以及确保其最终产品没有颗粒、堆垛层错、滑移线、划痕以及其他缺陷；
•    WaferSight裸晶圆几何测量系统，以确保基板满足平整度、边缘滚降和正背面纳米形貌的要求；
•    SpectraFilm薄膜量测系统，用于优化并控制SOI薄膜迭层的厚度和均匀性。
FD-SOI组件制造所采用的工艺与传统的体硅晶圆(bulk silicon) CMOS工艺非常相似。因此，在bulk CMOS工艺控制中采用的优化方法，通常也适用于FD-SOI──包括使用图形化和未图形化的晶圆缺陷检测仪(29xx系列、Puma 9xxx、Surfscan SPx、8系列、CIRCL)，用于在线缺陷监测和工艺设备评估认证。
其中FEOL量测是一个非常重要的例外，包括薄膜量测和迭对量测。用于FD-SOI基板的表面迭层很薄并且透明，需要采用光学技术和先进建模/算法的薄膜(SpectraFilm F1)和迭对(Archer 600，ATL)量测系统，以准确建立模型并有效测量基板迭层的结构。
FinFET组件主要用于高性能组件，如GPU和CPU。 目前在45nm、28nm、16/14nm和10nm逻辑工艺上全面量产，预计2018年将推出7nm FinFET组件。FinFET包含创新的3D晶体管架构组成，让IC制造商可以生产出尺寸更小、速度更快、耗能更低的组件。
1Xnm工艺的FinFET量产采用多重图案化技术，例如自对准四重图形化，以实现所需的的最终组件尺寸，但是这显着增加了制造晶体管所需的工艺步骤。 finFET的工艺控制不仅需要高灵敏度的检测和量测系统以协助检测更小的关键缺陷和三维组件结构，同时还需要系统具有高通量，才可以达到经济高效的监控，并且处理更为繁多的多重图案化工艺步骤。
仅就FinFET的3D晶体管架构而言，量测的主要挑战包括精确测量与组件性能相关的各种参数，例如鳍片的侧壁角度、复杂薄膜堆栈的厚度以及图形迭对误差。在使用多重图形技术时，迭对量测系统还必须能够准确并可靠地反应来自层内和层间的迭对误差。可支持FinFET生产的关键量测系统包括：SpectraShape 10K，用于测量组件形状和关键尺寸；Archer 600和ATL，用于测量迭对误差；SpectraFilm F1 用于测量薄膜厚度。
由于FinFET制造需要处理的组件尺寸更小，同时也包含多个工艺步骤，因此缺陷检测仪必须具备高分辨率、光学滤波能力及可以从噪声中最佳分离出缺陷讯号的算法，此外检测仪还必须具备高通量以实现全晶圆检测。 当检测仪具备了这些性能，缺陷检测和检查系统就可以在一系列工艺层中对细小的关键缺陷进行检测、识别和控制。
为了确保找到所有关键缺陷类型，晶圆厂实施了多方面的检测方法，包括：
•    厂内的光罩检测(Teron SL655)可监测并重新认证光罩，避免严重缺陷重复印制到每个区域；
•    使用光学图形化晶圆缺陷检测仪(29xx系列，39xx系列，Puma 9xxx)和电子束检查系统(eDR7280)的多种缺陷侦测方法可以找到所有系统性缺陷类型，并揭示晶圆级缺陷特征，协助工程师识别缺陷根源；
•    对重要缺陷(Puma 9980，Surfscan SP5XP)进行在线与设备监测，并迅速发现影响良率的偏移。
以上这种针对FinFET的全面检测策略能让工程师能够表征和监控全厂范围的工艺，为确定矫正措施提供准确的信息。

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