宜特小學堂：材料分析如何協助先進製程設備改善缺陷
半導體生產良率的瓶頸，居然在製程設備，如何透過材料分析，改善缺陷？
2022 開始，台積電、英特爾、三星等半導體大廠先進製程大戰如火如荼展開，重砸資本支出在各項先進製程設備，如極紫外光（EUV）設備需求大增；若要在這場大戰奪得先鋒，關鍵在於產品良率（Yield）是否能快速提升。有非常多因素會影響產品良率，本期 iST 宜特小學堂將聚焦於「先進製程設備的缺陷 如何影響良率」，以及「如何透過材料分析改善缺陷 」。
一、製程設備如何影響 IC 半導體生產良率？
半導體積體電路（IC）製程隨著成本及技術的演進，晶圓尺寸很快地從四吋、六吋、八吋、來到穩定的十二吋，而對於有效的 IC 晶粒（Chips）數，「良率（Yield）」一直是非常重要的關鍵指標。
因此，半導體製程上所使用的製程設備（如黃光、蝕刻、清洗、鍍膜、甚至承載與傳送機具…等），在重複的製作過程中，其真空腔體及內部零件也同時在經歷蝕刻（或鍍膜），而累積一段時間後，將會導致腔體汙染，或生成副產物掉落至晶片上影響良率。所以製程設備必須定期做清潔維護(PM)或更換零件。
此外，元件線路尺寸也隨著摩爾定律不斷地縮小至數奈米，更無法容忍製程設備所產生的副產物(或汙染)，因此，除了需要提高PM的頻率外，相關設備零件也必須不斷地開發改良。以因應降低微粒的產生，而達到良率的提升。
二、EUV黃光製程中的缺陷源自「光罩」上的汙染
目前影響奈米級先進製程生產良率，最重要的即是黃光製程的曝光設備。極紫外光（EUV）曝光機所使用的光罩上，若有一微小的顆粒（Particle），將導致整片晶圓上的所有晶片（chip）都形成固定的缺陷（Defect），致使整片晶圓良率直接歸「零」，對於此狀況，晶圓製造過程中絕對是零容忍。
因此，探究這汙染異物是如何在製作光罩時所產生的，就必須分析 Particle 或 Defect 產生的源頭；最直接的方式，就是用雙束聚焦離子束（Dual beam FIB）斷面觀察（cross-section），或是透過穿透式電子顯微鏡 （TEM）來觀察更小的 Defect。
如圖一中三種不同的缺陷來源，右上圖的 Particle EDS 分析結果為掉落在最表面抗反射層（Anti-reflection coating）上含有元素 C、O、Si 成份的汙染；而右下圖的缺陷則是落在覆蓋層（Capping layer）的位置。左下圖卻是在一開始光罩基材上的蝕刻殘留汙染，這些都可透過斷面 EDS 成份分析來判斷其生成的起源點，以提供光罩廠作為生產製程的改善。
▲圖一：光罩上污染或缺陷的斷面 EDS 成份分析。
三、如何改善蝕刻製程設備零件所產生的缺陷？
蝕刻設備也是目前影響良率最主要的原因之一。蝕刻設備內有電漿產生器的電極板、承載晶圓的載台、真空腔壁及管路等，在進行離子蝕刻時，會通入含氟（F）等的氣體，將對腔體內的零件產生腐蝕現象，因此必須定期更換腔體零件。而在要求延長零件的使用壽命之外，如何降低（或甚至消除）副產物的生成也是重要的課題。
透過分析工具，確認真空腔體、零件表面護層之平坦緻密度
早期大部分的腔體零件一般是使用 SiO2、Al2O3 作為表面保護層，然而，其與含氟（F）基的氣體反應卻會產生微粒、副產物等，且抗腐蝕效果不佳。後來的研究發現，Y2O3 材料可以大幅地改善，但仍無法完全有效地解決微粒問題；近年來研究相關的護層新材料，如 Y2O3 表面氟化處理、YF3、YOF 等，藉由嘗試不同的含氟基釔化物材料，進行蝕刻的耐久性測試。
此類的研究在表面護層的特性要求包括孔隙率、粗糙平坦度的分析，可使用掃描式電子顯微鏡 （SEM）或是原子力顯微鏡（AFM）來觀察表面的形貌與粗糙度。在經過蝕刻設備的腐蝕與可靠度測試後，可觀察表面形貌與粗糙度的改變之外，還可藉由分析表面是否有副產物的形成，比較前後的差異。如圖二中為 Y2O3 鍍層經過含氟基電漿蝕刻，分別使用 SEM 觀察其蝕刻前後的表面形貌與 AFM 分析粗糙度的差異。由 AFM 分析粗糙度的結果顯示，可以很明顯看到在蝕刻後平均粗糙度（Rms）從 10.7nm 降到 6.5nm。
▲圖二：分別使用 SEM 與 AFM 觀察 Y2O3 鍍層在蝕刻前（a）與後（b）之表面形貌及粗糙度的差異。
（Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc）
另外在鍍層的開發研究中，可以藉由 X 光繞射（XRD）分析其鍍層生成的結晶相，以及與晶粒尺寸大小的關係。如圖三（a）是用 XRD 分析 Y2O3 鍍層在不同溫度的結晶性，另外藉由繞射峰的半高寬值（FWHM），計算晶粒尺寸得到圖三（b）的統計趨勢，可以看出晶粒尺寸是隨著基板溫度升高而變大，有助於提供鍍膜速率與品質的控制。
▲圖三：分析 Y2O3 鍍層在不同溫度上的結晶性與晶粒尺寸的關係。
（Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc）
透過 XPS 分析成分變化，判斷護層抗腐蝕與否
至於針對表層數十奈米深度的成分變化，可藉由 X 光光電子能譜儀（XPS/ESCA）分析其縱深及鍵結，以判斷此表面形成的副產物之厚度及化學態，進而判斷該材料是否具備抗腐蝕特性。如圖四為（a）Al2O3 與（b）Y2O3 這兩種不同鍍層在含氟基電漿蝕刻後表面 XPS 縱深分析的結果，明顯地可以看到 Y2O3 的表面 F 含量變多，有形成一層較厚的氟化副產物。
▲圖四：Al2O3 與 Y2O3 YOF 二種鍍層在含氟基電漿蝕刻後表面 XPS 縱深分析的結果。
（Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc）
另外也可以藉由高解析的 X 光光電子能譜儀（XPS/ESCA），來更精確地分析這層副產物鍵結的化學態，如圖五分別是解析（a）鍍層 Al2O3 的 Al2p 能譜與（b）鍍層 Y2O3 的 Y3d 能譜的鍵結化學態，顯示在含氟電漿蝕刻後的表面確實分別形成 Al-F、Al-O 與 Y-F、Y-O 的化學鍵結，在 Y2O3 表層所含的 Y-F 鍵結量（紅色虛線下的面積）明顯是比 Y-O 的（綠色虛線下的面積）多，也說明了其氟化比是高於 Al2O3 的。
▲圖五：高解析 XPS 分析鍍層 Al2O3（a）與 Y2O3（b）在含氟電漿蝕刻後其表面 Al2p 與 Y3d 的鍵結化學態。
（Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc）
護層表面副產物之厚度與成分分析
當然，如果進一步想要更精確地得知這層副產物的厚度、成分，則須採用 TEM 與 EDS 來進行高解像的微區觀察與分析。如圖六為 Y2O3 鍍層使用 SF6 電漿表面處理後的斷面 TEM 微區觀察，左圖可看出在用 SF6 電漿處理過的表面較緻密，右圖可看到在表層形成一層較厚的 YOF 層，推論這層會是抵抗後續含氟電漿蝕刻作用的最佳保護。因此在最新抗腐蝕材料 YOF 的研究，其相關鍍層技術也如火如荼的進行。
▲圖六：鍍層 Y2O3 使用 SF6 電漿表面處理後的樣品斷面 TEM 觀察。
（Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc）
四、藉由 AFM，CMP 製程缺陷一覽無遺
此外，在後段製程設備中的化學機械研磨（CMP）也會影響產品良率。當金屬與介電層厚度尺寸更小、線路密集度更高時， CMP 研磨蝕刻容易不均，進而形成殘留物，發生電路漏電等異常現象。
因此在 CMP 階段，需特別關注殘留或微粒產生。一般在 CMP 製程前後，可以藉由 AFM 來分析蝕刻變化或殘留痕跡等，作為後續改善的參考依據。如圖七為密集的銅線路在經過 CMP 製程後，使用 AFM 量測分析研磨前後的變化，除了進行蝕刻率的分析外，亦可觀察到研磨產生的微粒殘留現象，這些都是提供 CMP 製程參數調整的重要指標。
綜觀以上各種不同製程階段所需要的設備，均有相對應的材料分析工具可供解答，目的都是為了尋求最合適、最耐用的材料，促使先進製程設備達到零缺陷。
▲圖七：金屬銅線路在 CMP 研磨前（左）與後（右）的 AFM 分析結果比較。
關於上述大型設備零件的研究試樣，通常都需要裁切成 10~20mm 左右較小的尺寸，方能送進真空分析設備（如 SEM、DB-FIB）進行觀察分析。iST 宜特材料分析實驗室，針對尺寸為六吋以下如光罩的試樣，均可直接進行 DB-FIB 的檢測、斷面、採樣與成份分析；此外，透過外部合作廠商，iST 宜特材料分析實驗室也可提供大腔體 SEM 分析服務，提供承載 12 吋的零件無需額外破片，即可直接檢測，並同步進行 EDS 分析。
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（圖片來源：宜特科技）