對整個半導體產業來說,FD-SOI和FinFET電晶體技術都已經達到大量生產階段,IC製造商希望擴展這兩種技術並進一步提高性能,以滿足客戶在技術和經濟層面的各種要求;而在開發下一代FD-SOI和FinFET技術所需的製程時,兩種類型的電晶體面臨相似的挑戰,包括設計和製程系統缺陷的蔓延、製程績效的降低以及製程變化的增加。

結合檢測、量測和數據分析的綜合製程控制解決方案在協助IC製造商應對這些挑戰方面發揮著關鍵性的作用。但由於FD-SOI和FinFET電晶體在元件架構和材料方面的根本差異,它們需要分別採用特定的製程控制策略,以協助晶圓廠檢測、量化並解決與製程相關的問題。

FD-SOI技術正在越來越多地應用於製造物聯網、車用電子和機器學習市場中的各種設備。目前這一技術在28nm製程可以全面量產,22nm和12nm製程正在開發中,並預期可拓展到10nm或以下。

FD-SOI技術是一種平面製程,透過沿用CMOS平面製造方法但採用不同的起始基板以拓展產量。 FD-SOI基板有一層超薄絕緣層,稱為埋入氧化層,位在矽基板的上面。電晶體通道由非常薄的矽膜組成。

相較於傳統的bulk CMOS,FD-SOI的設計使其能夠提供更好的電晶體靜電性能,並減少元件洩漏。SOI基板由晶圓廠商生產,他們必須採用特定的檢測和量測控制,以確保基板滿足IC製造商所需的規格;晶圓廠商需要依靠製程控制系統,例如:

  • Surfscan無圖案晶圓缺陷檢測儀,採用SURFmonitor技術並協助晶圓廠商最佳化其製程以及確保其最終產品沒有顆粒、堆垛層錯、滑移線、划痕以及其他缺陷;
  • WaferSight裸晶圓幾何測量系統,以確保基板滿足平整度、邊緣滾降和正背面奈米形貌的要求;
  • SpectraFilm薄膜量測系統,用於最佳化並控制SOI薄膜疊層的厚度和均勻性。

FD-SOI元件製造所採用的製程與傳統的體矽晶圓(bulk silicon) CMOS製程非常相似。因此,在bulk CMOS製程控制中採用的最佳化方法,通常也適用於FD-SOI──包括使用圖形化和未圖形化的晶圓缺陷檢測儀(29xx系列、Puma 9xxx、Surfscan SPx、8系列、CIRCL),用於線上缺陷監測和製程設備評估認證。

其中FEOL量測是一個非常重要的例外,包括薄膜量測和疊對量測。用於FD-SOI基板的表面疊層很薄並且透明,需要採用光學技術和先進建模/演算法的薄膜(SpectraFilm F1)和疊對(Archer 600,ATL)量測系統,以準確建立模型並有效測量基板疊層的結構。

FinFET元件主要用於高性能元件,如GPU和CPU。 目前在45nm、28nm、16/14nm和10nm邏輯製程上全面量產,預計2018年將推出7nm FinFET元件。FinFET包含創新的3D電晶體架構組成,讓IC製造商可以生產出尺寸更小、速度更快、耗能更低的元件。

1Xnm製程的FinFET量產採用多重圖案化技術,例如自對準四重圖形化,以實現所需的的最終元件尺寸,但是這顯著增加了製造電晶體所需的製程步驟。 finFET的製程控制不僅需要高靈敏度的檢測和量測系統以協助檢測更小的關鍵缺陷和三維元件結構,同時還需要系統具有高通量,才可以達到經濟高效的監控,並且處理更為繁多的多重圖案化製程步驟。

僅就FinFET的3D電晶體架構而言,量測的主要挑戰包括精確測量與元件性能相關的各種參數,例如鰭片的側壁角度、複雜薄膜堆疊的厚度以及圖形疊對誤差。在使用多重圖形技術時,疊對量測系統還必須能夠準確並可靠地反應來自層內和層間的疊對誤差。可支援FinFET生產的關鍵量測系統包括:SpectraShape 10K,用於測量元件形狀和關鍵尺寸;Archer 600和ATL,用於測量疊對誤差;SpectraFilm F1 用於測量薄膜厚度。

由於FinFET製造需要處理的元件尺寸更小,同時也包含多個製程步驟,因此缺陷檢測儀必須具備高分辨率、光學濾波能力及可以從雜訊中最佳分離出缺陷訊號的演算法,此外檢測儀還必須具備高通量以實現全晶圓檢測。 當檢測儀具備了這些性能,缺陷檢測和檢查系統就可以在一系列製程層中對細小的關鍵缺陷進行檢測、識別和控制。

為了確保找到所有關鍵缺陷類型,晶圓廠實施了多方面的檢測方法,包括:

  • 廠內的光罩檢測(Teron SL655)可監測並重新認證光罩,避免嚴重缺陷重複印製到每個區域;
  • 使用光學圖形化晶圓缺陷檢測儀(29xx系列,39xx系列,Puma 9xxx)和電子束檢查系統(eDR7280)的多種缺陷偵測方法可以找到所有系統性缺陷類型,並揭示晶圓級缺陷特徵,協助工程師識別缺陷根源;
  • 對重要缺陷(Puma 9980,Surfscan SP5XP)進行線上與設備監測,並迅速發現影響良率的偏移。

以上這種針對FinFET的全面檢測策略能讓工程師能夠表徵和監控全廠範圍的製程,為確定矯正措施提供準確的信息。