当半导体工艺逐渐缩小至3nm甚至2nm节点(Node),精准测量每个关键参数,并以大数据(Big Data)技术优化生产方法,对于改善工艺良率至关重要。但传统手动测量方法效率低、误差大,成本又高。因此,唯有透过自动测量,才能快又准取得正确参数,持续产出大量的奈米尺度组件数据,例如:薄膜厚度(Film Thickness)、CD值(Critical Dimensions)、晶体管结构(Transistor Structure)、表面形貌(Morphology)、掺杂浓度(Doping Concentration)与缺陷(Defect)分析,以提高产量并从中挖掘出创新商机。
那该如何透过测量统计晶粒(Grain)和奈米颗粒(Nano Particles)的大小、形状及分布,或算出各膜层的厚度或宽度呢? 本期宜特芯片检测分析小学堂,将为您带来,透过穿透式电子显微镜 (Transmission Electron microscopy, 简称TEM),搭配最新自动测量软件实际应用的三大案例。
案例一: 如何解决以往人工误差,让FinFET和GAAFET的测量数据不失真?
随着5G、AI人工智能、元宇宙快速崛起,发展低功耗、小尺寸、异质整合及超高指令周期的芯片架构技术,已成为全球半导体制造业者最重要的决胜关键。
现今主流使用的鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor;FinFET)是以类似鱼鳍的叉状3D设计,避开当初因工艺缩小至20奈米以下,闸极长度变短衍伸出的漏电等问题。而针对「闸极长度(Gate length)」,或称「工艺线宽」,也就是晶体管中的源极(Source)到汲极(Drain)距离的精准掌握,以及对于鳍式硅晶形状的控制度,都是影响晶体管效能的最重要因素之一。
以往传统手动的方式,在TEM影像上测量闸极长度时,过程中容易因人为误判,导致数据失真。为了有效降低人为计算所造成的错误,宜特材料分析实验室以TEM搭配最新研发出的影像自动测量软件,其步骤如图一。处理一张照片只需数分钟,即可将分析样品的测量宽度转换成数据图,如图二所示。这类分析的结果,不仅可呈现各层的单一数值,更能以统计学的方法,针对多根FinFET的鳍型线宽加以比较分析。
图一: 此影像自动测量软件技术主要分成三个步骤。
图二: FinFET TEM影像自动测量软件显示结果。图二(a)先框选出FinFET中欲测量的位置;从图二(b)可知,每隔2nm软件就能抓取到Si Fin边界;图二(c)针对多根FinFET的鳍型线宽统计资料。
不过,当工艺继续向下微缩至3奈米,甚至推进至2奈米节点时,FinFET也开始面临到漏电等物理极限。因此,全新架构的「环绕式闸极场效晶体管(Gate-All-Around FET; 简称GAAFET)」应运而生。GAAFET结构分为第一代奈米线型(Nanowire;简称NW)和第二代奈米片型(Nanosheet;简称NS)两种形态。而GAAFET的芯片架构和FinFET不同之处,包括一开始需要以磊晶(Epitaxy;简称Epi)的方式,将硅层(Si)与硅锗层(SiGe)堆栈成奈米片磊晶(Nanosheet stack epitaxy),SiGe做为「牺牲层」(Sacrificial SiGe)在后续的「通道释放」(channel release)时,利用蚀刻把SiGe吃光来获得一层一层的奈米线或奈米片,然后再以闸极金属(High-k)来包覆奈米片(线),如图三(a)所示。因此,若能精准测量GAA中SiGe和Si的膜厚,以及对于SiGe形状的控制,就可加速GAA的工艺改良。
宜特材料分析实验室最新引进的影像自动软件有三大功能:
可一次同时针对多个层次进行测量,并可设置达上百条测量线段。
测量线段间距可配合客户需求进行调整,如图三(b)所示,针对SiGe/Si各层测量可设置不同间距。
可立即性提供客户测量数据,以往若是手动的方式测量,可能需花费长达一小时,透过软件协助,可缩短至数分钟内。
如图三(b)所示,此影像自动软件,因为可精准抓取到SiGe/Si各层的边界,让客户可知SiGe层蚀刻后各点剩余的厚度,并可调整其不同厚度的蚀刻参数。因此能精准掌握蚀刻后的闸极金属形状,进而得到匀度 (Uniformity)、稳定性均佳的环绕式闸极结构,这亦是影响晶体管效能的最重要因素之一。
图三: GAAFET工艺简易示意图。图三(a) GAAFET工艺流程图;图三(b)GAAFET STEM影像使用自动测量软件显示结果,软件可抓取到SiGe以及Si各层的边界,测量线段间距也可客制化进行调整。
案例二: 想快速得到有意义的奈米颗粒尺寸和分布的数据分析图?
100 nm以下的奈米颗粒,主要应用在催化剂、传感器、电极、甚至在油漆涂料中。宜特材料分析实验室藉由TEM搭配最新影像自动测量软件,透过软件协助可精确快速的测量出奈米颗粒的大小与形状,再以图像处理之后的统计数据分析图,分析奈米颗粒大小及分布,并可同时得到多种在研发材料上所需的数值,如奈米面积、半径、颗粒平均值、周长等等,如图四(d),作为奈米材料研发的参考,缩短研发时间。
图四: 奈米颗粒TEM影像自动测量软件显示结果。图四(a)为奈米颗粒TEM影像;从图四(b)可知软件仿真3D形貌轮廓图模型;图四(c)软件利用形貌轮廓图,经过影像辨识后的奈米颗粒影像;图四(d)为奈米颗粒图像处理之后的统计数据分析图。
案例三: 清楚辨识出晶粒尺寸测量和分布,如有神助
单位面积中晶粒的数量与晶粒的尺寸有关,晶粒的大小对材料的硬度、拉伸强度、韧性、塑性等机械性质都有决定性的影响。因此,若能精准的测量材料晶粒的尺寸大小,即可预先评估其材料性能。以UBM (Under bump metallization;球下金属层)的铜/钛(Cu/ Ti)层次为例,宜特材料分析实验室以TEM搭配影像自动测量软件,可以清楚的从Cu晶界对比中分辨出晶粒的形状与大小,如下图五所示。
并且,可针对大量的晶粒做出精准的统计结果,同时得到多种在研发材料上所需的数值,如晶粒的面积、半径、颗粒平均值、周长等等,如下图五(b)所示。其相关数值影响UBM的电性、硬度、扩散、热迁移等因素,协助客户在世代推新的情况下,更加快速开发产品。
图五: UBM的CU/ TI层次STEM影像自动测量软件显示结果。图五(A)为UBM晶粒STEM影像;从图五(B)可知软件仿真3D形貌轮廓图模型;图五(C)软件利用形貌轮廓图经过影像辨识后的晶粒影像;图五(D)为晶粒图像处理之后的统计数据分析图。