半导体生产良率的瓶颈，居然在制程设备，如何透过材料分析，改善缺陷？

2022开始，台积电、英特尔、三星等半导体大厂先进制程大战如火如荼展开，重砸资本支出在各项先进制程设备，如极紫外光（EUV）设备需求大增; 若要在这场大战夺得先锋，关键在于产品良率（Yield）是否能快速提升。 有非常多因素会影响产品良率，本期 iST 宜特小学堂将聚焦于「先进制程设备的缺陷 如何影响良率」，以及「如何透过材料分析改善缺陷」。

半导体集成电路（IC）制程随着成本及技术的演进，晶圆尺寸很快地从四吋、六吋、八吋、来到稳定的十二吋，而对于有效的IC晶粒（Chips）数，「良率（Yield）」一直是非常重要的关键指标。

因此，半导体制程上所使用的制程设备（如黄光、蚀刻、清洗、镀膜、甚至承载与传送机具... 等），在重复的制作过程中，其真空腔体及内部零件也同时在经历蚀刻（或镀膜），而累积一段时间后，将会导致腔体污染，或生成副产物掉落至芯片上影响良率。 所以制程设备必须定期做清洁维护（PM）或更换零件。

此外，组件线路尺寸也随着摩尔定律不断地缩小至数纳米，更无法容忍制程设备所产生的副产物（或污染），因此，除了需要提高PM的频率外，相关设备零件也必须不断地开发改良。以因应降低微粒的产生，而达到良率的提升。

目前影响纳米级先进制程生产良率，最重要的即是黄光制程的曝光设备。 极紫外光（EUV）曝光机所使用的光罩上，若有一微小的颗粒（Particle），将导致整片晶圆上的所有芯片（chip）都形成固定的缺陷（Defect），致使整片晶圆良率直接归「零」，对于此状况，晶圆制造过程中绝对是零容忍。

因此，探究这污染异物是如何在制作光罩时所产生的，就必须分析 Particle 或 Defect 产生的源头; 最直接的方式，就是用双束聚焦离子束（Dual beam FIB）断面观察（cross-section），或是透过穿透式电子显微镜 （TEM）来观察更小的 Defect。

如图一中三种不同的缺陷来源，右上图的 Particle EDS 分析结果为掉落在最表面抗反射层（Anti-reflection coating）上含有元素 C、O、Si成份的污染; 而右下图的缺陷则是落在覆盖层（Capping layer）的位置。 左下图却是在一开始光罩基材上的蚀刻残留污染，这些都可透过断面 EDS 成份分析来判断其生成的起源点，以提供光罩厂作为生产制程的改善。

▲图一：光罩上污染或缺陷的断面 EDS 成份分析。

蚀刻设备也是目前影响良率最主要的原因之一。 蚀刻设备内有电浆产生器的电极板、承载晶圆的载台、真空腔壁及管路等，在进行离子蚀刻时，会通入含氟（F）等的气体，将对腔体内的零件产生腐蚀现象，因此必须定期更换腔体零件。 而在要求延长零件的使用寿命之外，如何降低（或甚至消除）副产物的生成也是重要的课题。

透过分析工具，确认真空腔体、零件表面护层之平坦致密度

早期大部分的腔体零件一般是使用 SiO2、Al2O3 作为表面保护层，然而，其与含氟（F）基的气体反应却会产生微粒、副产物等，且抗腐蚀效果不佳。 后来的研究发现，Y2O3 材料可以大幅地改善，但仍无法完全有效地解决微粒问题; 近年来研究相关的护层新材料，如Y2O3 表面氟化处理、YF3、YOF 等，藉由尝试不同的含氟基钇化物材料，进行蚀刻的耐久性测试。

此类的研究在表面护层的特性要求包括孔隙率、粗糙平坦度的分析，可使用扫描式电子显微镜 （SEM）或是原子力显微镜（AFM）来观察表面的形貌与粗糙度。 在经过蚀刻设备的腐蚀与可靠度测试后，可观察表面形貌与粗糙度的改变之外，还可藉由分析表面是否有副产物的形成，比较前后的差异。 如图二中为 Y2O3 镀层经过含氟基电浆蚀刻，分别使用SEM观察其蚀刻前后的表面形貌与AFM分析粗糙度的差异。 由 AFM 分析粗糙度的结果显示，可以很明显看到在蚀刻后平均粗糙度（Rms）从 10.7nm 降到 6.5nm。

▲图二：分别使用 SEM 与 AFM 观察 Y2O3 镀层在蚀刻前（a）与后（b）之表面形貌及粗糙度的差异。（Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc）

另外在镀层的开发研究中，可以藉由 X 光绕射（XRD）分析其镀层生成的结晶相，以及与晶粒尺寸大小的关系。 如图三（a）是用XRD 分析 Y2O3 镀层在不同温度的结晶性，另外藉由绕射峰的半高宽值（FWHM），计算晶粒尺寸得到图三（b）的统计趋势，可以看出晶粒尺寸是随着基板温度升高而变大，有助于提供镀膜速率与品质的控制。

▲图三：分析 Y2O3 镀层在不同温度上的结晶性与晶粒尺寸的关系。（Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc）

透过 XPS 分析成分变化，判断护层抗腐蚀与否

至于针对表层数十纳米深度的成分变化，可藉由 X 光光电子能谱仪（XPS/ESCA）分析其纵深及键结，以判断此表面形成的副产物之厚度及化学态，进而判断该材料是否具备抗腐蚀特性。 如图四为（a）Al2O3 与（b）Y2O3 这两种不同镀层在含氟基电浆蚀刻后表面XPS纵深分析的结果，明显地可以看到Y2O3 的表面 F 含量变多，有形成一层较厚的氟化副产物。

▲图四：Al2O3 与Y2O3 YOF 二种镀层在含氟基电浆蚀刻后表面 XPS 纵深分析的结果。（Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc）

另外也可以藉由高解析的 X 光光电子能谱仪（XPS/ESCA），来更精确地分析这层副产物键结的化学态，如图五分别是解析（a）镀层 Al2O3 的 Al2p 能谱与（b）镀层 Y2O3 的Y3d能谱的键结化学态，显示在含氟电浆蚀刻后的表面确实分别形成Al-F、Al-O与Y-F、Y-O的化学键结，在Y2O3 表层所含的Y-F键结量（红色虚线下的面积）明显是比Y-O的（绿色虚线下的面积）多，也说明了其氟化比是高于Al2O3 的。

▲图五：高解析 XPS 分析镀层 Al2O3（a）与 Y2O3（b）在含氟电浆蚀刻后其表面 Al2p 与 Y3d 的键结化学态。（Coatings 2020, 10, 1023 Seungjun Lee, etc）

护层表面副产物之厚度与成分分析

当然，如果进一步想要更精确地得知这层副产物的厚度、成分，则须采用TEM与EDS来进行高解像的微区观察与分析。 如图六为 Y2O3 镀层使用 SF6 电浆表面处理后的断面TEM微区观察，左图可看出在用SF6 电浆处理过的表面较致密，右图可看到在表层形成一层较厚的YOF层，推论这层会是抵抗后续含氟电浆蚀刻作用的最佳保护。 因此在最新抗腐蚀材料YOF的研究，其相关镀层技术也如火如荼的进行。

▲图六：镀层 Y2O3 使用 SF6 电浆表面处理后的样品断面TEM观察。（Coatings 2020, 10, 637 Wei-Kai Wang, etc）

此外，在后段制程设备中的化学机械研磨（CMP）也会影响产品良率。 当金属与介电层厚度尺寸更小、线路密集度更高时，CMP研磨蚀刻容易不均，进而形成残留物，发生电路漏电等异常现象。

因此在CMP阶段，需特别关注残留或微粒产生。 一般在CMP制程前后，可以藉由AFM来分析蚀刻变化或残留痕迹等，作为后续改善的参考依据。 如图七为密集的铜线路在经过CMP制程后，使用AFM量测分析研磨前后的变化，除了进行蚀刻率的分析外，亦可观察到研磨产生的微粒残留现象，这些都是提供CMP制程参数调整的重要指标。

综观以上各种不同制程阶段所需要的设备，均有相对应的材料分析工具可供解答，目的都是为了寻求最合适、最耐用的材料，促使先进制程设备达到零缺陷。

▲图七：金属铜线路在 CMP 研磨前（左）与后（右）的 AFM 分析结果比较。

关于上述大型设备零件的研究试样，通常都需要裁切成 10~20mm 左右较小的尺寸，方能送进真空分析设备（如 SEM、DB-FIB）进行观察分析。 iST 宜特材料分析实验室，针对尺寸为六吋以下如光罩的试样，均可直接进行DB-FIB的检测、断面、采样与成份分析; 此外，透过外部合作厂商，iST宜特材料分析实验室也可提供大腔体SEM分析服务，提供承载12寸的零件无需额外破片，即可直接检测，并同步进行EDS分析。