[发明专利]使用在线纳米探测的贯穿工艺流程的芯片内和芯片间的电分析和过程控制

说明书

一种用于在半导体晶圆上执行在线纳米探测的系统。晶圆支架或垂直晶圆定位器附接到晶圆台。SEM柱、光学显微器和多个纳米探针定位器都附接到顶板。纳米探针定位器具有被配置为物理接触晶圆上所选择的点的一个纳米探针。当探针物理接触晶圆时，力(或触摸)传感器测量由探针施加到晶圆的接触力(或力矩)。多个漂移传感器被提供用于在测量期间实时计算探针相对于晶圆的对准漂移。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2014年6月25日提交的、序列号为62/016,650的美国临时申请的优先权，该申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明属于半导体制造领域，并且更具体而言，经由晶圆级工艺监测的纳米探测来实现电气测量以完成在线监测、缺陷复检以及工艺控制。

背景技术

工艺工程师试图获得与他们构建的器件和电路有关的尽可能多的信息。器件信息可以分为两组：物理特性和电气特性。电气特性给出了所制造器件的最终性能，如果这些符合设计，则实际上不需要其他的来进行工艺监测和控制。当然，如果工艺从未随着时间而中断或偏移，则电气特性就足够了。然而，当工艺中断或偏移并且工厂产量下降时，工艺工程师需要执行故障分析(FA)以研究故障并找出哪个工艺失败。在这一点上，物理特性(例如，临界尺寸(CD)、膜厚度和均匀性、化学成分、界面等)的获知突然变得重要。工艺工程师需要研究工艺在哪个具体步骤失败。常常使用对器件的物理建模，以便理解电气属性对器件的物理参数和工艺公差的依赖性。这个经典的方案很多年来工作得很好。然而，最近这个方案开始失效，并且由于增加的制造复杂性，预计该方案的失效率将增加。

在当前和未来的芯片中，内部器件与原子尺寸变得相当。这意味着表面和接口对器件性能会产生显著的影响。大型材料模型并未很好地描述器件电气性能对尺寸、材料成分(例如，掺杂、Si氮氧化物、Hf氧化物等)和物理特性的依赖性。此外，尺寸计量和物理表征的精度也降低。因此，产量和工艺工程师在他们可用的物理和尺寸信息越来越少的情况下，面临着找到故障根本原因的新挑战。

为了解决这个问题，工程师必须使用越来越多的器件本身的电气特性。不幸的是，电气数据仅在形成至少一个互连级时才可用。在大多数情况下，电路的关键元件仅可以在构建了若干层互连件之后才可以被测试。这花费时间和资源，并且常常导致许多昂贵的晶圆废弃。

当前，没有前端在线工艺监测是电气的。实际上所有的电气测量都至少是在第一金属完全被制造之后(即，在后端制造期间)进行的。这在工艺中太晚了，因为到那个阶段已经完成了制造芯片的功能器件(例如，晶体管、存储器单元等，通常被称为前端)所需的所有过程。如果在前端制造步骤期间出现了问题并且在该时间段内未检测出问题，则会废弃许多晶圆。问题发现的越早，预期的损失就越少。当前的前端监测工具常常找出不会影响电气性能的缺陷并且在其它情况错过不会影响性能的缺陷。完全“杀死”器件的缺陷被称为“杀手缺陷”。作为规则，它们仅在IC被完全制造和电测试之后被发现。在可以在物理故障分析(PFA)中识别出“杀手”之前，有缺陷的IC经历故障隔离和纳米探测。如果在工艺流程中早期进行电测量，那么这些“杀手”中的许多和性能缺陷将被提早发现。因此，电纳米探测的对称传导和在流程中的早期进行能够早期地捕获(新的)“杀手”缺陷并防止晶圆废弃。

在实践中，专门使用经设计的测试结构来执行电测试，其中几乎所有的电测试结构都位于切割线上因为IC基板是非常昂贵的，尤其是在生产芯片方面。然而，在本领域中对于技术人员已知的是器件的电特性取决于特定布局(微负载效应)并且还跨管芯/芯片变化(宏负载效应)。处于切割线上而并不是真实芯片的测试结构不会正确地反应芯片内真实器件的电性能。因此，受到微负载效应和宏负载效应对电特性的影响的电气性质的内部芯片分布仅是未知的。