科创中国

问题描述

在集成电路（IC）制造过程中，很多工艺环节都会引入缺陷，需要对成套工艺进行缺陷检测，芯片节点尺寸越小，允许的缺陷尺寸就越小，检测灵敏度要求越高；随着新型复杂结构的出现，需要对缺陷进行精细化三维检测；同时越来越多新材料的引入使缺陷成分及种类急剧增加，缺陷的识别成为新的挑战。检测设备占集成电路产线投资的15%，目前，集成电路缺陷检测设备几乎全部被美国控制，我国在集成电路国家重大专项的支持下，在缺陷检测原理和单项关键技术方面取得了若干突破，已经具备一定的基础，但仍存在巨大差距，总体落后国际先进水平15-20年。因此，解决集成电路制造成套工艺缺陷在线检测难题已迫在眉睫，应将其上升为国家战略，从政策、资源、产业等方面统筹协调和规划布局。

问题背景

缺陷是制约20nm及以下制程芯片良率提升的关键。IC制造过程中光刻掩模版制造、晶圆制造、清洗、抛光、研磨、涂胶、刻蚀等工艺环节都会引入缺陷，同时，随着越来越多的材料如Si3N4、石墨烯、Ge及III-V等被引入到IC制造的不同环节中，导致缺陷成分及种类增多，因此需要对缺陷及其成分加以严格检测。当前，三星和台积电已率先实现7nm节点量产和5nm节点准量产，其中检测灵敏度与节点尺寸相当的缺陷在线检测技术与设备发挥了至关重要的作用。同时缺陷在线检测设备还需要满足量产速度，这对IC制造缺陷检测提出了空前的挑战。 缺陷检测主要包括掩模版缺陷检测和前道工艺晶圆缺陷检测。先进的光刻始于表征良好的掩模，掩模版是芯片制造的“模子”，掩模缺陷通过光刻批量复制到芯片上，掩模版要求“零”缺陷。7nm节点极紫外（EUV，波长13.5nm）光刻掩模版采用反射式纳米多层结构，基底缺陷使多层结构产生畸变，高度或深度为1nm的多层畸变可产生与光刻波长相当的波前相位差，因此EUV掩模版缺陷检测灵敏度在高度方向要求达到原子级（1nm左右），等效缺陷检测灵敏度要求达到10nm量级。EUV掩模缺陷检测需要使用基于极紫外光源的Actinic检测技术，这项技术只有少数发达国家掌握，对我国实行严格技术封锁；前道晶圆（裸晶圆/有图形晶圆）缺陷产生于光刻前后，其检测灵敏度需要与晶体管关键尺寸相当，7nm节点缺陷检测灵敏度要求达到10nm以内，这已经超过了目前光学检测的分辨率极限；同时在线检测速度需要满足量产需求，根据Intel发布的需求数据，标准商用EUV掩模版检测速度1片/h，7nm节点裸晶圆检测速度为26片/h，有图形晶圆检测速度为1片/h。 我国IC制造过程中的缺陷在线检测设备落后于国际1-2代，研究基础薄弱，自主知识产权和技术积累很有限，关键检测设备如EUV掩模版的缺陷检测设备以及10nm以下的前道缺陷检测设备长期空白，落后国外20年，这种局面极大地限制了我国IC制造水平的提升。 在上一代国家IC制造02专项中，缺陷在线检测设备的研发投入相对较少，我国在该领域存在明显短板，缺陷检测设备是我国半导体产业链中最薄弱的环节之一，研发IC制造缺陷高灵敏度在线检测技术与设备迫在眉睫。

最新进展

在7nm节点尺寸IC缺陷在线检测领域，光学检测主要采用多通道激光散射和更短波长照明技术，结合先进的信息处理技术进一步提高缺陷检测灵敏度。该类缺陷检测设备主要被美国KLA-Tencor、德国Zeiss、日本LaserTech等国际大公司垄断。上述公司在技术上还不断创新，在前道晶圆检测方面，美国KLA-Tencor公司几乎垄断了所有检测设备，在技术上KLA-Tencor主要采用明/暗场相结合的方法，并结合一系列创新算法使缺陷在线检测灵敏度达到10nm以内，图形晶圆检测速度1h/片，裸晶圆检测满足量产速度要求；在EUV掩模版缺陷检测方面，德国Zeiss公司采用AIMS系统并结合极紫外照明Actinic 及明场成像技术对极紫外掩模板缺陷进行在线复检，复检速度1片/h；在EUV掩模基板缺陷检测方面，日本LaserTech公司利用极紫外照明及基于Actinic暗场检测技术，实现对高度为1nm、等效直径为11nm的极紫外掩模衬基缺陷的快速检测，检测速度45min/片。国内在极紫外掩模版缺陷检测技术和设备方面长期处于空白状态，在前道晶圆缺陷检测方面，仅有深圳中科飞测公司提供相关设备，检测灵敏度为28-40nm节点，该设备采用深紫外激光散射扫描的检测方法，尚未进入产线应用阶段。20-14nm节点前道晶圆检测目前仍处于国家专项研发阶段，7nm节点的集成电路制造缺陷在线检测设备仍处于空白状态，在线检测速度也落后于国外对应产品。 缺陷在线检测技术及设备面临空前挑战。缺陷检测在满足量产速度的同时，还需要满足高灵敏度要求。EUV掩模版缺陷高度检测灵敏度需要达到原子级，等效检测灵敏度要达到10nm以内。EUV掩模缺陷需要利用Actinic方法进行检测，我国在这方面的技术储备为零。前道晶圆缺陷检测需要满足7nm以内检测灵敏度，裸晶圆检测速度26片/h，有图形晶圆1片/h。AFM和SEM虽然具有较高的检测灵敏度，由于检测时间长、操作流程复杂、体积庞大、成本高，无法满足量产速度。光学检测的速度能满足量产要求，但进入7nm及以内节点其检测灵敏度已超过分辨率极限；同时，缺陷成分在线检测技术在全球范围内仍处于研究探索阶段，尚未出现相应的检测设备，随着IC制造中越来越多新材料的应用，缺陷成分检测需求将大大增加。

重大意义

集成电路领域是国际科技竞争的主战场和大国博弈的焦点，对于集成电路缺陷检测技术及设备，一方面现有最先进技术设备被少数发达国家垄断，对我国技术封锁；另一方面，世界范围内7nm及以内节点的缺陷在线检测技术仍未成熟，设备缺口仍然巨大，谁率先掌握了相应关键技术，谁就掌握了未来主导权，这对我国来说既是机遇又是挑战。因此，突破下一代节点集成电路制造缺陷在线检测技术，不但可以打破以美国为首的技术封锁，解决“卡脖子”难题，还将提升我国制造业整体水平，为交叉领域科技发展产生重大影响力和引领推动作用，同时带来巨大经济效益和国际影响，占领国际竞争至高点。