Optical CD Metrology & the Metro450 ProgramShay Wolfling, PhD, Chief Technology OfficerJanuary 23rd, 2014

OUTLINE

Nova Introduction

OCD Metrology Introduction

OCD Related Challenges in Advanced Tech Nodes

Metro450 and EEM450PR Collaborations

Summary

2

Founded in

1993

Employees

380

IPO in

2000NASDAQ (NVMI), TASE

HeadquartersRehovot,Israel

Global Presence

Active install base over

1300systems

Nova at a Glance

3

Pure player in optical metrology for semiconductor

Strong financial indicators to support sustainable growth

Leading the emerging metrology Markets – TSV , Process monitoring

Versatile product portfolio to answer advanced metrology requirements

Continuous R&D investment to match customers’ roadmap

Nova’s Fundamentals

4

What is Nova Doing?Optical metrology & process control of semiconductor manufacturing, by measuring critical‐dimensions, using spectral reflectometry

Hardware: Multi‐Channel Spectral 

Reflectometry

Output: Various spectra

High‐Power Computation for advanced model‐fitting

Result: full “device model”

5

Profile metrology of critical device dimensions, by optical techniques

What: Dimensions, thicknesses and optical properties

Why: Correlate to final performance and improve process  How: Optical Scatterometry 

Optical CD (OCD) Metrology

Same View Using Optical CD

22nm Tri‐Gate viewUsing Electron Microscope

Optical Scatterometry

6

What is Scatterometry (Spectral Reflectometry)?  

Optical metrology for measuring small periodic structures 

Configuration: ‐ Illuminate the sample (wafer)‐ Interference in the sample ‐ Collect reflected (scattered) spectra

Reflected light contains information about sample shape & materials 

Shape details are extracted by fitting a “physical model” of the device to the measured spectra

Can detect sub‐nm changes in repetitive structures

Light Source

Spectral Analyzer

Wafer

RotatablePolarizer

λ

7

Modeling: From Spectrum to Device DataFitting a modeled spectrum to a measured spectrum

Periodic Structure

Actual Sensor

Parameterized Profile Model

CalibratedSensor Model

ModelMeasurement

Difference > 

Tolerance

Compare

Report Profile Parameters

Update Profile Parameters

No

Yes

8

Advanced Tech‐Nodes: OCD Challenges Continuous shrink 

‐ Driver: Power, speed & cost ‐ Performance specifications shrink  Precise Metrology and more sampling

Vertical integration – device complexity:‐ Drivers: Higher Density; Better performance per unit power‐ Devices: FinFET (Logic), Vertical NAND (Flash Memory)‐ Challenges: More parameters, High correlations

Novel material & technologies:‐ Drivers: Increased mobility (Speed & Energy saving)‐ Challenges: Complex & varying optical properties

Tighter process spec and shorter time to Metrology:‐ Measure “Closer to the Process”

IntegratedMetrology

9

450 Collaboration to Answer The Challenges

Challenge Collaborative Activity

Continuous ShrinkSmart sampling (Metro WP #2) 

Unique Test & Calibration Targets (Metro WP #4; 450PR  D.6.3.1)

Device Complexity  Fast Data collection & Processing (Metro WP #5; 450PR D.6.1.1)

Novel MaterialsUnique Test & Calibration Targets (Metro WP #4; 450PR  D.6.3.1)

Fast Data collection & Processing (Metro WP #5; 450PR D.6.1.1)

Tighter specs & Shorter Time

Metrology closer to the process – Integrated Metrology & Self Diagnostics

10

Collaborative work:‐ Set of generic  “metrology” algorithms‐ Examine new HW architectures ‐ Demonstrate improvement in computation power 

New architectures proved better than traditional solutions. The set of algorithms is now extended and new architectures are being considered

The work is done in collaboration with the Technion, AMIL, Intel, Jordan valley Mellanox as well as TNO in EMM450PR

Fast Computation Challenge

11

OCD Challenging Future Applications in the 450mm Era

Customer targets are sensitive to system parameters Need to “calibrate” various system elements:

‐ Target sensitive to focus‐ Target sensitive to XY position‐ Target sensitive to Azimuth‐ Target sensitive to Tilt

Develop wafer with unique test targets to separate tool issues from sample / application problems

Calibration Wafer / Targets

12

Calibration Wafer / Targets @ Metro450

Mask design

Target design Target image 

after production

13

Drivers:‐ Tight process specs‐ Higher wafer cost‐ Wafer‐shift complexity and risk,

Need: closer “interaction” between metrology and process tools Implications:

‐ Metrology closer to the process ‐ Integrated Metrology & InSitu Metrology‐ Requires Standardization in 450mm‐ Autonomous tool Data integration – Ability to receive and analyze, on‐the‐fly, data coming from external sources along the fabrication process and turn it into capability to improve process control

Self‐Diagnostics – Integrate tool’s sensors information into useful data to better monitor tool health (diagnostics), and improve its quality

To be addressed in future activities 

Process & Metrology

14

OCD will remain a significant metrology in the foreseeable future

Key challenges of OCD increase with the advancement of the technology node, and further increase with the move to 450mm

Joint work in the Metro450 and EEM450PR helps alleviate some of these key challenges in the pre‐competitive stage

Collaborative work with leading metrology companies and advanced academy researchers is essential in order to prepare for this industry infliction point

Summary

Thank You