在進階微影度量中,散射測量臨界尺寸(Scatterometry Critical Dimension,SCD)為一種用於控制製程時常見的度量方法,具有回報諸如臨界尺寸(CD)、光阻側壁角(Side Wall Angle,SWA)與光阻高度(Height,HT)等精確資料資訊的能力。

光阻的形狀與線上製程控制因子(process controller)相關,也就是掃描機焦點與劑量(dose);但是SCD既然是一種以模型為基礎的度量方法,為解碼製程控制因子,需要來自幾何模型的計算。當模型從光譜中擷取出光阻形狀的資訊後,為監測目的,會需要這些幾何參數與製程控制因子之間的進一步關聯性,因此在多重建模過程中遺失的資訊變成為一大隱憂;在資料轉換過程中,雜訊與模型的近似值會扭曲訊號,換句話說,可能無法準確測量關鍵參數、焦點與劑量。

為此本研究試圖尋找以最低量資訊轉換方式來監測焦點與劑量的度量法。訊號回應度量(Signal Response Metrology,SRM)是一種新的測量技術,透過將焦點、劑量或CD與以SCD為基礎的度量工具之光譜回應做出關聯,來避免幾何建模的需求。

為何需要光阻監測?

由於各類元件對製程微縮的持續需求,微影技術在現今的半導體產業扮演關鍵角色;若要產出最佳的線路解析度,掃描機必須精確嚴密地控制焦點與曝光,這兩項關鍵因素決定了顯影後的光阻截面輪廓(photoresist profile)。

為調整製程目的,劑量可藉由加強或減弱能量來控制線路/空間尺寸。較強的光源劑量將提供更多能量,並促使更多酸(H+)在阻劑中生成;因此顯影後的線路間空隙會較大;相反地,降低劑量則會縮小線路間距,因此線路間的空隙也會較小。

諸如SD與CDSEM等的度量工具,則用來研究線路與間隙如何受到劑量變化的影響,且多半用來調整製程;但資料顯示,晶圓遠端邊緣的晶粒通常擁有較大的光阻臨界尺寸變異,並呈現與晶粒最終良率的強勢關聯性。

猜測其根本原因若不是來自掃描機階段,就是之前的某些沉積階段──例如晶圓平面度或薄膜均勻度常造成問題的薄膜沉積階段;以上兩種原因都將導致晶圓彎曲,且其結果則是在晶圓中央與邊緣出現不同的曝光條件。有一些假設指出晶圓邊緣晶粒最高有10%的良率損失,原因即來自於此問題。

本文將著重於如何透過提供掃描機焦點量測與實際曝光於晶圓片上的劑量量測,潛在提升晶圓遠端邊緣晶粒良率;此測量技術能進一步推動掃描機在生產過程中的焦點與劑量校準。

KLA-Tencor在過去15年來為半導體產業IC元件的CD與外觀形狀量測,提供利用橢圓偏光法(spectroscopic ellipsometry)以及反射法(reflectometry)的SCD度量工具;其SRM測量方法除了是SCD技術的擴展,同時也因為直接使用來自晶圓的訊號,而與以模型為基礎的SCD有所區隔。SRM可以在KLA-Tencor的SpectraShape 9010 SCD度量系統上使用來自不同頻道的訊號;除了不同的訊號,也可以分析多種量測標的,從底層來提升訊號並消除雜訊。

SCD與SRM的差異

散射測量是監控半導體製程的常用方法,其優勢顯而易見,包含非破壞性、高產能與良好的精確度;由於SCD是以模型為基礎的度量,因此需要幾何模型以完全瞭解其正在測量的結構。SCD所監測的多數尺寸皆為幾何參數,例如CD、SWA、HT、隔離層厚度、溝槽深度等等。IC製造商可以使用這些形狀參數,以便透過分析測量資料以及相關製程節點,以期改善製程。

SRM則是一種基於KLA-Tencor散射量測儀所開發的新應用;與SCD相較,SRM可以被歸類為無模型度量。不同於SCD,SRM不需要建立幾何模型,其第一步驟是將一組收集到的訊號,透過主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),從晶圓訓練資料集(wafers training set)轉換成較不具關聯性的資訊;接下來的步驟則是定義函數,並將製程控制因子關聯至已轉換的訊號上。最後,此映射函數可以安裝至類似於光學薄膜或光學CD模型的工具上。

PCA是一種統計過程,利用正交轉換將一組可能關聯變數的觀察,轉換為一組線性非關聯變數的數值,稱之為主成分(principal components);主成分的數量為少於或等於原始變數,此種轉換將造成第一個主成分會擁有最大可能變異數(即在資料中佔據盡可能多的變異),且後續成分將依次序擁有最高可能變異數,限制條件是其必須與前述成分呈直角(即不關聯)。

主成分呈直角的原因,在於它們是共變異數矩陣(covariance matrix)的特徵向量(eigenvector);該矩陣是對稱的。PCA 對原始變數的相對比例(relative scaling)敏感。

曝光關鍵因素與驗證方法

光微影技術(photolithography)是半導體生產的重要製程,該步驟將在蝕刻之前決定線路的尺寸,因此將決定圖樣解析度;掃描機中有數個連續步驟,包含塗佈光阻、軟烤(soft baking)、曝光、曝光後烘烤、顯影與硬烤(hard bake)。在掃描機中完成製程後,晶圓則被送往光阻去除與蝕刻。在本論文中採用了使用正向光阻的進階微影步驟,用以展示SRM的能力。

在曝光步驟中有兩個關鍵因素,其一是焦點,另外一個則是劑量;掃描機使用者通常應以筆直的側壁來曝光不透光體,因為散焦確實會造成瑕疵。若光阻側壁角度大於90°,則顯影後的光阻可能會崩潰;而若光阻側壁角度小於90°,則有非完全曝光光阻的潛在風險。若要控制光阻的截面輪廓形狀,焦點便是首要因素。圖2顯示了焦點如何在曝光後影響不透光體。

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圖1 從光微影技術到蝕刻的簡化步驟。



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圖2 焦點對光阻的影響。



除了形狀以外,IC製造商也相當關心線路間距尺寸;尺寸主要由光罩設計來決定,但是UV光的能量則是決定曝光後最終寬度的關鍵因素。化學放大光阻自從掃描機技術進展到DUV(λ< 248nm)後就獲得採用。在DUV曝光之後會生成光酸(photo-acid),接著在曝光後烘烤時,熱度會觸發光酸擴散,並進一步放大催化反應。DUV劑量越大會生成越多光酸,導致在曝光後階段有更多光阻顯影。

不受控因素與補償機制

解析度如下方方程式所示:

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公式1



焦深(depth of focus,DOF)則如下列方程式定義:

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公式2



業界由於需要更高解析度來降低印製線路的尺寸,因此希望尋找更短波長與更大數值孔徑(numerical aperture,NA),兩種改變皆導致DOF目的的降低;DOF愈低,則在光阻中心獲得焦點的難度也愈高。雖然新進的掃描機使用浸潤式微影來改善解析度並提高DOF,但是晶圓平面度仍然是個重要議題。

晶圓彎曲有數種原因,包含微影以及先前步驟的溫度改變、載台傾斜(tilt chuck)或薄膜沉積變異等,都可能導致某種程度的彎曲。隨著DOF縮小,晶圓平面度的變化也成為散焦(defocus)的根本原因。另一個晶圓彎曲的後果是線路與間距無法依預期尺寸進行曝光,如圖4所示。

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圖3 光微影技術的劑量結果。



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圖4 晶圓彎曲影響線路尺寸。



整個晶圓片的均勻度也是IC製造商的關心重點之一;雖然現代掃描機具備可以偵測晶圓表面的雷射,且具有某些可以更加改善Z位置的機制,但是晶圓整體上仍看得到差異。

改善以模型為基礎的度量方案

為驗證掃描機在焦點與劑量方面的曝光成果,微影模型多半採用矩陣晶圓來進行試驗;與半導體的其他製程不同的是,微影可以善用小尺寸標線(reticle),並以不同焦點與劑量依次曝光各個場域(field)。

常使用的晶圓矩陣包含以下三種:1.焦點矩陣 (Focus matrix,FM);2.能量矩陣(Energy matrix,EM);3.焦點/能量矩陣(Focus/Energy matrix,FEM)。FEM晶圓常被用來決定最佳焦點與製程容許範圍(process window)。在發展出FEM晶圓之後,微影工程師們使用SCD工具來測量光阻CD與SWA,接著透過分解幾何測量來收集焦點與劑量資訊。

但是在焦點與劑量如何影響光阻劑的截面輪廓方面,兩者之間卻存在互動。換句話說,焦點與劑量會改變光阻截面輪廓出現複雜的幾何形狀。圖6顯示了KLA-Tencor運算微影(computational lithography)軟體的模擬結果,以及焦點與劑量的變化如何在實際上影響光阻的形狀。

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圖5 光阻變化的OCD模型。



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圖6 顯影後的光阻截面輪廓模擬。



若要使SCD正確地透過截面輪廓變化來追蹤焦點與劑量變化,則需要包含數個梯形分解的複雜建模製程。但是此方法卻大幅提高參數之間的關聯性以及低敏感度問題,不利於模型的整體能力。若使用SRM監測焦點與曝光,由於不再需要幾何模型,能讓微影與度量工程師們克服以上困難。

實驗與資料示範

為展現SRM的能力,以下設計了一個 進階微影步驟層級的實驗(表1);準備四片FEM晶圓與五片POR (process of Reference)晶圓,並在Spectra-Shape 9010上進行量測。

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表1 SRM實驗的晶圓條件。



表2為五片POR晶圓的CD與CDSEM平均比值;SRM參數經過4片FEM晶圓的CDSEM量訓練,達成了絕佳的R2與線性斜率(各為0.98與1.1)。

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表2 SRM與CDSEM關聯性結果。



圖7是兩張等高線圖;左邊顯示了輸入至掃描機參數中的焦點,右邊則是以SRM 參數進行的晶圓測量結果,我們可以清楚看到左側邊緣上的焦點轉移,進一步確認了此溝槽上確實發生了散焦。

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圖7 左側的等高線圖為來自掃描機輸入的焦點,而右側的等高線圖則為SRM焦點量測結果。



為了進一步驗證SRM焦點監控能力,在實驗中量測了五片POR晶圓,達成在平均晶圓上與焦點標稱值的絕佳R2與線性斜率(各為0.98與0.91)。

圖8為利用SRM(經過標稱劑量資訊訓練)所測量出的劑量,以及由SRM(經過實際CDSEM量測訓練)所測量出的五片POR晶圓CD;可以清楚看到CD測量值與劑量的關聯性,較小的光阻尺寸對應到較大劑量。

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圖8 POR晶圓以SRM量測的劑量與CD。



CDSEM的CD量測通常被用來決定製程的最佳焦點,但這種度量相當耗費時間,且受到CDSEM精確度的限制。舉例來說,在製作新產品時,工程師必須以CDSEM量測晶圓,接著繪製Bossung圖以便決定最佳焦點;這種方法有一些缺點,主要來自CDSEM量測的不確定性。

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表3 POR晶圓焦點與SRM以及標稱輸入值的關聯性。



表4為分別利用SRM與CDSEM進行的最佳焦點追蹤與標稱值的比較;圖9則是最佳焦點比較以及標稱值目標的直方圖,顯示了晶圓片最佳焦點明顯更接近標稱絕對測量值以及誤差的降低。

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表4 左側為SRM最佳焦點追蹤,而右側為CDSEM最佳焦點追蹤。



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圖9 CDSEM與SRM在FEM晶圓上的最佳焦點測量直方圖。



結論

如前面所述,SRM能提供與製程控制因子絕佳的關聯性;下一步則是開始運用焦點與劑量的可校準性,以自動微調線上製程參數。如圖10列出五片POR晶圓焦點與劑量的平均誤差,一旦掃描機可以接受此類可校準性,就可以達成改善晶圓片上各場域焦點與劑量之目的,最終帶來更佳的臨界尺寸均勻度。

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圖10 左為掃描機所產生的平均焦點誤差,而右邊則是掃描機產生的平均劑量誤差。



對現今的半導體製造領域來說,改善現有掃描機性能是當務之急,而SRM技術帶來的新功能,能直接監測並校準諸如劑量與焦點等製程控制因子,而無須牽涉到幾何建模。