隨著新技術的進步,對關鍵蝕刻步驟中可以產生影響的參數進行全方位的監控變得日益重要,同時,也可以對這些參數進行調節,並以此提高晶圓內的均勻性和晶圓的邊緣良率。出於這一考慮,本文設計了「測量重要參數」的深入研究,以便在實際製程條件下採用KLA SensArray EtchTemp-SE(ETSE)晶圓對靜電吸盤(ESC)進行溫度測量,為了再現生產製程中晶圓的實際溫度條件,ESC溫度曲線是在電漿製程啟動狀態下的300mm晶圓上測量。本文將該溫度分佈圖與對照組(電漿關閉狀態下的靜態ESC溫度)進行比較,並將該資料用於研究腔體與腔體之間的匹配,此外,透過對ESC溫度和線上光學量測之間的相關性研究,為採用設定溫度作為製程調節手段提供了明確的方向。

隨著半導體節點的發展和特徵尺寸的縮減,每個可調製程參數對於全面表徵,深入理解各個製程參數與良率的相關性就變得更加重要。對於任何一個批量製造的生產商,監測製程關鍵蝕刻步驟中的溫度,並用以改善晶圓內的均勻性,以及晶邊良率問題十分必要。ETSE測量晶圓(圖1)可用於在完整製程條件下對晶圓的表面溫度進行測量,採用該技術不僅可以對機台硬體匹配進行監控,也可以監控匹配度受到溫度影響的製程條件。在Globalfoundries的Fab 8車間,這些ETSE晶圓被用於測試ESC設定溫度變化的響應性,以及在製造製程和關鍵的蝕刻步驟中,該變化與CD和凹槽深度尺寸的相關性。

20190508TA31P1 圖1 SensArray EtchTemp-SE晶圓及其工作原理的示意圖。

在Globalfoundries的Fab 8中,ETSE溫度測量晶圓被用於對14nm FEOL關鍵蝕刻製程的溫度進行研究,因為該製程對良率有著直接的影響。具體來說,本文設計並執行了以下三項調查。首先,透過調節四個製程腔體中的晶圓溫度,在ETSE晶圓的中外環區和外環區針對ESC設定溫度的響應進行測試;其次,在開啟電漿蝕刻條件下,對這一關鍵點,四個腔體之間溫度匹配進行測量研究;第三,詳細研究晶圓-區域的晶圓溫度與關鍵的製程參數(包括凹槽深度和CD)之間的相關性。調查結果表示,ETSE晶圓的溫度監測能夠使得ESC分區域溫度控制成為良好的調節手段,並用以提高晶圓內均勻性和晶圓邊緣良率。

採用ETSE晶圓的測試

ETSE晶圓對ESC設定溫度的響應

為了測試ESC的設定溫度,以及晶圓溫度對這些設定的響應性,本文採用了兩個不同的製程腔體(稱為PM1和PM2),並採用了四個不同的設定溫度來測試溫度晶圓。PM1的溫度以1℃為單位逐步降低,PM2的溫度則以1℃為單位逐步升高。採用KLA SensArray晶圓的測量資料繪製成溫度分佈圖,並且對晶圓外環區和中外環區的平均溫度進行分析,這近似於量產晶圓的外環區或邊緣區域。測試結果(圖2)顯示ETSE晶圓在中外環區和外環區對於ESC設定溫度都分別有著很好的相關性:PM1的外環區的相關係數R2 =0.9979,PM1的中外環區相關係數為0.9981,PM2的外環區相關係數為0.9979,並且PM2的中外環區的相關係數為0.9986。

20190508TA31P2 圖2 ESC吸盤DOE與調製晶圓邊緣溫度——晶圓溫度對ESC的設定溫度有良好的響應。PM1的外環區相關係數R2 = 0.9979,PM1的中外環區相關係數為0.9981,PM2的外環區相關係數為0.9979,PM2的中外環區相關係數為0.9986。

圖3顯示了對吸盤溫度變化的響應。晶圓的溫度與吸盤的設定溫度之間的差異在晶圓外環區中始終為~+1.5℃,在中外環區為>1.0℃;這是因為晶圓邊緣處的電漿差異而導致的溫度增加。晶圓分佈圖很直觀地展示了調整吸盤上的加熱器時晶圓溫度如何變化;線性回歸顯示了溫度調節與晶圓溫度之間明顯而直接的相關性,以及機台硬體可用於消減腔體匹配中溫度差異的能力。

20190508TA31P3 圖3 ETSE晶圓的熱分佈圖顯示晶圓的外環區對於吸盤溫度變化之響應。

該測試顯示,ETSE晶圓在溫度測量中可以可靠地用於以下兩項研究:腔體溫度匹配,以及溫度與CD之間的相關性。

腔體溫度匹配

為了測試在同一台蝕刻機台上各個腔體之間的溫度匹配,在開啟電漿蝕刻的製程狀態下,四個腔體PM2、PM3、PM4和PM5的溫度軌跡被採集下來,並分別繪製成四個腔體的晶圓分佈圖以進行匹配研究。

在圖4中可以看到四個不同PM的初始溫度資料的採集結果。這些圖顯示了在電漿開啟狀態下四個不同PM的晶圓溫度,從圖中可以看出,PM2和PM3顯示出良好的相互匹配,PM4比基線更冷,而PM5更熱。了解到這個訊息,本文將PM4中的溫度以1℃為單位升高了4度並在每提高一度時進行測量,而PM5中的溫度則以1℃為單位逐步降低4度並在每降低一度時進行測量。在SensArray晶圓資料生成的分佈圖上可以看到晶圓的平均溫度和外環區的溫度。

該測試顯示了ETSE晶圓用於評估腔體溫度匹配的能力。

20190508TA31P4 圖4 開啟電漿狀態的四個蝕刻製程腔體的ETSE熱分佈圖。雖然PM2和PM3顯示出良好的匹配,但PM4和5顯示出不匹配。PM4較冷,而PM5比基線更熱。

溫度和關鍵尺寸之間的相關性

為了研究CD和凹槽深度測量值與溫度的相關性,在量產晶圓即將通過某PM之前不久對該PM的溫度進行監控,然後採用光學關鍵尺寸(OCD)量測機台測量CD和凹槽深度的數值。帶有X和Y坐標的原始資料被用於分析比較,同時,在相同的機台硬體控制溫度的區域內,對CD和凹槽深度位置進行分析。依照ESC的控制區域,繪製各個區的溫度相對於CD或凹槽深度的關係,並相應地做出線性回歸分析。

在晶圓-區域的水平上,相關性分析被劃分為四個區域:內區、中內區、中外環區和外環區,圖5顯示了這些區域的劃分。相關性之所以如此劃分是因為能夠在這些區域中對吸盤的溫度進行調整。ESC可以對這些區域進行獨立的溫度設定,因此對每個區域進行資料分析,以便分別調整其溫度。在圖6中可以看到CD的相關性結果。在外環區和內區中可以看到最佳的相關性,其R2值分別為0.7和0.81。反向關聯說明,隨著晶圓越來越熱,CD尺寸越來越小,這可能會導致潛在的特徵尺寸差錯並最終形成良率問題。利用該訊息,可以使用吸盤外部的溫度控制以調節吸盤溫度,並進而調節製造製程中的CD。

20190508TA31P5 圖5 用以與CD和凹槽深度相關聯的區域,這些區域對應於蝕刻製程機台硬體中溫度可調控的區域。

20190508TA31P6 圖6 區域分析——四個區與CD的溫度相關性。中外環區(R2 = 0.8312)、內區(R2 = 0.8103)和外環區(R2 = 0.6871)的相關性最強。

在晶圓區域的水平上,圖7顯示了與凹槽深度相關的結果。出於相同的原因,該相關性與CD相關性研究一樣被劃分為相同的四個區域。在外環區、中內區和內區可以看到直接而強烈的相關性,R2值分別為0.89、0.83和0.69。直接相關意味著隨著製程溫度的升高,凹槽的深度也會隨之增加。該資料對於控制製程模塊中的溫度至關重要,並且提供了可用於控制矽蝕刻中凹槽深度的一個調節手段。利用控制晶圓外環區的溫度,凹槽深度得以調整併滿足晶圓廠的需求。這與第一項實驗的溫度調變結果一起,可以確信溫度的設置正確,並可以獲得量產中的最佳製程設定和最高的良率。

20190508TA31P7 圖7 區域分析——4個區域溫度與凹槽深度的相關性。外環區(R2 = 0.8912)、中環區(R2 = 0.8329)和內環區(R2 =0.6904)的相關性最強。

結論

透過採用KLA的EtchTemp-SE晶圓,本文研究了ESC區域溫度與關鍵蝕刻製程之間相關性,結果顯示溫度晶圓是溫度測量和監測的可靠工具。EtchTemp-SE晶圓能夠評估腔體溫度不匹配的程度,並為蝕刻機台腔體的溫度調節提供指導方向。最關鍵的是,EtchTemp-SE晶圓讓ESC區域溫度控制能夠發揮作用,在蝕刻製程中成為控制CD和凹槽深度的重要調節手段。

— 本文作者:Fang Fang、Alok Vaid、Alina Vinslava、Richard Casselberry、Shailendra Mishra、Dhairya Dixit、Padraig Timoney,Globalfoundries;Dinh Chu、Candice Porter、Da Song、Zhou Ren,KLA