测量
晶片级测量扩展了 45 纳米处的工艺应用 Paul MacDonald、Greg Roche、Mark Wiltse - KLA-Tencor Corporation
包括 KLA-Tencor 的 Integral™ SensorWafers™ 在内的仪器晶片正越来越多地用于优化、故障检修和监控许多不同的 工艺应用。这些专用衬底含有全部的测量仪器，可提供高精度、按时间顺序的测量，以显示晶片对动态工艺环境的 响应。
不断减小几何尺寸的趋势结果之一是需要将实时工具数 1
物理蒸气沉积 (PVD)：铜阻障层／籽晶层采用温度的室匹配
据与其他形式的测量数据结合起来。 半导体工业采用与
在半导体金属化系列中增加铜之后，需要仔细注意籽晶
工艺工具的关系来定义测量数据。离线（远离）、在线
层和阻障层的生长。在对沉积温度的监控减少之后，无
（附在前面或后面进行测量）和原位（集成，用于加工
线传感器晶片成为了表现这些工艺特性的一种可行方
期间的测量）。从 2007 版开始，“离线／在线／原位测
法，可提供室匹配的手段。
量”的主题分类将会包括在 ITRS 测量和工厂集成部分 针对各种射频功率与卡盘温度条件，对两个生产铜籽晶
中。2
室进行了调查。3 对室温、低温和超低温阴极条件下的矩 仪器衬底跨越了上述类别，因为它们从工艺内部收集实
阵进行了低、高功率条件的评估。图 1a 和 1b 中描述了
时信息（原位），同时又有空间信息（离线）；而且这
基线条件（低功率、低温）。热均匀性和平均温度的差
些仪器还能在工艺前后读数（在线）。下面各节介绍了
别可以立即看到。A 室在接近缺口的边缘处显示了较高
一系列 45 纳米节点相关的应用示例，说明了仪器衬底的
的非均匀性。B 室在更严格的范围内显示了集中的、均
使用方法。
匀的图形。随后对 SensorWafer 运行的空间温度数据进 行了检测，并针对射频功率和卡盘温度参数进行了模 式化。不匹配来源于靠近缺口的区域，经确定是由于射 频功率提供的非均匀性。 化学蒸气沉积 (CVD)：等离子氮化
这些 CVD 薄膜的性质在很大程度上依赖于沉积期间衬底 的温度。衬底温度是由通过源电极和偏差电极向衬底输 入的功率以及静电卡盘或加热板内的温度所控制的。 a)
b)
较小的特征节点降低了 CVD 工艺的温度预算。在过去，
Mean 81.121 Range 47.365
Mean 71.807 Range 33.599
热工艺 CVD 炉的操作温度介于 600–1000˚C 范围内。在 增加了等离子改进 (PECVD) 之后，衬底温度下降到了
图 1：低功率低温铜阻障层沉积：a) A 室的基线二维热轮廓（左）； b) B 室的基线二维热轮廓。
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250–550˚C 的范围。因此，在 45 纳米节点处，衬底温度 的下降甚至出现了“超低 k 介电常数”和一些“高 k 栅 14
测量 极”结构。最近开发的 PECVD 薄膜作为超低 k 阻障层采 Temperature ˚C
用 30–50˚C 的衬底温度范围。4 等离子氮化开始用于对一 些高 k 材料增加绝缘或阻障性质。5 在图 2 中，一个等离子氮化工艺具有 ~40˚C 的最高温度。 对温度均匀性和性质的初步测试认定底层已经接近其峰 值温度。空间温度轮廓见图中右侧所示。
Time (s)
下一步在低温等离子氮化系统中进行了一个实验，以确 调整晶片系列的每一个之前和之后都运行 SensorWafer。
图 2：室温等离子氮化工艺的温度响应。每条迹线代表一个温度传感 器，因此迹线的分布是空间不均匀度的表示。
在九个调整晶片之后，室表现为达到了稳定状态温度。
Temperature profile vs. seasoning wafers
有趣的是，在调整期间晶片上的温度轮廓发生了变化
化学机械抛光 (CMP)
化学机械抛光 (CMP) 是一种薄膜去除工艺，将研磨剂的 物理和化学性质结合到一种浆液中，采用抛光垫施用在 晶片表面上。在此工艺中不对温度进行控制，但与几项
Temperature mean (˚C)
（图 4）。
39
6
T-mean T-range
38
5 4
37
3 36
2
35 34
1 0
5
10 15 Cumulative seasoning wafers
20
Temperature range (˚C)
定调整晶片对晶片温度轮廓的影响。如图 3 所示，三个
6
关键的控制参数有关：抛光头转速、掩膜版转速、头压 力和浆液流量。6 SensorWafer 在抛光期间用于研究晶片表
图 3：SensorWafer 表示温度和范围与室处理有关。
面与工艺条件的关系。 图 5 显示了 Integral SensorWafer 控制的温度 — 时间迹线。 迹线中可以看到有趣的温度数据特征：整体温度、晶片 上的变化和旋转效果。 采用温度的直接光刻 CD 微调
光刻是 SensorWafer 测量最重要的应用领域之一。对于每 个节点，光刻内的工艺对温度越来越敏感，这就对硬件
图 4：9 个晶片处理前（左）和处理后（右）的温度空间轮廓。
匹配和光刻单元控制带来了压力。例如，SensorWafer 常 常用于调节空间温度轮廓（加热板上）和时间温度轮廓 （温度变化率）以及板与板之间的温度轮廓。然后将温 度轮廓存储于光刻工具中。在 PM 之后以及例外情况下，
Global temperature rise during polishing Across-wafer variation by radial zone Rotation effects Edge variation due to rotation is much greater than the center
用 SensorWafer 对工具进行常规监测。 在本研究中，SensorWafer 的输出用于直接调节 CD。即， 通过调节光刻胶加热板温度轮廓来优化所加工的晶片 CD。温度轮廓的调节分三步进行： 1) 收集基线温度信息； 2) 计算最优的控制输入及对加热板进行调节； 3) 验证温度性能。7
20C 4C
2C /1sec
图 5：使用一个 Integral™ 晶片进行的 CMP 特性实验的温度与时间 迹线。
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测量 在此例中，同时对具有七个区域 PEB 板的 48 纳米 CD
CD –50.97 – 49.50
算控制输入。图 6 显示了板调节之前和之后的晶片绘图
– 48.02
CD 的结果。前后范围提高了 22%。
– 46.65
Pre CD
Validation
Mean: 48.56 nm Normalized 3σ: 1
Mean: 48.83 nm Normalized 3σ: 0.78
工艺进行调节，调节时使用专用软件 (AutoCD™) 来计
等离子蚀刻
等离子蚀刻是 SensorWafer 最重要的应用之一。等离子蚀 刻工艺极为复杂；被加工晶片的结果与工艺控制以及被
图 6：温度轮廓调节前（左）和调节后（右）的晶片水平 CD 图。
蚀刻器件的材质和形貌密切相关。8 此外，蚀刻室中的条 件不是恒定的；由于物理和化学暴露的不同，室表面会 随着时间而变化。蚀刻结果一般与温度有很大的关系。 在很多情况中，温度是晶片表面等离子状况的良好量
Chamber Deviation
度。商业反应器一般将粉末送至源电极和偏差电极。以
Recovered Chamber
下是 SensorWafer 关键应用的四个示例。
20T - Range [All] 11.55 10.13
UCL
8.70 7.27
Nominal
5.84 16141210 8 6 4 2 0
4.41
等离子蚀刻示例 1：采用温度的室定期维护评定
蚀刻加工室需要经常进行预防性维护 (PM) 活动，实现一 致的器件性能。SensorWafer 提供了一种有用的验证室状
Time Units
况的移动平台。 图 7：SensorWafer 温度的 SPC 图，包括空间温度轮廓的详情。
图 7 说明了清洁周期内的室状况。温度范围（最高温度
2.50E-02
0.00E+02
Model B
˚C / T
5.00E-01
-5.00E-01
Model B
7.00E-01
关键蚀刻工艺的室匹配仍然是一项挑战。不断缩小的几 何尺寸和增大的高宽比需要识别和分辨微小的室差别，
-3.00E-01
0.00E+00
PM 完成之后，对室的性能进行验证，并恢复室的生产。 等离子蚀刻示例 2：采用温度的室匹配
Difference
Center He cooling
室偏离进行空间检测后，在晶片的边缘发现了偏离。
-2.50E-02
Difference
Edge He cooling
Model A
围偏离控制上限 (UCL) 以上时，就要进行 PM。对 UCL
5.00E-02
˚C / W
Lower electrode RF power increase
Model A
减去最低温度）经过定期测定来了解室状况。当温度范
Difference
˚C / T
PM2 Problem chamber
˚C / W
PM1 Golden chamber
3.00E+01
以达到期望的性能水平。为了隔离限制成品率的偏差来 源，对两个室进行了比较。9 关键响应节点的特点是一个
˚C / T
-5.00E-00
-2.00E-00
Difference 3.00E+01
7.00E-00
-7.00E-00
Difference
Chamber pressure
1.00E+01
5.00E+02
˚C / mt
Model B
˚C / mt
Model A
-2.00E-00
Model A
Model B
点是 SensorWafer 数据与先进分析软件的结合。 工艺变量与响应 — 概要
1.70E+00
˚C / ˚C
Model B
Lower electrode temp
˚C / ˚C
Model A
˚C / T
金室和一个问题室（图 8）。每种关键工艺节点的响应特
-1.00E-01
工艺变量
对增大的工艺变量做出响应
降低电极射频功率的增大
增大向整个晶片传输的热量
边缘氦气冷却
降低晶片边缘处的热量
中心氦气冷却
降低晶片中心处的热量
降低电极温度
增大向整个晶片传输的热量
室压力
径向影响
表 1：用于温度 SensorWafer 相关响应的等离子蚀刻控制变量。
Difference
图 8：金室和问题室的比较。每个等离子反应器子系统均具有 PlasmaRx 软件的特点。空间分析引擎确定电极温度低是造成反应器偏差的来源。
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测量 两台反应器按照直观期望响应的工艺变量（表 1）。为了
maTemp™) 通过工具来运行，显示在晶片中心观察到的
识别性能问题的来源，对每个响应分别应用形状匹配算
温度升高了大约 3˚C。空间数据检查清楚地显示了温度
法。通过这种方法可以达到较低的电极温度目标，以便
轮廓二维图（图 9）中严重的局部图形问题。缺陷温度
作为室不匹配的来源进行快速纠正。
图形与起模针的位置直接相关。对起模针进行检验后， 发现其回缩高度设置不正确。对探针数据的后续分析证
等离子蚀刻示例 3：采用温度的故障检修
实，局部的 SAC 蚀刻不足仅限于起模针上方的芯片。对
在线缺陷检测图显示，不可接受的性能水平位于具有自
硬件问题进行修理后，得到的温度信息与基线温度轮廓
对准接触 (SAC) 蚀刻的特定芯片上。10 SensorWafer (Plas-
非常相似，表明缺陷已纠正。生产恢复后的探针结果证 实了这种结论。
Hot spot
等离子蚀刻示例 4：采用 SensorWafer 电气测量的等离子工艺监控
虽然温度已经证实是等离子蚀刻特性的一种良好量度， 但在某些等离子蚀刻环境中还是不够的。在此例中，对 晶片表面 (PlasmaVolt™) 电压的测量提供了一种更为有 -11.0 -7.0 -3.0 -0.0
-11.0 -7.2 -3.6 -0.0
Faulty
Normal
图 10 中的例子显示了工具测量的 Vpp 向下偏移，以及利
图 9：二维归一化温度轮廓。由起模针引起可分辨热点处的缺陷条件 （左面板）；缺陷纠正后（右面板）。
用 PlasmaVolt 对向下偏移进行的对应检测。但是，温度 晶片报告了工艺热惯量的稳定状态，较低的功率形成了 相反的热通量并达到相对平衡。
PlasmaVolt Data RF Voltage (V)
用的诊断方法。
6000
电气测量的高灵敏度能够提高与温度无关的微小工艺缺
4000
陷的识别能力。在这个生产代工厂例子中，采用电测量
2000
SensorWafer 来帮助诊断位于 E 室的蚀刻 CD 问题。11 在这 0
850
900
950 Time (s)
1000
种情况下，现有的测试方法不能识别两室之间的功能差
1050
别。SensorWafer 电气测量通过对坏的 E 室和好的 D 室
Reported Chamber Vpp
的数据迹线进行比较，表明了蚀刻步骤（图 11）期间的 不稳定性。由于是电压测量，因而从逻辑上可以假设这 种不稳定性位于射频供电系统中。很快发现问题是一根 供电电源线存在故障。更换电源线之后，继续进行晶片测
Temperature (C˚)
Temperature Data 100
量，发现 CD 值恢复正常。
80 60
结论
40 50
100
150
200
250
300
上面提供了一些原位晶片水平测量的示例。显然，包括
Time (s)
KLA-Tencor 的 SensorWafer 在内的仪器硅晶片在帮助理解 图 10：等离子蚀刻室时间同步数据。PlasmaVolt（顶部）；从偏差供 电系统报告的 Vpp（中部）；SensorWafer 温度数据（底部）。
半导体加工方面已经显示出极大的实用性。一些关键的 趋势包括：
Chamber D
Chamber E “bad” CD
2900 2800 2700 2600 2500 2400 420 440
•
2900 RF Voltage (V)
RF Voltage (V)
Nominal CD
460 480
500 520
Time (s)
将继续需要原位晶片水平测量。
2800 2700 2600
•
2500 2400 300 320
340 360
当工艺温度和热预算较低时，最好使用无线 SensorWafer。
380 400
Time (s)
图 11：两个等离子蚀刻室的 PlasmaVolt 迹线，各提供公称和超差 CD 性能。
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不断缩小的工艺窗口伴随有生产能力问题，因此
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电气测量为等离子系统的温度提供了有力的增强。
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测量 SensorWafer
参考材料
无线仪器晶片（一般是 SensorWafer）具有可以通过标准半
1.International Technology Roadmap Semiconductors 2006 Update， Lithography。http://www.itrs.net/Links/2006Update/FinalToPost/08_ Lithography2006Update.pdf.
导体设备机器人运行的优点。SensorWafer 受到板载电子装 置温度的限制，其持续温度一般为 140˚C。每个半导体的 蓝图节点都带来了较低的加工温度和较小的热预算，这 有助于无线测量方法的使用和肯定。多数的 SensorWafer 均测量温度。最近又增加了测量电压。
2. M. Janakiram，“ITRS Factory Integration Presentation,”Presentation to Create，亚利桑那州立大学，2007 年 1 月，http://create.asu.edu/ calendar2/pdfs/ITRS_Factory%20Facilities_Jan2007.pdf。 3. P. MacDonald，“In situ thermal measurements for Cu barrier seed deposition”，OnWafer Technologies, Inc.，2005 年。 4. L. Zambov、K. Weidner、V. Shamamian、R. Camilletti、U. Pernisz、 M. Loboda、G. Cerny、D. Gidley、H Peng、R. Vallery，“Advanced chemical vapor deposition silicon carbide barrier layer technology for ultralow permeability applications”，JVST A Vol 24(5) 2006 年 9 月， 第 1706–1713 页。 5. A. Callegari、P. Jamison、D. Deumayer、F. McFeely、J. Shepard、 W. Andreoni、A.Curioni、C. Pignedoli，“Electron Mobility dependence on annealing temperature of W/HfO2 gate stacks:the role of interfacial layer”，Journal of Applied Physics，99 卷，2006 年。 6. H. Hocheng 和 Y.L. Huang，“In situ endpoint detection by pad temperature in chemical mechanical polish of copper overlay”，IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing，第 17 卷，第 2 期， 2004 年 5 月，第 180–187 页。 7. S. Wang、P. MacDonald、M. Kruger、C. Spanos、M. Welch， “CD uniformity improvement and IC process monitoring by wireless sensor technology”，IEEE 2004。
上图显示 Integral™ 晶片具有 10µm 的聚酰亚胺涂层。聚 酰亚胺对可见光是透明的，因而能够显示电子装置和温 度传感器的详细信息。所有的传感器和电子装置都位于 晶片表面的平面之下。此温度 SensorWafer 有几种可能的 配置，包括硅、二氧化硅或其他客户指定材料的盖层。 根据配置的不同，这些仪器晶片可用于湿处理、CMP、 光刻低温 CVD、PVD 和等离子蚀刻。 下图显示了一个表面可以看到电气传感器和测量电子装 置的 300 毫米 PlasmaVolt™ 晶片。传感器和电子装置的轮 廓超过晶片表面 3.4 毫米或以下。由于具有这种轮廓，这 些 SensorWafer 可以通过大多数的 300 毫米生产真空设备
8. I. Husala、K. Enke、H. Grunwald、G. Lorenz、H. Stoll，“In situ silicon wafer temperature measurements during RF Ar-ion plasma etching via flouroptic thermometry”，J. Phys D Applied Physics 20 (1987)， 第 889–896 页。 9. P. MacDonald 和 M. Kruger，“Component health monitoring and diagnostics in plasma Etch Chambers using in-situ temperature metrology”，SEMI® 技术研讨会：半导体制造中的创新技术 (STS:ISM) 2004。 10. Brown、T. Schrock、K. Poolla、M. Welch、P. MacDonald “Rapid diagnostics of etch processes in high-volume production using temperature metrology”，Semiconductor Manufacturing。第 4(10) 卷，第 140–156 页，2003 年 10 月。 11. G. Roche、P. Arleo、P. MacDonald，“Wafer based diagnostics for dielectric etching plasmas”，北加利福尼亚 AVS，等离子蚀刻用户组会 议，2007 年 5 月，http://www.avsusergroups.org/peug_pdfs/PEUG_07_5_ Roche.pdf。
用标准机器人进行装载。整个晶片都涂有聚酰亚胺，其 化学性质与光刻胶非常相似。这些类型的 SensorWafer 主 要用于等离子蚀刻。
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