缺陷管理
電子束晶圓檢測的蝕刻製程監控 Luke Lin、Jia-Yun Chen 和 Wen-Yi Wong – Powerchip Semiconductor Mark McCord、Alex Tsai、Steven Oestreich、Indranil De、Jan Lauber 和 Andrew Kang – KLA-Tencor Corporation
使用電子束檢測以便從觸孔蝕刻建立缺陷層級，蝕刻製程視窗認證 (Etch-PWQ) 可提供準確的產量資料，協助使用者 將製程產量視窗中的蝕刻製程置中，然後監控蝕刻製程情況。
製程視窗認證 (Process Window Qualification) 是經常用於 光學及電子束晶圓檢測的一項技術，可將顯影製程維持 在製程視窗內部的中心。不同的晶圓會以不同的焦點與 劑量參數曝露。檢測是用於判定在不同曝光條件下晶圓 的缺陷，同時會使用特殊軟體來分析結果。 在蝕刻製程中，將製程置於製程視窗中心是非常重要
方法有幾個缺點。舉例來說，不受控制的變數可能會增 加資料的不確定性，尤其是如果缺陷特徵是用於判定最 佳化製程設定是否精密的話。這些變數包括優先層製程 中的變化、顯影中的變化、蝕刻製程中的變化（或系 統／腔體），以及檢測工具中的穩定性變化。在電子束 檢測中，殘餘表面電荷中的差異或是晶圓之間的大氣分 子污染物 (AMC) 也可能會影響檢測結果。
的。舉例來說，如果在接觸層中出現蝕刻不足的情況， 可能會導致蝕刻鎖住或是抗拒接觸的情況，而過度蝕刻 則會造成源極、汲極和／或晶體管上的閘極短路。在傳 統上，晶圓分割是用於判定最佳的蝕刻製程狀況。使用
基於這些原因，最好只使用單片晶圓以便能夠判定最佳 的蝕刻製程狀況。在此研究中，我們發展出此種技術並 且成功地將它用於最佳化蝕刻製程狀況。
兩片或更多的晶圓，而每個晶圓都以不同的蝕刻狀況處 理。接著可以使用光學或電子束檢測來比較整體晶圓的 缺陷。在製程結束時的電子測試可提供確認。然而這個
Test 1
實驗方法
在本次研究中使用的是三片全流量 DRAM 晶圓，線寬 為 0.11µm。所有晶圓會以正常方式處理至觸孔蝕刻的步 驟。在每個晶圓的晶體管觸孔蝕刻層上，不同的晶圓會 收到標稱蝕刻製程情況或數種不同的蝕刻情況之一，如 同表 1 所示。晶圓方塊的排列方式可促進自動晶圓檢測
Test 2
工具中標稱與測試晶圓方塊的晶圓對晶圓比較。測試晶
Test 3
圓方塊欄會替換成為使用標稱情況處理的晶圓方塊欄。 利用這種方式，每個測試晶圓方塊都可以和兩個相鄰的 標稱晶圓方塊比較。此外，各種不同的測試晶圓方塊會
圖 1：晶圓方塊配置顯示標稱晶圓方塊的位置以及包含不同蝕刻製程情 況的晶圓方塊。
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蝕刻狀況
氣體流動
過度蝕刻時間
標稱
20 sccm
69 秒
測試 1
21 sccm
55 秒
測試 2
19 sccm
69 秒
測試 3
19 sccm
75 秒
表 1：用於每個晶圓上不同方塊的蝕刻製程情況摘要。
缺陷管理 則會從製程流程中移除，並且先使用 eS31 電子束檢 測工具進行檢測，接著使用 eS32 電子束檢測工具進行檢
Wafer preparation and photo exposure shot edit
測。3 號晶圓會在觸孔蝕刻步驟之後被保留，以供進一步 的研究，例如 FIB 或 TEM。
PR coating and etch Condition 1~N Shot exposure/development Photo rework
Repeat 1~N
Overlay measurement in spec?
No Yes
Condition 1~N etch PR strip & wafer clean CD measurement
Scan by e-beam inspector
圖 2：在單一晶圓上建立包含多種蝕刻狀況的晶圓方塊的製程流程。
使用 70nm 像點 增加靈敏度及預充步驟 以增強對比，細微的蝕刻不足缺 陷將會被檢測，並與蝕刻情況和 行尾的位元產量結果相關聯。 結果
最初，2 號晶圓會利用 S31 電子束檢測工具，並使 在晶圓上分佈，使得製程特性能夠與可能會出現的任何
用 1000eV 的沈積能源、212nA 的光束電流和 100nm 像
晶圓等級特性加以區分。標稱及測試晶圓方塊的晶圓配
點大小進行檢測。欄位情況會設定蝕刻不足的接觸會比
置如圖 1 所示。
正常觸孔（較暗）要來得亮。檢測無法顯示蝕刻情況與
為了處理單一晶圓上不同晶圓方塊的各種蝕刻情況，將會 利用多個顯影步驟。首先，標稱晶圓方塊會曝露與蝕刻， 而測試晶圓方塊則會受到空白抗蝕劑的保護。接著會在 測試晶圓方塊上的每個不同的蝕刻製程情況中重複顯影 與蝕刻製程步驟，而標稱晶圓方塊則受到未曝露的抗蝕 劑的保護。利用這種方式，各種製程情況會全部放置在 單一晶圓上。圖 2 顯示顯影及蝕刻製程步驟的流程圖。 遵循蝕刻製程步驟，會使用 CD-SEM 檢查 1 號晶圓的接 觸大小，接著透過電子測試繼續正常的程序。2 號晶圓
圖 3：行尾位元失敗圖顯示蝕刻製程晶圓方塊分割與線上缺陷檢測圖的 關聯。
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晶圓方塊缺陷之間有任何重要的關聯。然而，1 號晶圓中 的行尾位元失敗測試（會繼續正常製程）顯示與蝕刻 製程情況有明確的產量損失關聯。位元產量圖會顯示 在圖 3；斜線表示晶圓方塊的位元產量結果不良。 目前，晶圓是使用 eS32 的方法進行檢測，它已經改善了靈 敏度並且提供更廣泛的光學設定範圍。檢測管理區域已經 延伸至排列的最邊緣，也是發現最多缺陷發生的位置。 會執行特殊的預充步驟，使得晶圓表面電壓的情況具有 更高的缺陷觸孔對比。最後，檢測像點大小會縮小至 70nm 以便進一步增加靈敏度。這次偵測到蝕刻不足的細
圖 4：蝕刻晶圓的缺陷檢測圖顯示包含蝕刻製程情況的缺陷差異。
缺陷管理 子束檢測更快。影像是取自每個每個選取數目（或所 有）晶圓上的晶圓方塊的相同位置。每個影像的平均灰 色層級（與平均次要電子產量有關聯）將會經過計算及 對應。由於細微的製程差異就會導致在次要產量中的明 顯變化，因此此項技術可以用於建立在蝕刻或其他製程 步驟上的製程容差限制。圖 6 顯示的是晶圓的 ePM 灰 色層級圖，可清楚地指出標稱與測試晶圓方塊之間的差 異。圖 7 顯示在 1 號晶圓上測量的觸孔 CD 以及 ePM 所 查看的平均灰色層級之間的比較，針對四個蝕刻製程情 況的每種情況進行比較。兩個測量之間再次出現絕佳的 圖 5：eS32 檢測中的檢閱影像顯示蝕刻不足的觸孔叢集。
關聯。如同預期的一樣，蝕刻不足的情況會產生較明亮 的平均灰色層級，原因是正常的觸孔要比周圍的氧化物 要來得暗。
2
結論
蝕刻製程視窗認證 (Etch-PWQ) 已經成為極有前景的一
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項技術，能夠從觸孔蝕刻建立缺陷等級，並且可提供準
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確的產量資料，置於製程產量視窗內部的蝕刻製程中 8
心。藉由在單一晶圓上加上實驗設計，將可避免由於晶
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圓製程變化或檢測工具趨勢所造成的資料不確定性。為 了能夠從邊緣蝕刻製程情況中查看細微的蝕刻不足缺
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6
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陷，您有必要使用預充步驟並且選擇光學情況以最佳化
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靈敏度。在檢測缺陷與電子位元產量之間可以看見良好
圖 6：晶圓的灰色層級 ePM 圖顯示蝕刻製程情況與影像的灰色層級亮 度之間的關聯。
微缺陷，這些缺陷與蝕刻情況和行尾位元產量結果也有 關聯。缺陷圖顯示於圖 4。在 2 號晶圓的檢測缺陷密度以 及 1 號晶圓電子位元產量之間發現有良好的關聯。在圖 5 中顯示的是包含某些缺陷觸孔的檢測工具的檢閱影像。
的關聯。最後，在 eS32 檢測工具中具有電子製程監控能 力，可測量晶圓上的次級產量的 ePM，顯示其作為監控 蝕刻製程情況之工具的承諾。 致謝
作者對於 Jason Lim 和 Kumar Raja 在本研究中的支持表 示感謝。
ePM 是 KLA-Tencor 目前仍在發展中的新 eS32 演算法， 可用於尋找超出容許範圍的晶圓，其速度要比標準的電 CD (nm)
Gray level
0.195
CD (nm)
0.190
60
Gray level
70
0.185 80
0.180
90
0.175 0.170
100
0.165 110
0.160 0.155
120
nominal
test 1
test 2
test 3
nominal
test 1
test 2
test 3
圖 7：測量 CD 與平均影像灰色層級在不同蝕刻測試情況之間的比較。
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