度量
晶圓級的度量擴展了 45 奈米的製程應用 Paul MacDonald、Greg Roche、Mark Wiltse -– KLA-Tencor Corporation
儀器晶圓（包括 KLA-Tencor 的 Integral™ SensorWafers™）逐漸用於優化、疑難排解與監控許多不同的製程應用。 這些特殊化的基板包含完整度量儀器，能夠提供高準確度、按時間順序排列的測量，顯示晶圓對於動態製程環境的 反應。
幾何不斷縮小的持續性趨勢的結果之一，便是必須將即
物理氣相沉積 (PVD)：銅阻礙 ／晶種腔體對比溫度
時工具資料與其他形式的度量資料整合。1 半導體產業將
隨著銅對於半導體金屬化組合的增加，對於晶種層以及
與製程工具相關的度量資料定義為：離線（分開）、線
阻礙生長也需要投以更多關注。隨著沉積溫度的減少，
上（附加並在之後與之後立即進行測量）和原處（已整
無線感應晶圓也成為一種確實可行的方法，能夠特徵化
合，用於製程期間的測量）。主題類別「離線／線上／原
這些製程並提供腔體比對的方法。
處度量」將包括在 2007 年修訂版本的 ITRS Metrology and Factory Integration（ITRS 度量與工廠整合）一節。2
兩個生產銅 (Cu) 晶種的腔體接受了針對不同 RF 功率以
儀器化基板可同時應用於上述的幾種類別，它們可收集
及卡盤溫度條件的研究調查。3 低及高功率條件是在矩陣
製程內部的即時資訊（原處），同時發生的空間資訊
空間、低和超低陰極溫度的條件下進行評估。基線條件
（離線）；同時可以在製程之前與之後立即讀取這些儀
（低功率、低溫度）會在圖 1a 和 1b 中描述。立即可見
器（線上）。以下段落描述一系列 45 nm 的節點相關應
性是熱一致性與平均溫度當中的差異。腔體 A 顯示靠近
用範例，顯示儀器化基板的使用情況。
槽口的邊緣上出現高非一致性的情況。腔體 B 顯示同 心，擁有緊縮範圍的一致性圖樣。SensorWafer 運作的空 間溫度資料的檢驗與建模與 RF 功率及卡盤溫度參數有 關。不符合的來源已局部化至靠近槽口的區域，同時由 於 RF 功率供應的不一致性所決定。 化學氣相沉積 (CVD)：等離子氮化
這些 CVD 薄膜的屬性與沉積期間基板的溫度有絕對的 關係。基板溫度是透過來源及偏壓電極由輸入至基板的 功率所控制，以及在靜電吸盤或加熱板內的溫度控制。 a)
b)
Mean 81.121 Range 47.365
Mean 71.807 Range 33.599
較小的特徵節點已經縮減了 CVD 製程的預算。從歷史觀 點來看，熱過程 CVD 熔爐的操作是以 600–1000°C 的方 式進行。有了額外的等離子增強 (PECVD)，基板的溫度 下降至 250–550°C 範圍。隨後，在出現 45 nm 節點之
圖 1：低功率、低溫度的銅 (Cu) 障礙沉積： a) 腔體 A 的基線 2-D 熱剖面（左）；b) 腔體 B 基線 2-D 熱剖面。
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後，基板溫度甚至更進一步下降至「ultra low-k 電介質」
14
度量 以及某些「high-k 閘極」的結構。在最近，PECVD 薄膜 Temperature ˚C
已經發展成為使用基板溫度在 30–50°C 範圍的 ultra low-k 阻礙層。4 等離子氮化則流行用於將絕緣或阻礙性能加入 某些 high-k 閘極材料中。5 在圖 2 中，等離子氮化過程是以最大溫度 ~40°C 進行特 徵化。當基板到達其峰值溫度時，初始測試會對溫度一
Time (s)
致性及行為提供某些看法。空間溫度輪廓圖圖顯示在圖
接下來，會在低溫等離子氮化系統中進行試驗，以
圖 2：室溫等離子氮化製程的溫度反應。每個痕跡圖形代表一個溫度 感應器，因此跨這些痕跡的範圍即是空間非一致性的象徵。
決定在晶圓溫度輪廓圖中陳化處理晶圓所產生的影
Temperature profile vs. seasoning wafers
響。在每三個陳化處理晶圓系列之前及之後都會執行 體似乎已經到達穩定狀態。有趣的是，跨晶圓溫度輪廓 圖在陳化處理過程期間也有變更（圖 4）。 化學機械拋光 (CMP)
化學機械拋光 (CMP) 是去除薄膜的一種程序，會在晶圓
Temperature mean (˚C)
SensorWafer（圖 3）。在經過九次陳化處理晶圓之後，腔
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)
的右半部。
6
表面上使用拋光墊，在漿料中進行物理及化學方面的磨 砂。在此過程中並不會控制溫度，但是溫度是數個關鍵 控制參數的功能：拋光頭旋轉速度、平台旋轉速度、水
圖 3：SensorWafer 意味作為腔體陳化處理 (seasoning) 功能的溫度和 範圍。
頭壓力以及漿料管流。6 SensorWafers 是用於在拋光期間 研究晶圓表面，成為製程條件的功能。 圖 5 顯示 Integral SensorWafer 所收集到的溫度與時間記 錄資訊。在記錄中可以看見有趣的溫度資料特徵：全域 溫度、跨晶圓變化以及旋轉效應。 顯影利用溫度進行直接的 CD 調整
圖 4：在陳化處理之前（左圖）以及在 9 片晶圓陳化處理之後（右 圖）的溫度空間輪廓圖。
顯影是 SensorWafer 度量最重要的應用領域之一。擁有每 個節點，顯影中的製程將變得更具有溫度靈敏度，在 硬體比對以及顯影單元的控制上更緊密。舉例來說， SensorWafer 經常用於調整溫度輪廓圖 - 在空間性（跨烤
Global temperature rise during polishing Across-wafer variation by radial zone Rotation effects Edge variation due to rotation is much greater than the center
板上）和暫時性（溫度變更率），以及從烤板至烤板。 溫度輪廓圖隨即會儲存在顯影工具中。在預防維修之 後，SensorWafer 會定期監控工具（除非有例外情況）。
20C 4C
在此研究中，SensorWafer 輸出是用於直接調整 CD。也就 是說，製程晶圓 CD 的優化是藉由顯影膠烤板溫度輪廓
2C /1sec
圖的調整完成。溫度輪廓圖的調整在三個步驟內產生： 1) 收集基線溫度資訊； 2) 計算優化控制輸入並提供對於烤板的調整； 3) 確認溫度性能。7 2007 年夏季刊 Yield Management Solutions
圖 5：使用 Integral™ 晶圓進行 CMP 特徵分析試驗的溫度與時間記錄。
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度量 CD –50.97 – 49.50 – 48.02
在本範例中，包含一個七區 PEB 板的 48 nm CD 製程會 在一次運作中進行調整，利用特殊軟體 (AutoCD™) 以計 算控制輸入。圖 6 顯示在烤板調整前後晶圓映射 CD 的結 果。前／後範圍改善的幅度為 22%。
– 46.65
Pre CD
Validation
Mean: 48.56 nm Normalized 3σ: 1
Mean: 48.83 nm Normalized 3σ: 0.78
等離子蝕刻
圖 6：晶圓層級 CD 圖，分別為前 -（左）和後 -（右）溫度輪廓圖調整。
Chamber Deviation
Recovered Chamber
20T - Range [All] 11.55 10.13
UCL
8.70 7.27
Nominal
5.84 16141210 8 6 4 2 0
4.41
Time Units
圖 7：SensorWafer 溫度的 SPC 圖，包含空間溫度輪廓圖的細節。
PM1
PM2
Golden chamber
Problem chamber
Lower electrode RF power increase
Difference
˚C / W
2.50E-02
˚C / W
5.00E-02
0.00E+02
Model A
Model B
Edge He cooling
7.00E-01
˚C / T
˚C / T
-3.00E-01
Difference
˚C / T
3.00E+01
˚C / T
0.00E+00
-5.00E-00
Model A
Model B
Lower electrode temp
-2.00E-00
Difference
關鍵蝕刻程序的腔體比對持續成為一項挑戰。幾何的縮 小以及增加的長寬比更要求能夠識別並解決精細的腔體 差異，以達成所需的效能水準。為了隔離出限制良率之 偏離的來源，因此將兩個腔體進行比較。9 在金色腔體 和問題腔體中會描繪關鍵的反應環節（圖 8）。每個關鍵 製程環節的反應皆具有 SensorWafer 資料以及先進分析軟 體之組合的特徵。
3.00E+01
˚C / ˚C
製程變動與反應 – 摘要 製程變動
增加的製程變動的反應
-7.00E-00
低電極 RF 電力增加
整個晶圓中的熱度增加
5.00E+02
邊緣氦氣冷卻
減少晶圓邊緣的熱度
中心氦氣冷卻
減少晶圓中心的熱度
低電極溫度
整個晶圓中的熱度增加
腔體壓力
幅射效應
Difference
˚C / mt
˚C / mt
1.00E+01
-2.00E-00
Model A
等離子蝕刻範例 2：利用溫度進行腔體比對
7.00E-00
Model B
Chamber pressure
圖 7 提供在清潔循環期間腔體狀態的表示。會定期測量 溫度範圍（最高溫度減去最低溫度）以了解腔體的運作 狀態。當溫度範圍脫離了管制上限 (UCL)，將會執行預防 維修。UCL 腔體偏離是藉由空間方式檢測，並且在晶圓 邊緣發現偏離。在完成預防維修之後，腔體效能獲得驗 證，同時腔體也可回復至正常的生產。
˚C / ˚C
1.70E+00
Model A
蝕刻製程腔體需要進行經常性的預防維護 (PM) 活動， 以達成一致性的元件效能。SensorWafers 為腔體的健全狀 態驗證提供了有用而機動的平台。
-2.50E-02
-5.00E-01
Model B
Center He cooling
等離子蝕刻範例 1：利用溫度進行腔體定期維護認證
Difference 5.00E-01
Model A
等離子蝕刻是 SensorWafers 最重要的應用之一。等離子 蝕刻製程極為複雜；製程晶圓的結果製程控制的堅強 功能以及被蝕刻元件的材料與拓樸。8 再者，蝕刻腔體的 情況並非固定；腔體表面會由於物理及化學性的曝光而 隨著時間改變。蝕刻結果通常與溫度的關聯非常密切， 在許多情況中，溫度是晶圓表面中等離子情況的良好度 量。商業反應裝置一般都會有電力傳輸至來源及偏壓電 極。以下是 SensorWafers 關鍵應用的四種範例。
Model B
-1.00E-01
Difference
表 1：等離子蝕刻控制變動以及溫度 SensorWafer 的相關反應。 圖 8：金色腔體以及問題腔體的比較。每個等離子反應裝置子系統可使 用 PlasmaRx 軟體描繪特徵。空間分析引擎決定要成為反應裝置偏離來 源的低電極溫度。
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度量 兩個反應裝置的程序變動反應出直覺式預期（表 1）。
SensorWafer (PlasmaTemp™) 是透過工具運作，顯示監測
為了找出效能問題的起源，在每個反應中都套用了形狀
到的溫度在晶圓中心上升約 3˚C。空間資料檢閱在溫度輪
比對演算法。透過這種方式，偏低的電極溫度成為腔體
廓圖的平面圖中清楚地顯示問題的圖案（圖 9）。錯誤的
不符的來源，而成為需要快速維修的目標。
溫度圖案與升降機頂升銷的位置有直接關聯。在檢查過 升降機頂升銷之後，發現它們的收縮高度設定錯誤。後
等離子蝕刻範例 3：利用溫度進行問題疑難排解
續的探針資料分析確認蝕刻中的局部化 SAC 受限於升降
線上缺陷檢測圖顯示已局部化至包含自我對準接觸孔
機頂升銷上方的晶圓方塊。硬體問題已經修復，而產生
(SAC) 蝕刻的特定晶圓方塊中無法接受的效能等級。 10
的溫度特徵與基線溫度輪廓圖極為類似，指出錯誤已經 修復。根據生產恢復的採測結果確認了這項發現。
Hot spot
等離子蝕刻範例 4：利用 SensorWafer 電測進行等離子製程監控
雖然已經證明溫度是等離子蝕刻特性校準的良好度量， 在某些等離子蝕刻環境中卻仍顯不夠。在此範例中，晶 圓表面電壓 (PlasmaVolt™) 的測量提供了更有用的診斷 -11.0 -7.0 -3.0 -0.0
-11.0 -7.2 -3.6 -0.0
Faulty
Normal
圖 10 中的範例顯示經過系統所測量的 Vpp 向下漂移，
圖 9：平面正規化溫度輪廓圖。可識別由於升降機頂升銷所造成的熱 點的錯誤情況（左圖）；在錯誤更正之後（右圖）。
以及向下漂移的 PlasmaVolt 的對應偵測。然而，溫度晶 圓會記錄製程的的熱惰性以及較少功率建立的相對熱流 通，並產生相對的平衡。
PlasmaVolt Data RF Voltage (V)
結果。
6000
增加的電子測量靈敏度允許與溫度無關的精密製程效應
4000
的加強特性校準。在此生產晶圓廠範例中，會要求使用
2000
電子測量 SensorWafer 以協助診斷蝕刻 CD 問題（已經局 0
850
900
950 Time (s)
1000
部化至腔體 E）。11
1050
在此情況中，現有的測試方法無法識別出兩個腔體之間
Reported Chamber Vpp
任何功能性的差異。藉由不良腔體 E 以及良好的腔體 D 的資料記錄比較，SensorWafer 電測指出蝕刻步驟的不穩 定性（圖 11）。由於其為電壓測量，因此假設不穩定的
Temperature (C˚)
Temperature Data 100
情況發生於 RF 電力傳送系統中也是非常合乎邏輯。問
80
題很快地發現是出在電力傳送纜線發生故障。在更換纜線
60
之後，後續的度量晶圓即可運作而 CD 值也回復正常值。
40 50
100
150
200
250
300
結論
Time (s)
圖 10：等離子蝕刻腔體時間與資料同步。PlasmaVolt（上）；Vpp 從 偏壓電力傳送系統記述（中）；SensorWafer 溫度資料（下）。
部份原處晶圓層級度量的範例已經有提供。很顯然，儀 器矽晶圓（包括 KLA-Tencor 的 SensorWafers）已經證明 在協助了解半導體製程方面有絕佳的效用。部份發現的
Chamber D
Chamber E “bad” CD
2500 2400 420 440
關鍵趨勢如下：
2900 RF Voltage (V)
RF Voltage (V)
Nominal CD 2900 2800 2700 2600
460 480
500 520
•
2800 2700 2500 2400 300 320
Time (s)
340 360
380 400
•
Time (s)
圖 11：兩個等離子蝕刻腔體的 PlasmaVolt 記錄，每個腔體都提供標 稱和規格以外的 CD 效能。
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緊縮的製程視窗以及附隨的造性問題將會持續產 生對於原處晶圓層級度量的需求。
2600
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降低的製程溫度以及減少熱預算支持無線 SensorWafers 的使用。
•
電測為等離子系統的溫度提供強大的增加效果。 17
度量 這些 SensorWafers 可透過大多數的 300mm 生產真空設備 與標準機器一同裝載。整個晶圓是以聚亞醯胺 (polyimide) 覆蓋，與顯影膠的化學成分非常類似。這些 SensorWafers 類型發現主要用於等離子蝕刻。
SensorWafers
無線儀器晶圓（以下統稱為 SensorWafers）擁有透過標準 半導體機器運作的優勢。SensorWafers 受到內建電子裝置 溫度的限制（一般都維持在 140°C 的順序）。每個半導
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體路線圖節點皆擁有低處理溫度以及較低的熱預算，有 助於無線度量的使用與接受。多數的 SensorWafers 都可測 量溫度。最近還增加測量電壓的功能。 下圖顯示 Integral™ 晶圓，包含 10µm 聚亞醯胺 (polyimide) 塗層。聚亞醯胺在可見光下呈現透通狀態，因此 可允許查看電子裝置和溫度感應器位置的細節。所有感 應器以及電子裝置皆位於晶圓表面的平面之下。此溫度 SensorWafer 有數種可能的替代配置方案，其中包括矽的 覆蓋層、二氧化矽或其他客戶指定的材料。視配置方案 而定，這些儀器晶圓的用途包括濕式表面處理、CMP、 顯影低溫 CVD、PVD 和等離子蝕刻。 下圖顯示 300mm PlasmaVolt™ 晶圓（含電子感應器）， 並且測量可以在表面上看見的電子。感應器以及電子裝 置在晶圓表面上有 3.4 mm 或以下的剖面。擁有此剖面，
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，2006 年第 99 卷 6. H. Hocheng and Y.L. Huang, “In situ endpoint detection by pad temperature in chemical mechanical polish of copper overlay,” IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing，2004 年 5 月第 2 期 第 17 卷，第 180–187 頁。 7. S. Wang, P. MacDonald, M. Kruger, C. Spanos, M. Welch, “CD uniformity improvement and IC process monitoring by wireless sensor technology,” IEEE 2004. 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 頁。 9. P. MacDonald and M. Kruger “Component health monitoring and diagnostics in plasma Etch Chambers using in-situ temperature metrology,” SEMI® Technical Symposium:Innovations in Semiconductor Manufacturing (STS:ISM) 2004 年。 10. Brown, T. Schrock, K. Poolla, M. Welch, P. MacDonald “Rapid diagnostics of etch processes in high-volume production using temperature metrology,” Semiconductor Manufacturing.2003 年 10 月第 4(10) 卷， 第 140–156 頁。 11. G. Roche, P. Arleo, P. MacDonald, “Wafer based diagnostics for dielectric etching plasmas,” Northern California AVS, Meeting of Plasma Etch Users Group，2007 年 5 月，http://www.avsusergroups.org/peug_pdfs/ PEUG_07_5_Roche.pdf.
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