度量
橢圓偏光薄膜度量加強了 45 奈米及以上的製程 Arun R. Srivatsa -– KLA-Tencor Corporation
橢圓偏光 (SE) 是今日晶圓廠生產薄膜監控的關鍵技術。在光譜保真度、較短波長的使用以及許多其他改善的進展使 得 SE 技術得以測量厚度及折射率，也包括許多薄膜中的材料成分，包括 65 nm 和 45 nm 節點的氮化氧、含硼矽鍺 (SiGe:B) 和 high-k 材料。
在 65 和 45 nm 節點出現新的材質與結構之後，對於薄膜
學薄膜度量新的應用資料與潛在的解決方案將會被提出
度量要求的複雜程度更為增加，但是度量的預算卻更加
討論。
縮減。在數個關鍵製程中，僅監控製程控制的厚度與折 射率已經不再足夠。同時還必須測量或推斷有效製程控
多項正面挑戰
制的成分、多孔性以及其他參數。使用包含這些參數的
業界普遍認為在 65 nm 和 45 nm 節點中，薄膜度量有日
光學屬性系統變動，最近在橢圓偏光量測 (SE) 應用方面
趨複雜與密集的趨勢（圖 1）。再加上普遍緊縮的製程視
的進步已經能夠成功地在研發與生產中採用這項技術，
窗與度量預算（一般的基本原則是總薄膜的度量預算應
以便監控不同物質的成分，例如 high-k 閘極電介質、氮
該小於製程預算的 10%），是由下列兩個其他因素所帶
化物閘極氧化物和含硼矽鍺 (SiGe:B)。處理新的材料和
動：許多新材質以及創新結構引進1-5 於製程的前端與後
複雜結構會面臨重要的製程控制挑戰與需求，而使用光
端，以及度量從監控晶圓上的薄膜代理測量移轉至產品
tr
Si
2
SO
HfO
TiN
Al 2
Ru
2 U l
C-Si O
新的挑戰。這些挑戰開始於從矽逐漸移轉至絕緣矽層
ed er
y ol
S
I
e iG
SiOC
在前端中，許多新材質的使用為度量及製程控制帶來了
er ALD-Seed Elect ar r i r ol es s D-B AL Cu nated Material i -K m E La En ow gi ne Pd fO2 BS H + O3 T Al 2 Ni O3 P N4 3
r ia l at e dM re ee in rial ate ng M Co Ti
aL
晶圓上的測量。
Ta /Ta N
S
Capacitor
Ny iO x W Al
Interconnect
SG
BP
WS
y P
xN y
G PS
S iO
2
ix
O x
ly Po
Transistor
ol
A
2
SOI 基板的使用也使得它更不容易測量閘極電介質以及 多層結構。表面矽層在氦氖 (HeNe) 波長 (633nm) 呈現透 明這個事實，使其成為一項多參數式測量（同時測量閘 準固定角度的單波長橢圓偏光儀 (SWE)。
iS i
O2
N
SiO
PHD
Si x
Si
N x SiO
Hf
SiO
Cu
Isolation
W
W y
L
2O 3
Si-Epi
2
要監控薄表面矽層以及埋層氧化層的厚度以及一致性。
極氧化物、表面矽層和埋層氧化層），而不可能用於標
Substrate O
(SOI) 基板。這些變更也產生了新的需求：SOI 基板需
TiN Ti
T
目前正在探尋多種方法，希望在矽通道上引進應力。這 些方法包括在源極／汲極中使用矽鍺:B（需要監控鍺、B 和矽鍺:B 厚度）以便壓縮性地加壓通道，以及使用高度 應力的氮化層（監控壓力）以便在通道中引進可伸展或 可壓縮應力。製程控制需求以及方法會因為使用的路徑
圖 1：與先前的技術節點相比，許多新的高度複雜的材料將以更快的 速率推出。
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各有不同。閘極氧化物電介質已經有漸薄以及更加強氮 化的趨勢，因此需要同時控制氧化物中的厚度以及氮。 19
度量 High-k 閘極電介質將最有可能先在 45 nm 節點中引進。
間缺乏關聯。在 STI 的製程控制中，需要進行氧化物和
有資格的材質例如 HfSiOxNy，需要同時監控多個元素／成
氮化物薄膜堆疊的晶圓方塊內測量。
分以便獲得有效的製程控制。除了監控更多變數的困難 之外，每個這些變數所允許的變動通常會更加緊縮，
解決薄膜度量問題
因為這些參數的錯誤限制能夠增加總計度量預算的消
光學薄膜度量（大部份是根據 SE）廣泛地用於整個晶圓
耗。同時還有與 high-k 度量有關的額外挑戰，包括監
廠中的製程控制。SE 是一個快速、非破壞性的技術，用
控金屬閘極電介質以及 high-k 電介質與矽之間的介面
於監控及產品晶圓的測量。SE 技術包括兩個主要的構成
層。在前端，也正在推出用於電容器的雙層以及奈米層
要素：包含良好光譜保真度以擷取薄膜及應用專業知識
基礎的 high-k 材質堆疊。
等資訊的硬體，以便使用光譜資訊及演算工具建立可行 工具。最近在前端的進展已經擴及至可行的 SE 架構解
雖然在前端會產生更多的挑戰，但是 low-k 材質以及銅
決方案的應用，例如在研發以及生產環境中的複雜薄膜
的引進也為後端帶來了不少重大的挑戰。Low-k 含碳雜質
的合成監控。
氧化物 (CDO) 以及相關阻礙和蝕刻停止層要求更嚴格的 度量控制以及更複雜的堆疊。滲透的 low-k 電介質加入
硬體透視中的主要改善為改善的光學設計，可產生更
了更多的複雜性，而目前似乎氣孔大小和氣孔分佈屬於
佳的光譜保真度，並且將 SE 延伸至 DUV 波長（減至
可能不需要生產監控的參數，多孔性和／或電介質常數
150nm）。合併起來，這兩個因素就很重要，因為延伸
的預估需要生產控制。
至 DUV 波長能夠從薄電介質薄膜擷取更多資訊，因此能 夠吸收更多波長，同時光譜保真度可提供更佳的解析度
由於免去監控晶圓的需要驅使目前的趨勢朝向產品晶圓
並且將度量錯誤限制減至最低，有助於滿足日益嚴格的
度量的方向前進，特別是在 300mm 方面。在某些情況
需求。
下，如果在晶圓方塊中的變化以及在劃道 (scribe lane) 中 的較大特徵之間缺少關聯，製程控制中會需要進行晶圓
光譜保真度的品質可藉由評估薄氧化物薄膜中的光譜錯
方塊內測量。6 產品晶圓測量通常是在劃道中的大型晶
誤（測量光譜以及理論光譜之間的差異）輕易判定。
圓墊中完成。隨著幾何的縮減，許多關鍵製程也受到影
至於使用 KLA-Tencor 系統的範例，請檢視兩代產生 SE
響。舉例來說，在淺溝槽道絕緣 (STI) 中，有標示指出在
系統的光譜品質（圖 2）。錯誤會以相同的比例繪製在
劃道中的晶圓墊上的 CMP 率和晶圓方塊中的 CMP 率之
Residual spectral errors SpectraFx 0.03
Error-SE1
0.02
0.02
Error-SE2
0.01
0.01
SEα
SEα
ASET-F5x 0.03
0.00 -0.01 -0.02
Error-SE3 Error-SE4 Error-SE5
0.00 -0.01
300
400
500
600
-0.02
700
300
400
500
600
700
300
400
500
600
700
0.02
0.02
0.01 0.00
SEβ
SEβ
0.00 -0.02
-0.01 -0.02 -0.03
-0.04
-0.04
300
400
500
600
700
圖 2：在所有波長上的殘餘光譜錯誤接近於零，而殘餘錯誤的特性可以在新一代的 SE 系統中重複。
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20
度量 圖形組中。較新 SE 系統中在所有波長上的殘餘錯誤會
以及脫附器解決 AMC 的可實行生產性驗證解決方案已
相當小，同時接近於零。在這些生產工具上的錯誤量被
經配製以監控薄 SiON 閘極電介質中的厚度及氮氣濃縮
認為能夠和使用類似測試的搜尋等級系統中的錯誤量相
儀 (%N)。此解決方案已不斷展現出測量的 SE 參數以及
比。同樣重要地，在最新 SE 工具剩餘小型殘餘錯誤的
寬 DoE 上的 %N 基線資料之間的良好關聯。此類型的
「特徵」從某系統到另一個系統實際上是相同的。從光
光學解決方案目前已經在全球的數間晶圓廠中成功地實
譜的觀點來看，測量硬體在本質上是符合的。高光譜保
施。7
真度以及系統至系統的光譜比對，是符合最具挑戰性的 薄膜應用上的極端緊縮需求的關鍵因素。 任何有關薄閘極電介質薄膜的光學監控的討論都必須要 解決氣態分子污染 (AMC) 的問題。有興趣了解更多細節 事項的人可以查詢更詳細的討論。 6 使用橢圓偏振技術
High-k 閘極光學度量
有資格的材質大部份是 Hf 基礎的氧化物或矽酸鹽，並 且包括 HfO2、HfSiOx 和 HfSiOxNy。擁有這些材質，一般 將會有約 5–10Å 厚度的介面層介於 20-40Å high-k 電介 質和矽之間。夾層中有比大量 high-k 材質為低的電介質 常數。製程控制體系一般都會依賴大量 high k 電介質的 厚度與成分監控，再結合 high-k 電介質與矽之間的介面
SE vs XPS
電子監控。這些 high-k 材質的光學屬性會因為下列成分
%SiO2 in HfSiOx
a)
而有系統上的差異。在低波長中（特別是減至 150 nm 的 DUV），會因為吸收的增加而產生材質的靈敏度增加。 使用此資訊，同時利用最近在硬體、演算法和應用度量
%SiO2 (SE)
50%SiO2
方面的進展，SE 能夠同時監控兩個成分參數。 y = 0.9881x + 1.0923 R2 = 0.9954
例。圖 3a 顯示 HfSiOx DoE 之間的結果。在此例中，SE 是用於對應與輸出 %SiO2（HfSiOx 薄膜中）。範圍廣泛
%SiO2 (XPS)
的成分，將近有 50% 的 SiO2 變化在 HfSiOx 中，是多重
%SiO2
b)
圖 3 顯示開發晶圓廠 high-k 薄膜中的光學成分測量的範
晶圓的 DoE 上的範例。X 射線光電子能譜 (XPS) 是用作
%SiO2 (SE)
參考技術。在使用 XPS 和 SE 的 DoE 中，有 21 個量測點 跨每個晶圓（從中心到邊緣）執行測量。減少至 150 nm
25%SiO2
的 DUV 波長是用於加強光學模型。結果顯示成分的 SE 輸出、跨 DoE 的 XPS 基線和 DoE 中的每個晶圓內之間 y = 0.8012x + 11.828 R2 = 0.9096
有密切的關聯。在 HfSiOxNy 薄膜（圖 3b）中，最近發展 的演算模式是用於同時計算薄膜中 %SiO2 和 %N。隨著 HfSiOx 薄膜的使用，會在 DoE 中的每個晶圓上執行 21 個
%SiO2 (XPS)
量測點測量，以驗證在 DoE 中寬廣的成分範圍間，追蹤
%N
每個晶圓內的組成變化的能力。此外，在 DoE 的範例中
%N (SE)
顯示在廣泛的成分範圍之間與基線有良好的關聯。 8%N
監控雙層結構
在擁有 high-k 材質之後，矽鍺的光學屬性會產生系統變 y = 1.1088x + 1.0751 R2 = 0.9676
化，並且增加鍺濃縮的程度：在高摻雜濃度時硼 (B) 的 存在對於光學屬性有間接的影響。使用 DoE 與相對常數 硼濃縮（有部份變化）和鍺濃度蟹的系統變化，SE 基礎
%N (XPS)
光學解決方案已經設定使用相同的配方測量單層矽鍺:硼 圖 3：(a) 使用 SE 追蹤 HfSiOx 薄膜中的成分；(b) 使用 SE 同時確定 HfSiON 薄膜中的兩種成分。
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(SiGe:B) 和雙層矽蓋／矽鍺:硼／矽結構。矽鍺:硼 (SiGe:
21
度量 B) 和矽蓋 (Si-cap) 層的厚度會與矽鍺:硼 (SiGe:B) 層中的
評估使用單一配方正確預測進行變更的測量穩固性。十
鍺濃縮一起測量。在這裡，X 光繞射 (XRD) 和二次離子
六個參數同時進行測量：在所有層級（頂端氧化物層
質譜術 (SIMS) 是用作基線技術。如同早先描述的其他應
除外）的厚度、n 和 k 中，只有厚度會進行測量。在頂
用，在鍺濃縮及基線技術的光學測量之間已達成絕佳的
端氧化物層的折射率並不會測量，因為通常折射率可以
關聯。
妥善地控制。您可以看見在單一的配方中，在此七晶圓
在生產環境中同時追蹤多重參數的能力可以從圖 4 中的 結果看出。四晶圓 DoE 的繪製結果大略上與矽鍺:硼和 矽蓋的厚度類似，但是有不同的鍺濃度。會使用標準九
DoE 中同時進行的變更可能正確地預測到。不同色彩的 圓圈列舉了缺少的層級、雙沉積層、半沉積層和擁有厚 度隨機變化的層級。
量測點的 Prometrix 圖樣從晶圓的中心至邊緣進行測量。
從監控晶圓至產品晶圓的度量移轉正透過 300mm 晶圓
矽鍺:硼層的標稱厚度超過 1000Å，並包含一個薄矽蓋層。
的推出而加快速度。在監控晶圓中，比較容易保留度量
在九量測點的圖樣內，反應裝置的特徵會在矽鍺:硼和矽
的簡化並且監控個別的薄膜或製程。產品晶圓需要新增
蓋厚度中重現，而有不同的鍺濃度。生產環境中三個工
的需求以監控多層堆疊中相同的薄膜和製程。個別薄膜
具的資料也顯示不同參數的結果將可完全符合。此類的
及製程的度量需求並未變更，雖然由於更多的參數必須
工具對工具的匹配是可能的，原因在先前的光譜保真度
在薄膜堆疊中同時測量，而使得測量更加複雜。光譜保
有說明。 Multiple parameter tracking
超薄 ONO 薄膜堆疊度量
%Ge in the SiGe:B layer in Si-cap/SiGe:B/Si
薄氧／氮／氧化物 (ONO) 薄膜堆疊是用於 DRAM 和快閃 記憶體堆疊。在 90 nm 節點中，浮置閘極 Flash 的氮化物
wfr4 10%range
於頂端和底部層之間有極高的關聯需求，因此這是具有
wfr2 Tool A
wfr1
物層的厚度所驅動，因為當氮化物變薄時，關聯會明顯
Tool B Tool C
地增加。由於氮化物薄膜已經在較短的波長中增加了吸 收的特性，因此使用較短波長會增加頂端和底部氧化物 的對比。為了能夠進行這些測量，必須擴大 SE 技術以減
Si-cap thickness in Si-cap/SiGe:B/Si Nom + 40Å
至 DUV 波長（190 nm）-氮化物在 50Å 的 ONO；以及減 至 VUV（150 nm）- 氮化物減至 30Å 的 ONO。 190SE 和 150SE 系統能夠精確地追蹤已經監控的製程變
wfr1
wfr2
wfr3
Nom Tool A
更。兩個系統都能準確地追蹤氮化物厚度。190SE 系統顯 示頂端和底部氧化物厚度降至 50Å 的氮化物厚度時的平
wfr4
Tool B
Si-cap thickness (Å)
挑戰性的測量。關聯的程度是由分隔兩個氧化物的氮化
wfr3
%Ge
厚度目標大約是 50Å（在 65 nm 中可能低至 30Å）。由
Tool C
Nom - 40Å
坦回應，但是當氮化物厚度偏低時，便會開始顯示氧化 個 DoE 的頂端和底部氧化物厚度（依據設計）。因此對
Nom + 150Å
於氮化物厚度低於 50Å 的薄 ONO 堆疊，建議使用 150SE
wfr1
功能來監控製程。
wfr2
wfr3
wfr4
Nom Tool A
多層、多參數測量
Tool B
表 1（下一頁）顯示使用擁有高光譜保真度和健全演算
Nom - 150Å
SiGe:B thickness (Å)
SiGe:B thickness in Si-cap/SiGe:B/Si
物之間的偏差與關聯。在另一方面，150SE 系統顯示整
Tool C
法的進階系統完成測量的類型範例。在一個六層、low-k BEOL 薄膜堆疊的測量中，會執行七個晶圓的 DoE ，以
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圖 4：使用 SE 同步測量矽蓋 (Si-cap) 的厚度以及矽鍺:硼 (SiGe:B) 層 的厚度及成分（跨鍺濃縮 DoE）。在生產環境中良好的工具對工具匹 配尤其重要。
22
度量 真度和工具對工具的光譜匹配在多層薄膜中變得更加重
致謝
要。在上述六層堆疊中多重參數的測量範例中，列舉了
作者感謝參與數個度量主題詳細技術討論以及協助作者
此功能的進展。必須注意的是，在典型的生產環境中，
取得許多圖片使用權的幾位同事。他們包括 KLA-Tencor
一位使用者不可以同時測量過多的參數。
公司的 Arun Chatterjee、Torsten Kaack、Zhengquan Tan、 Sungchul Yoo 和 Shankar Krishnan；以及 ST Microelectronics
SE 的未來展望
的 Simona Spadoni、Rosella Piage 和 Davide Lodi。
SE 持續成為今日晶圓廠在薄膜的生產監控方面的精選
備註：本文章最初於 2006 年 12 月的 Semiconductor International 雜誌發表。
技術。光譜保真度的持續進展、SE 延伸至較低波長，以 參考資料
及在硬體、演算法和應用功能方面的改善，使得 SE 技
1. International Technology Roadmap for Semiconductors, http://www.itrs.net.
術的使用能夠記述額外的參數（例如極薄到較厚薄膜的 成分），潛在地滿足 65 和 45 nm 節點日益複雜的度量需
2. Y.-C Yeo, Q. Lu, T.-J King, C. Hu, T. Kawashima, M. Oishi, S. Mashiro and J. Sakai, Proc of the International Electron Devices Meeting (IEDM), p. 753, 2000.
求。目前正在採用 SE 基礎的光學薄膜度量解決方案， 以監控與氮化氧和矽鍺:硼 (SiGe:B)相關的數個複雜製 程，以及 high-k 材質的開發。最近技術在多項前端的進
3. H. van Meer and Kristin De Meyer, 2002 Symp. on VLSI Technology, Digest of Technical Papers, p. 170 2002.
展也促使加速移轉至整個晶圓廠的產品晶圓度量和多重
4. H.S.P. Wong, IBM Journal of Research and Development, V46, N2/3, 2002.
參數，以及多層測量。有了這些持續性的進展，SE 基礎
5. David Lammers, EE Times, 4/4/2005. http://www.eetimes.com/ showArticle.jhtml?articleID=160401538.
的薄膜度量可以持續成為 45 nm 及以上的生產度量的重
6. Arun R. Srivatsa, Yield Management Solutions，2005 年冬季刊，第 22 頁
負荷技術。
7. Sungchul Yoo, Zhiming Jiang, Eric Wang and Zhengquan Tan, YMS Seminar, Semicon West, San Francisco，2006 年 6 月
Seven-wafer DoE of six-layer low-k stack Wafer 5
Wafer 6
Wafer 7
Ox
Wafer 4
Thickness
Mean
650.6
1048.5
9.9
1007.5
1019.9
1045.4
1001.3
SiC(1) Low-K SiC(2)
Wafer 3
Thickness
Mean
653.4
577.3
613.6
647.2
617.0
593.9
649.4
RI @ 633 nm
Mean
1.7161
1.7224
1.7370
1.7075
1.7193
1.7210
1.7095
Thickness
Mean
2568.9
2640.4
2513.1
2575.5
1238.1
4939.2
2561.6
RI @ 633 nm
Mean
1.3807
1.3640
1.3805
1.3662
1.3785
1.3713
1.3647
Thickness
Mean
423.4
414.8
419.6
789.4
412.9
418.4
363.3
RI @ 633 nm
Mean
1.8548
1.8384
1.8472
1.8368
1.8418
1.8441
1.8394
Low-K
Wafer 2
Thickness
Mean
1266.1
4921.4
2491.6
2551.3
2501.1
2468.0
56.4
RI @ 633 nm
Mean
1.3943
1.3923
1.4042
1.3907
1.3925
1.4069
1.4153
SiN
Wafer 1
Thickness
Mean
524.0
529.2
526.7
526.2
515.6
521.3
559.3
RI @ 633 nm
Mean
2.0350
2.0317
2.0443
2.0361
2.0572
2.0526
2.0594
表 1：分布七晶圓 DoE 上的六層 low-k 堆疊的測量穩固性是隨機採用缺少的層級、雙沉積層、半沉積層和其他薄膜疊中的變化進行測試。
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