從被動回應到即時監測,乃至主動預測:原位半導體計量的新時代

作者 : Martin Mason,Atonarp產品行銷副總裁

光是發現問題還遠遠不夠,半導體製程更需要實現原位、即時的定量分析,以便在造成缺陷、電氣性能異常或生產線良率偏差之前及時解決問題…

儘管線上半導體計量具有優秀的成像效果,並能準確辨識出製程中的問題,但事實上它對於及時解決問題,避免經濟損失並無多大作用。光是發現問題還遠遠不夠,半導體製程更需要實現原位、即時的定量分析,以便在造成缺陷、電氣性能異常或生產線良率偏差之前及時解決問題。

換言之,半導體製程控制需要從線上監測轉向原位製程量測與控制。計量的目標不應侷限於「我們發現了一個加工問題,該怎麼辦?」,而是要實現「我們能夠確定,我們的製程此時此刻正在理想限值內,以最高吞吐效率順利運作」。但如何在實踐中實現這種變化呢?

原位計量面臨的挑戰

原位測量(in-situ metrology)與控制伴隨諸多挑戰。要實現有效的製程控制,就需要實現靈敏度高、可重複性強的即時測量。然而,許多製程與腔室清洗氣體都具有腐蝕性,而化學氣相沉積(CVD)更是會導致一切都被凝結顆粒所覆蓋。

計量和控制的複雜性不僅源於惡劣的量測環境,也來自於製程本身。隨著蝕刻的開放區域越來越小,便需要對副產物有越高的靈敏度,才能偵測蝕刻終點。另外,二元氣體原子層沉積(ALD)和原子層蝕刻(ALE)製程需要在製程腔室中進行有效的吸收和吹掃監測,以利最大限度地提高產量和一致性。

此外,許多製程使用的是遠端或較弱的電漿,或不使用電漿,因而導致傳統的光學發射光譜(OES)解決方案無法使用。這些挑戰越來越難以克服,而製程偏差也導致成本成倍增長。

當前即時計量的限制

目前確實存在一些可提供原位即時資料的計量解決方案,但都有一些固有侷限性。OES是應用最廣泛的解決方案,但有越來越多的製程應用並不適合這個方案。OES計量難以實現化學物特異性和多變數分析,因為多個分子和亞種的光譜資料經常重疊,導致物種的量化非常困難。此外,如果採用遠端或脈衝電漿解決方案,甚至不使用電漿,以及如果關鍵蝕刻終點副產物分子的濃度較低(尤其是在開放區域較小的蝕刻中),則OES的訊噪比(SNR)將不足以精準地確定終點過渡。由於缺乏特異性和靈敏度,OES在越來越多的情況下,不再是有效的原位計量解決方案。

少數晶圓廠開始採用殘餘氣體分析(RGA)質譜法來偵測與診斷問題。然而,RGA解決方案有一個廣受詬病的缺陷,即容易受到半導體製程惡劣條件的影響。而且,許多此類解決方案要不缺乏原子質量單位範圍(amu),要不缺乏百萬分之一(ppm)或更精細的先進製程監測所需的靈敏度。RGA系統採用電子電離(EI)燈絲為質譜感測器(m/z)的質譜創造正電荷離子。EI燈絲很容易因腐蝕而失效,或被凝結物覆蓋,只能維持數小時的運作。

即時原位量測的全新方法

為使質譜成為真正有效的計量手段,需要積極轉變思路,巧妙克服當前阻礙。以此為目標,Atonarp團隊已開發出一種穩健可靠的新型原位計量解決方案。實踐表明,Aston系統提供的這種全新方法能夠帶來卓越的分析和運行效能。

該方法十分注重實現低維護需求、長期訊號穩定性和可重複性,能滿足「精確複製」的嚴格製程控制要求,並在同一晶圓廠內甚至整個企業中滿足跨生產走廊的設備工具匹配要求。這套新方法採用兩項創新,來解決刺激製程化學品、製程副產品氣體(如NF3、HF、HCl和CF4),以及使用TEOS和SiH4的製程中所生成的沉積顆粒。

首先,為進行電離,我們開發了一種電漿電離源,它不會像傳統電子電離器那樣被腐蝕性氣體損壞。這意味著,電漿電離器在連續工作數百個射頻小時後才需要進行維護。受惠於這種穩健可靠的電離解決方案,Aston提供的量測資料具有化學物特異性、長期穩定性和可重複性,可確保批次間量測結果保持一致。

其次,為了經受沉積製程過程中的顆粒聚積,Aston擁有ReGen自體清潔模式。這個功能使儀器能夠自我清潔,使用製程氣體或高能電漿離子來清除CVD過程中,可能聚積在感測器與電漿電離腔室壁上的沉積物。ReGen模式可以與定期腔室清洗,以及設備工具預防性維護作業同步運行。

同一平台,多種應用

 

 

這種新型原位計量方法在半導體製程中有多種多樣的用途,在此僅列舉幾例:

1.EUV光源的管理和清洗:Aston可用於在鏡面清洗過程中偵測與監測SnH4 (錫烷氣體)的終點。利用氫氣電漿去除光源內部鏡面上的一層薄錫膜。該錫膜是用於產生EUV光源(13.5nm)電漿的副產物,是熔融的錫被雷射汽化成電漿時所產生。Aston可用於偵測該去除過程的蝕刻終點,以防止內部鏡面蝕刻過度。如果不去除該錫層,就會導致曝光時間延長、光刻結果不一致。

2.使用WF6 (六氟化鎢)的製程:WF6氣體在氫的作用下,將生成金屬鎢和氫氟酸。金屬鎢廣泛應用於3D NAND結構,用於形成字線。這種3D記憶體的沉積製程難度很大,因為需要在沉積100多層快閃記憶體並已在結構中蝕刻出狹窄通道之後,再在整個3D記憶體陣列中沉積鎢字線。與此類似,由於鎢能夠沉積出保形膜層,其也被用於先進節點邏輯製程中越來越狹小的觸點和幾何結構微小的過孔,以及高K金屬門製程。鎢沉積製程並不總是使用電漿,但如果使用,則通常是較弱的遠端電漿源,所以大多數情況下無法使用OES進行計量。副產物HF (氫氟酸)氣體具有強腐蝕性,因此Aston堅固可靠的設計使其非常適合這類應用。

在沉積過程中,可根據WF6的吸收和副產物情況分析結果來設定製程終點。預計在未來幾年,WF6氣體將會供應緊缺、價格上漲。與此類似,氮化鈦(TiN)的沉積方式與鎢相同,而且在FAB製程中,TiN常被用作鎢的種子層,因此若能在集束型製程設備中精確沉積這兩種物質,將對生產十分有利。

3.氫(自由基)和電漿在遠端氫電漿源(RPS)中的應用:與WF6的情況相似,氫電漿也很難透過OES解決方案進行監測和管理。RPS用於晶圓表面電漿清洗,以消除缺陷。

4.NF3 (三氟化氮)電漿乾洗:遠端電漿源也可用於產生清洗腔室的自由基。由於沒有可見的電漿,OES將無法使用。通常會監測源自由基/氣體與進入乾式真空泵的腔室排氣前級管道氣體的量測結果。需要避免腔室清洗過度或不充分的問題。清洗過度會導致腔室結構生成氟化鋁,並以顆粒形式剝落,是廣受詬病的良率與缺陷問題。

5.腔室化學指紋圖譜:可透過原位計量方式測量並量化經過清洗和調理的腔室狀態,並利用具有化學物特異性的分子資料和量化結果,為腔室情況設定黃金標準。這對於確保製程一致性至關重要,因為製程腔室健康狀況偏差在製程誤差預算中的重要性越來越高。在先進的製程管理理念中,設備製程協同最佳化(EPCO)正逐漸變得與設計技術協同最佳化(DTCO)同等重要。此外,腔室指紋圖譜也是一種極具價值的工具。它將已知的腔室化學成分作為出發點,可以減少快速擴展以及將製程開發成果從研究轉移至大批量生產時可能出現的變數。

6.乾式真空泵和削減系統的排氣管理:具有兩個氣體通道的Aston,可用來測量進入與離開乾式真空泵和削減子系統的氣體,尤其是WF6和TiN。一般會在乾式真空泵前級管道使用氮氣稀釋,以減少WF6的影響,因為它是一種腐蝕性氧化劑,會與泵反應並將其腐蝕。為確保乾式真空泵安全運作,需要對進入時和稀釋後的濃度進行監測。同樣,WF6的排放也受到管制,因為它是一種劇毒氣體,在排放前要使用削減系統來消除殘餘氣體。Aston可透過監測其輸入和/或輸出濃度來調節削減量。

7.高k材料中二元化學原子級沉積的氣體輸送管理:如3D NAND和DRAM電容中的HfO2或ZrO2,以及Al2O3。至關重要的是,在向製程腔室注入後續製程氣體之前,必須先將被表面吸收的前體氣體從腔室中清除。Aston正在接受評估,以確定其監測前體氣體和在後續製程氣體注入之前將其清空的效果。此外,在ALD/ALE製程中,反應氣體在同一腔室中被中性氣幕隔開,並採用旋轉的晶圓平台,以顯著提高產量——因此需要確保製程氣體不會突破惰性氣幕而在腔室內混合。

總結

取得分子能階的原位即時資料能夠真正實現製程可觀察性,並提供豐富、可操作、有影響的資料,具有極大商業潛力。可辨識和量化反應物、副產物、分壓和濃度,實現動態製程控制,以確保嚴格控制各個製程步驟。掌握了這種資料驅動的下一代智慧系統,就可以從被動的線上反應計量轉向迅捷的原位計量,從而在問題初現端倪之時就及時化解,甚至在問題出現之前就主動預防。

最重要的是,先進分子感測器帶來的優點並不侷限於FAB生產線上。值此產業面臨變局之際,以全新思路開拓製程控制方法,可望為FAB的效率和精準度樹立嶄新標竿,並為提升生產良率和吞吐量做出有力貢獻。

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