Chs 05 by KLA Corporation

测量

光学椭圆偏光薄膜测量支持 45 纳米及以上的节点 Arun R. Srivatsa - KLA-Tencor Corporation

光学椭圆偏光 (SE) 是当今代工厂中用于薄膜生产监控的一项关键技术。光谱保真度的提高、较短波长的使用以及许多其他的进步使得 SE 技术不但能够测量厚度和折光率，还能测量许多薄膜中的材料成分，包括在 65 纳米和 45 纳米节点处测量氮化氧化物、掺硼硅锗 (SiGe:B) 及高 k 材料。

随着 65 和 45 纳米节点处新材料和结构的出现，对薄膜

方面存在着重要的工艺控制挑战和要求，还将讨论采用

测量的需求越来越复杂，而测量预算却越来越紧张。在

光学薄膜测量的新应用数据和潜在解决方案。

几个关键的工艺中，只监控厚度和折射率已经不够进行工艺控制了。为了实现有效的工艺控制，我们必须测量

多方面的挑战

或推断其成分、孔隙率和其他参数。光学椭圆偏光 (SE)

在 65 纳米和 45 纳米节点处，薄膜测量正在变得越来越

应用领域的最新进步利用了光学性质随着这些参数的系

复杂和密集，这一点几乎是公认的（图 1）。随着工艺

统变化，将这种技术成功地应用到了研发和生产中，用

窗口和测量预算的紧缩（一般经验规则是薄膜测量总预算

于监控高 k 栅极电介质、氮化栅极氧化物和掺硼硅锗

应当低于工艺预算的 10%），这一点是由另外两个因素

(SiGe:B) 等各种材料的成分。在加工新的材料和复杂结构

驱动的：前端和后端许多新材料和创新结构1-5的引入，以及测量法从监控晶片上的薄膜代表性测量向产品晶片上的

HfO

TiN

Al 2

2 U l

C-Si O

ed er

y ol

e iG

SiOC

在前端，许多新材料为测量法和工艺控制带来了新的挑

r ia l at e dM re ee in rial ate ng M Co Ti

测量转移。 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

Ta /Ta N

Interconnect

W Al

O x

Capacitor

Ny iO x

嵌埋氧化物），无法采用标准的固定角单波长椭圆偏光

(SWE)。

xN y

G PS

S iO

ly Po

Transistor

使得测量栅极电介质和多层结构变得更加困难。表面

iS i

SiO

Si x

N x SiO

Isolation

SiO

面硅层和嵌埋氧化物的厚度与均匀度。SOI 衬底的使用

是一种多参数测量（同时测量栅极氧化物、表面硅和 PHD

W y

2O 3

Si-Epi

而这些变化产生了新的要求：SOI 衬底需要监控薄的表

硅在 HeNe 波长（633 纳米）处是透明的，因而其测量

Substrate O

战。这些挑战始自从硅向绝缘硅 (SOI) 衬底的逐渐转移。

TiN Ti

目前正在寻求多种方法将应力引入硅通道中。其中包括在源极／漏极区域使用 SiGe:B （需要监控 Ge、B 和 SiGe: B 厚度）以压缩通道，以及使用高应力氮化物层（监控应力）以便将张力或压缩应力引入到通道中。工艺控制

图 1：与先前的技术节点相比，许多新型高复合材料正在快速引入。

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要求和方法因所用路径的不同而异。栅极氧化物电介质 19

测量正在变得越来越薄、氮化程度越来越高，既需要控制厚

间的相关性明显不足。对于 STI 中的工艺控制，需要对

度，又需要控制氧化物中的氮。

氧化物和氮化物薄膜层叠进行芯片内的测量。

高 k 栅极电介质将很可能在 45 纳米节点处首次引入。

解决薄膜测量问题

HfSiOxNy 等候选材料需要同时监控多个元素／成分，以便实现有效的工艺控制。随着监控更多变量的难度增大，每个变量允许的变化却愈加严格，因为这些参数的误差棒可能会消耗测量总预算。另外，还存在其他与高 k 测量有关的挑战，包括监控金属栅极电极和高 k 电介质与硅之间的界面层。在前端，同时也在引入用于电容器的双层和纳米层基高 k 材料叠层。

在很大程度上以 SE 为基础的光学薄膜测量已经广泛应用到了整个代工厂的工艺控制中。SE 是一种快速的无损技术，用于监控和产品晶片测量。SE 技术包括两种关键的成分：用于从薄膜中提取信息的、具有良好光谱保真度的硬件，以及采用光谱信息和算法工具创建可行解决方案的应用技术。这两个方面的最新进展促成了基于 SE 的可行解决方案，用于研发和生产环境中复合薄膜的成

在前端出现了许多挑战的同时，后端引入的低 k 材料和铜也带来了巨大的挑战。相关阻障层和蚀刻停止层中低 k 掺碳氧化物 (CDO) 的使用需要具有更复杂层叠的、更严格的测量。多孔低 k 电介质增加了复杂性，这是因为虽然孔尺寸和孔分布在此时好像是生产监控不需要的参数，但生产控制却要求对孔隙率和／或介电常数进行评估。

分监控等应用。硬件方面的主要进步是光学设计的改进，从而提高了光谱保真度；还有 SE 扩展到 DUV 波长（最低至 150 纳米）。这两个因素的结合非常重要，因为扩展到 DUV 波长可以使更多的信息能够从介电薄膜中提取出来（薄膜在这些波长处吸附力更强）；而光谱保真度则可以提高

产品晶片测量的趋势在很大程度上是由消除监控晶片的

分辨率，降低方法的错误棒，有助于满足越来越严格的

需要所驱动的，特别是在 300 毫米处。在某些情况下，

要求。

由于芯片变化与划片道内的较大特点之间缺乏相关性，工艺控制需要进行芯片内测量。6 产品晶片测量通常是在划片道内的大垫上进行的。随着几何尺寸的缩小，许多关键的工艺都受到了影响。例如在浅沟道隔离技术 (STI) 中，划片道内垫上的 CMP 率与芯片中的 CMP 率之

对于一个氧化物薄膜来说，光谱保真度的质量可以很容易地通过评估光谱错误来确定（实测光谱与理论光谱之间的差别）。例如，采用 KLA-Tencor 的工具测定两代生产 SE 系统的光谱质量（图 2）。在两套图纸上以相同

Residual spectral errors SpectraFx 0.03

Error-SE1

0.02

Error-SE2

0.01

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

0.01 0.00

SEβ

0.00 -0.02

-0.01 -0.02 -0.03

-0.04

300

400

500

600

700

图 2：整个波长上的残余光谱误差接近于零，残差信息在新一代的 SE 系统中是可重现的。

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测量的比例尺绘制误差。可以看到，新 SE 系统在所有波长

器来解决 AMC，这是一种可行的、经过生产证实了的解

上的残差明显较小，接近于零。经发现，这些生产工具

决方案，专用于监控薄 SiON 电介质中的厚度和氮浓度

误差的量级与采用类似试验的研究级系统的误差相当。

(%N) 。该解决方案反复验证了宽 DoE 上的实测 SE 参数

同样重要的是，看到最新 SE 工具上剩余小残差的“信

和 %N 基线。这种光学解决方案目前已经在全世界多个

息”在系统之间实质上都是相同的。从光谱观点来看，

代工厂中成功实施。7

测量硬件在本质上是匹配的。在大多数挑战性的薄膜应用中，高光谱保真度和系统间光谱匹配对于满足极为严

高 k 栅极光学测量

格的要求来说是非常关键的因素。

候选材料主要是基于 Hf 的氧化物或硅酸盐，包括 HfO2、

有关栅极介电薄膜光学监控的任何讨论都必须要解决大

HfSiOx 和 HfSiOxNy。采用这些材料，一般在 20-40 埃的

气分子污染 (AMC) 问题。对于那些有意探求详细情况的人士，我们将提供详细的讨论。6 使用椭圆偏光技术和解吸

高 k 电介质与硅之间会有一个厚度约为 5-10 埃的界面层。这个中间层的介电常数低于整体的高 k 材料。工艺控制方案通常依赖于整体高 k 电介质的厚度和成分监控，以及高 k 电介质与硅之间的界面的电监控。这些高 k 材料的光学性质因成分而异。在较低波长处，特别

SE vs XPS

是在 DUV 以下至 150 纳米处，由于吸收率较高，因而

%SiO2 in HfSiOx

对这些材料的灵敏度也较高。使用这一信息，并利用硬件、算法和应用方法方面的最新进展，SE 可以同时监控两个成分参数。

%SiO2 (SE)

50%SiO2

图 3 显示了在开发代工厂中对高 k 薄膜成分进行光学测 y = 0.9881x + 1.0923 R2 = 0.9954

情况下，SE 用于绘图并输出 %SiO2（HfSiOx 薄膜中）。在具有多个晶片的 DoE 上采集了较宽范围的成分样品，

%SiO2 (XPS)

接近 50% SiO2 变化（在 HfSiOx 中）。X 射线光电频谱仪

%SiO2

量的示例。图 3a 显示了 HfSiOx DoE 上的结果。在这种

(XPS) 被用作参考技术。采用 XPS 和 SE 在 DoE 中的每个

%SiO2 (SE)

晶片上（从中心到边缘）进行 21 个点的测量。DUV 以下至 150 纳米的波长被用于建立光学模型。这些结果显

25%SiO2

示 DoE 上以及 DoE 中的每个晶片内用于比较的 SE 输出与 XPS 基线之间存在很强的相关性。对于 HfSiOxNy 薄 y = 0.8012x + 11.828 R2 = 0.9096

膜（图 3b），一种最近开发的算法模型被用于同时计算薄膜中的 %SiO2 和 %N。而对于 HfSiOx 薄膜，在 DoE 中的每个晶片上进行了 21 个点的测量，以验证在 DoE

%SiO2 (XPS)

中很宽范围的成分上跟踪每个晶片内成分变化的能力。

同样，在 DoE 中取样的很宽范围的成分上与基线具有良

%N (SE)

好的相关性。 8%N

监控双层结构

对于高 k 材料，SiGe 的光学性质随着 Ge 浓度的增大而发 y = 1.1088x + 1.0751 R2 = 0.9676

生系统性的变化。高掺杂浓度硼 (B) 的存在对光学性质具有次要影响。基于 SE 的光学解决方案使用 B 浓度较为恒定（有一些变化）、Ge 浓度有着系统变化的 DoE，利

%N (XPS)

用相同的配方测量单层 SiGe:B 和双层 Si-cap/SiGe:B/Si 结图 3：(a) 用 SE 跟踪 HfSiOx 薄膜中的成分；(b) 用 SE 同时测量 HfSiON 薄膜中的两种成分。

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构。同时测量 SiGe:B 和硅帽层的厚度，以及 SiGe:B 层中的 Ge 浓度。在这里，X 射线衍射 (XRD) 和次级离子质 21

测量量光谱法 (SIMS) 被用作基线技术。对于前面所述的其他

时测量十六个参数：对除顶部氧化物层之外的各层，测

应用，Ge 浓度的光学测量值与基线技术之间达到了良好的

量厚度、n 和 k；对于顶部氧化物层，只测量厚度。对顶