在进阶微影度量中，散射测量临界尺寸(Scatterometry Critical Dimension，SCD)为一种用于控制工艺时常见的度量方法，具有回报诸如临界尺寸(CD)、光阻侧壁角(Side Wall Angle，SWA)与光阻高度(Height，HT)等精确数据信息的能力。

光阻的形状与在线工艺控制因子(process controller)相关，也就是扫描机焦点与剂量(dose)；但是SCD既然是一种以模型为基础的度量方法，为解碼工艺控制因子，需要来自几何模型的计算。当模型从光谱中撷取出光阻形状的信息后，为监测目的，会需要这些几何参数与工艺控制因子之间的进一步关联性，因此在多重建模过程中遗失的信息变成为一大隐忧；在数据转换过程中，噪声与模型的近似值会扭曲信号，换句话说，可能无法准确测量关键参数、焦点与剂量。

为此本研究试图寻找以最低量信息转换方式来监测焦点与剂量的度量法。信号响应度量(Signal Response Metrology，SRM)是一种新的测量技术，透过将焦点、剂量或CD与以SCD为基础的度量工具之光谱响应做出关联，来避免几何建模的需求。

为何需要光阻监测？

由于各类组件对工艺微缩的持续需求，微影技术在现今的半导体产业扮演关键角色；若要产出最佳的线路分辨率，扫描机必须精确严密地控制焦点与曝光，这两项关键因素决定了显影后的光阻截面轮廓(photoresist profile)。

为调整工艺目的，剂量可藉由加强或减弱能量来控制线路/空间尺寸。较强的光源剂量将提供更多能量，并促使更多酸(H+)在阻剂中生成；因此显影后的线路间空隙会较大；相反地，降低剂量则会缩小线路间距，因此线路间的空隙也会较小。

诸如SD与CDSEM等的度量工具，则用来研究线路与间隙如何受到剂量变化的影响，且多半用来调整工艺；但数据显示，晶圆远程边缘的晶粒通常拥有较大的光阻临界尺寸变异，并呈现与晶粒最终良率的强势关联性。

猜测其根本原因若不是来自扫描机阶段，就是之前的某些沉积阶段──例如晶圆平面度或薄膜均匀度常造成问题的薄膜沉积阶段；以上两种原因都将导致晶圆弯曲，且其结果则是在晶圆中央与边缘出现不同的曝光条件。有一些假设指出晶圆边缘晶粒最高有10%的良率损失，原因即来自于此问题。

本文将着重于如何透过提供扫描机焦点量测与实际曝光于晶圆片上的剂量量测，潜在提升晶圆远程边缘晶粒良率；此测量技术能进一步推动扫描机在生产过程中的焦点与剂量校准。

KLA-Tencor在过去15年来为半导体产业IC组件的CD与外观形状量测，提供利用椭圆偏光法(spectroscopic ellipsometry)以及反射法(reflectometry)的SCD度量工具；其SRM测量方法除了是SCD技术的扩展，同时也因为直接使用来自晶圆的信号，而与以模型为基础的SCD有所区隔。SRM可以在KLA-Tencor的SpectraShape 9010 SCD度量系统上使用来自不同频道的信号；除了不同的信号，也可以分析多种量测目标，从底层来提升信号并消除噪声。

SCD与SRM的差异

散射测量是监控半导体工艺的常用方法，其优势显而易见，包含非破坏性、高产能与良好的精确度；由于SCD是以模型为基础的度量，因此需要几何模型以完全了解其正在测量的结构。SCD所监测的多数尺寸皆为几何参数，例如CD、SWA、HT、隔离层厚度、沟槽深度等等。IC制造商可以使用这些形状参数，以便透过分析测量数据以及相关工艺节点，以期改善工艺。

SRM则是一种基于KLA-Tencor散射量测仪所开发的新应用；与SCD相较，SRM可以被归类为无模型度量。不同于SCD，SRM不需要建立几何模型，其第一步骤是将一组收集到的信号，透过主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，从晶圆训练数据集(wafers training set)转换成较不具关联性的信息；接下来的步骤则是定义函数，并将工艺控制因子关联至已转换的信号上。最后，此映像函数可以安装至类似于光学薄膜或光学CD模型的工具上。

PCA是一种统计过程，利用正交转换将一组可能关联变量的观察，转换为一组线性非关联变量的数值，称之为主成分(principal components)；主成分的数量为少于或等于原始变数，此种转换将造成第一个主成分会拥有最大可能变异数(即在数据中占据尽可能多的变异)，且后续成分将依次序拥有最高可能变异数，限制条件是其必须与前述成分呈直角(即不关联)。

主成分呈直角的原因，在于它们是共变异数矩阵(covariance matrix)的特征向量(eigenvector)；该矩阵是对称的。PCA 对原始变量的相对比例(relative scaling)敏感。

曝光关键因素与验证方法

光微影技术(photolithography)是半导体生产的重要工艺，该步骤将在蚀刻之前决定线路的尺寸，因此将决定图样分辨率；扫描机中有数个连续步骤，包含涂布光阻、软烤(soft baking)、曝光、曝光后烘烤、显影与硬烤(hard bake)。在扫描机中完成工艺后，晶圆则被送往光阻去除与蚀刻。在本论文中采用了使用正向光阻的进阶微影步骤，用以展示SRM的能力。

在曝光步骤中有两个关键因素，其一是焦点，另外一个则是剂量；扫描机用户通常应以笔直的侧壁来曝光不透光体，因为散焦确实会造成瑕疵。若光阻侧壁角度大于90°，则显影后的光阻可能会崩溃；而若光阻侧壁角度小于90°，则有非完全曝光光阻的潜在风险。若要控制光阻的截面轮廓形状，焦点便是首要因素。图2显示了焦点如何在曝光后影响不透光体。

图1 从光微影技术到蚀刻的简化步骤。

图2 焦点对光阻的影响。

除了形状以外，IC制造商也相当关心线路间距尺寸；尺寸主要由光罩设计来决定，但是UV光的能量则是决定曝光后最终宽度的关键因素。化学放大光阻自从扫描机技术进展到DUV(λ< 248nm)后就获得采用。在DUV曝光之后会生成光酸(photo-acid)，接着在曝光后烘烤时，热度会触发光酸扩散，并进一步放大催化反应。DUV剂量越大会生成越多光酸，导致在曝光后阶段有更多光阻显影。

不受控因素与补偿机制

分辨率如下方方程式所示：

公式1

焦深(depth of focus，DOF)则如下列方程式定义：

公式2

业界由于需要更高分辨率来降低印制线路的尺寸，因此希望寻找更短波长与更大数值孔径(numerical aperture，NA)，两种改变皆导致DOF目的的降低；DOF愈低，则在光阻中心获得焦点的难度也愈高。虽然新进的扫描机使用浸润式微影来改善分辨率并提高DOF，但是晶圆平面度仍然是个重要议题。

晶圆弯曲有数种原因，包含微影以及先前步骤的温度改变、载台倾斜(tilt chuck)或薄膜沉积变异等，都可能导致某种程度的弯曲。随着DOF缩小，晶圆平面度的变化也成为散焦(defocus)的根本原因。另一个晶圆弯曲的后果是线路与间距无法依预期尺寸进行曝光，如图4所示。

图3 光微影技术的剂量结果。

图4 晶圆弯曲影响线路尺寸。

整个晶圆片的均匀度也是IC制造商的关心重点之一；虽然现代扫描机具备可以侦测晶圆表面的雷射，且具有某些可以更加改善Z位置的机制，但是晶圆整体上仍看得到差异。

改善以模型为基础的度量方案

为验证扫描机在焦点与剂量方面的曝光成果，微影模型多半采用矩阵晶圆来进行试验；与半导体的其他工艺不同的是，微影可以善用小尺寸标线(reticle)，并以不同焦点与剂量依次曝光各个场域(field)。

常使用的晶圆矩阵包含以下三种：1.焦点矩阵 (Focus matrix，FM)；2.能量矩阵(Energy matrix，EM)；3.焦点/能量矩阵(Focus/Energy matrix，FEM)。FEM晶圆常被用来决定最佳焦点与工艺容许范围(process window)。在发展出FEM晶圆之后，微影工程师们使用SCD工具来测量光阻CD与SWA，接着透过分解几何测量来收集焦点与剂量信息。

但是在焦点与剂量如何影响光阻剂的截面轮廓方面，两者之间却存在互动。换句话说，焦点与剂量会改变光阻截面轮廓出现复杂的几何形状。图6显示了KLA-Tencor运算微影(computational lithography)软件的仿真结果，以及焦点与剂量的变化如何在实际上影响光阻的形状。

图5 光阻变化的OCD模型。

图6 显影后的光阻截面轮廓模拟。

若要使SCD正确地透过截面轮廓变化来追踪焦点与剂量变化，则需要包含数个梯形分解的复杂建模工艺。但是此方法却大幅提高参数之间的关联性以及低敏感度问题，不利于模型的整体能力。若使用SRM监测焦点与曝光，由于不再需要几何模型，能让微影与度量工程师们克服以上困难。

实验与资料示范

为展现SRM的能力，以下设计了一个 进阶微影步骤层级的实验(表1)；准备四片FEM晶圆与五片POR (process of Reference)晶圆，并在Spectra-Shape 9010上进行量测。

表1 SRM实验的晶圆条件。

表2为五片POR晶圆的CD与CDSEM平均比值；SRM参数经过4片FEM晶圆的CDSEM量训练，达成了绝佳的R2与线性斜率(各为0.98与1.1)。

表2 SRM与CDSEM关联性结果。

图7是两张等高线图；左边显示了输入至扫描机参数中的焦点，右边则是以SRM 参数进行的晶圆测量结果，我们可以清楚看到左侧边缘上的焦点转移，进一步确认了此沟槽上确实发生了散焦。

图7 左侧的等高线图为来自扫描机输入的焦点，而右侧的等高线图则为SRM焦点量测结果。

为了进一步验证SRM焦点监控能力，在实验中量测了五片POR晶圆，达成在平均晶圆上与焦点标称值的绝佳R2与线性斜率(各为0.98与0.91)。
图8为利用SRM(经过标称剂量信息训练)所测量出的剂量，以及由SRM(经过实际CDSEM量测训练)所测量出的五片POR晶圆CD；可以清楚看到CD测量值与剂量的关联性，较小的光阻尺寸对应到较大剂量。

图8 POR晶圆以SRM量测的剂量与CD。

CDSEM的CD量测通常被用来决定工艺的最佳焦点，但这种度量相当耗费时间，且受到CDSEM精确度的限制。举例来说，在制作新产品时，工程师必须以CDSEM量测晶圆，接着绘制Bossung图以便决定最佳焦点；这种方法有一些缺点，主要来自CDSEM量测的不确定性。

表3 POR晶圆焦点与SRM以及标称输入值的关联性。

表4为分别利用SRM与CDSEM进行的最佳焦点追踪与标称值的比较；图9则是最佳焦点比较以及标称值目标的直方图，显示了晶圆片最佳焦点明显更接近标称绝对测量值以及误差的降低。

表4 左侧为SRM最佳焦点追踪，而右侧为CDSEM最佳焦点追踪。

图9 CDSEM与SRM在FEM晶圆上的最佳焦点测量直方图。

结论

如前面所述，SRM能提供与工艺控制因子绝佳的关联性；下一步则是开始运用焦点与剂量的可校准性，以自动微调在线工艺参数。如图10列出五片POR晶圆焦点与剂量的平均误差，一旦扫描机可以接受此类可校准性，就可以达成改善晶圆片上各场域焦点与剂量之目的，最终带来更佳的临界尺寸均匀度。

图10 左为扫描机所产生的平均焦点误差，而右边则是扫描机产生的平均剂量误差。

对现今的半导体制造领域来说，改善现有扫描机性能是当务之急，而SRM技术带来的新功能，能直接监测并校准诸如剂量与焦点等工艺控制因子，而无须牵涉到几何建模。

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