原位半导体计量的新时代

尽管在线半导体计量具有优秀的成像效果，并能准确辨识出工艺中的问题，但事实上它对于及时解决问题，避免经济损失并无多大作用。光是发现问题还远远不够，半导体工艺更需要实现原位、实时的定量分析，以便在造成缺陷、电气性能异常或生产线良率偏差之前及时解决问题。

换言之，半导体工艺控制需要从在线监测转向原位工艺测量与控制。计量的目标不应局限于“我们发现了一个加工问题，该怎么办？”，而是要实现“我们能够确定，我们的工艺此时此刻正在理想限值内，以最高吞吐效率顺利运作”。但如何在实践中实现这种变化呢？

原位计量面临的挑战

原位测量(in-situ metrology)与控制伴随诸多挑战。要实现有效的工艺控制，就需要实现灵敏度高、可重复性强的实时测量。然而，许多工艺与腔室清洗气体都具有腐蚀性，而化学气相沉积(CVD)更是会导致一切都被凝结颗粒所覆盖。

计量和控制的复杂性不仅源于恶劣的测量环境，也来自于工艺本身。随着蚀刻的开放区域越来越小，便需要对副产物有越高的灵敏度，才能侦测蚀刻终点。另外，二元气体原子层沉积(ALD)和原子层蚀刻(ALE)工艺需要在工艺腔室中进行有效的吸收和吹扫监测，以利最大限度地提高产量和一致性。

此外，许多工艺使用的是远程或较弱的等离子体，或不使用等离子体，因而导致传统的光学发射光谱(OES)解决方案无法使用。这些挑战越来越难以克服，而工艺偏差也导致成本成倍增长。

当前实时计量的限制

目前确实存在一些可提供原位实时数据的计量解决方案，但都有一些固有局限性。OES是应用最广泛的解决方案，但有越来越多的工艺应用并不适合这个方案。OES计量难以实现化学物特异性和多变量分析，因为多个分子和亚种的光谱数据经常重迭，导致物种的量化非常困难。此外，如果采用远程或脉冲等离子体解决方案，甚至不使用等离子体，以及如果关键蚀刻终点副产物分子的浓度较低(尤其是在开放区域较小的蚀刻中)，则OES的信噪比(SNR)将不足以精准地确定终点过渡。由于缺乏特异性和灵敏度，OES在越来越多的情况下，不再是有效的原位计量解决方案。

少数晶圆厂开始采用残余气体分析(RGA)质谱法来侦测与诊断问题。然而，RGA解决方案有一个广受诟病的缺陷，即容易受到半导体工艺恶劣条件的影响。而且，许多此类解决方案要不缺乏原子质量单位范围(amu)，要不缺乏百万分之一(ppm)或更精细的先进工艺监测所需的灵敏度。RGA系统采用电子电离(EI)灯丝为质谱传感器(m/z)的质谱创造正电荷离子。EI灯丝很容易因腐蚀而失效，或被凝结物覆盖，只能维持数小时的运作。

实时原位测量的全新方法

为使质谱成为真正有效的计量手段，需要积极转变思路，巧妙克服当前阻碍。以此为目标，Atonarp团队已开发出一种稳健可靠的新型原位计量解决方案。实践表明，Aston系统提供的这种全新方法能够带来卓越的分析和运行效能。

该方法十分注重实现低维护需求、长期信号稳定性和可重复性，能满足“精确复制”的严格工艺控制要求，并在同一晶圆厂内甚至整个企业中满足跨生产走廊的设备工具匹配要求。这套新方法采用两项创新，来解决刺激工艺化学品、工艺副产品气体(如NF₃、HF、HCl和CF₄)，以及使用TEOS和SiH₄的工艺中所生成的沉积颗粒。

首先，为进行电离，我们开发了一种等离子体电离源，它不会像传统电子电离器那样被腐蚀性气体损坏。这意味着，等离子体电离器在连续工作数百个射频小时后才需要进行维护。受惠于这种稳健可靠的电离解决方案，Aston提供的测量数据具有化学物特异性、长期稳定性和可重复性，可确保批次间测量结果保持一致。

其次，为了经受沉积工艺过程中的颗粒聚积，Aston拥有ReGen自体清洁模式。这个功能使仪器能够自我清洁，使用工艺气体或高能等离子体离子来清除CVD过程中，可能聚积在传感器与等离子体电离腔室壁上的沉积物。ReGen模式可以与定期腔室清洗，以及设备工具预防性维护作业同步运行。

同一平台，多种应用

这种新型原位计量方法在半导体工艺中有多种多样的用途，在此仅列举几例：

1.EUV光源的管理和清洗：Aston可用于在镜面清洗过程中侦测与监测SnH₄ (锡烷气体)的终点。利用氢气等离子体去除光源内部镜面上的一层薄锡膜。该锡膜是用于产生EUV光源(13.5nm)等离子体的副产物，是熔融的锡被雷射汽化成等离子体时所产生。Aston可用于侦测该去除过程的蚀刻终点，以防止内部镜面蚀刻过度。如果不去除该锡层，就会导致曝光时间延长、光刻结果不一致。

2.使用WF₆ (六氟化钨)的工艺：WF₆气体在氢的作用下，将生成金属钨和氢氟酸。金属钨广泛应用于3D NAND结构，用于形成字线。这种3D内存的沉积工艺难度很大，因为需要在沉积100多层闪存并已在结构中蚀刻出狭窄通道之后，再在整个3D内存数组中沉积钨字线。与此类似，由于钨能够沉积出保形膜层，其也被用于先进节点逻辑工艺中越来越狭小的触点和几何结构微小的过孔，以及高K金属门工艺。钨沉积工艺并不总是使用等离子体，但如果使用，则通常是较弱的远程等离子体源，所以大多数情况下无法使用OES进行计量。副产物HF (氢氟酸)气体具有强腐蚀性，因此Aston坚固可靠的设计使其非常适合这类应用。

在沉积过程中，可根据WF₆的吸收和副产物情况分析结果来设定工艺终点。预计在未来几年，WF₆气体将会供应紧缺、价格上涨。与此类似，氮化钛(TiN)的沉积方式与钨相同，而且在FAB工艺中，TiN常被用作钨的种子层，因此若能在集束型工艺设备中精确沉积这两种物质，将对生产十分有利。

3.氢(自由基)和等离子体在远程氢等离子体源(RPS)中的应用：与WF₆的情况相似，氢等离子体也很难透过OES解决方案进行监测和管理。RPS用于晶圆表面等离子体清洗，以消除缺陷。

4.NF₃ (三氟化氮)等离子体干洗：远程等离子体源也可用于产生清洗腔室的自由基。由于没有可见的等离子体，OES将无法使用。通常会监测源自由基/气体与进入干式真空泵的腔室排气前级管道气体的测量结果。需要避免腔室清洗过度或不充分的问题。清洗过度会导致腔室结构生成氟化铝，并以颗粒形式剥落，是广受诟病的良率与缺陷问题。

5.腔室化学指纹图谱：可透过原位计量方式测量并量化经过清洗和调理的腔室状态，并利用具有化学物特异性的分子数据和量化结果，为腔室情况设定黄金标准。这对于确保工艺一致性至关重要，因为工艺腔室健康状况偏差在工艺误差预算中的重要性越来越高。在先进的工艺管理理念中，设备工艺协同优化(EPCO)正逐渐变得与设计技术协同优化(DTCO)同等重要。此外，腔室指纹图谱也是一种极具价值的工具。它将已知的腔室化学成分作为出发点，可以减少快速扩展以及将工艺开发成果从研究转移至大批量生产时可能出现的变量。

6.干式真空泵和削减系统的排气管理：具有两个气体通道的Aston，可用来测量进入与离开干式真空泵和削减子系统的气体，尤其是WF₆和TiN。一般会在干式真空泵前级管道使用氮气稀释，以减少WF₆的影响，因为它是一种腐蚀性氧化剂，会与泵反应并将其腐蚀。为确保干式真空泵安全运作，需要对进入时和稀释后的浓度进行监测。同样，WF₆的排放也受到管制，因为它是一种剧毒气体，在排放前要使用削减系统来消除残余气体。Aston可透过监测其输入和/或输出浓度来调节削减量。

7.高k材料中二元化学原子级沉积的气体输送管理：如3D NAND和DRAM电容中的HfO₂或ZrO₂，以及Al₂O₃。至关重要的是，在向工艺腔室注入后续工艺气体之前，必须先将被表面吸收的前体气体从腔室中清除。Aston正在接受评估，以确定其监测前体气体和在后续工艺气体注入之前将其清空的效果。此外，在ALD/ALE工艺中，反应气体在同一腔室中被中性气幕隔开，并采用旋转的晶圆平台，以显著提高产量——因此需要确保工艺气体不会突破惰性气幕而在腔室内混合。

总结

取得分子能阶的原位实时数据能够真正实现工艺可观察性，并提供丰富、可操作、有影响的数据，具有极大商业潜力。可辨识和量化反应物、副产物、分压和浓度，实现动态工艺控制，以确保严格控制各个工艺步骤。掌握了这种数据驱动的下一代智能系统，就可以从被动的在线反应计量转向迅捷的原位计量，从而在问题初现端倪之时就及时化解，甚至在问题出现之前就主动预防。

最重要的是，先进分子传感器带来的优点并不局限于FAB生产在线。值此产业面临变局之际，以全新思路开拓工艺控制方法，可望为FAB的效率和精准度树立崭新标竿，并为提升生产良率和吞吐量做出有力贡献。