產品薄膜介電常數SPC/APC監測之經濟效益
Liam Cunnane, Adrian Kiermasz, Rob Wilby, Metryx Ltd.
Youssef Travaly, IMEC
介電常數的測量是半導體工業的一大挑戰，測量問題常常與被測之低k材料的獨特性質以及所用介電常數測量方法有關，該問題包括從介面電荷到所用測量方法對薄膜的變異性的一系列問題，本文將使用低k材料的密度與其介電常數之間的關係驗證，得到一種穩定、低成本的非破壞量測方法。
引言
由於極大型積體電路(ULSI)設計減小到0.18mm以下，因此多種選擇的低k材料選擇範圍縮小，最終把材料結合到製造過程中的能力決定。一般而言，替代材料可劃分為兩大類，即旋轉塗佈材料和化學氣相沉積技術(CVD)沈積摻碳氧化物。這種材料中許多都具有孔隙導致低k特性，其孔隙率可高達50%。雖然已經證明引入孔隙是降低薄膜介電常數的有效方法，但是這種方法帶來了顯著的結合問題。必須控制材料的孔隙或密度來保持足夠的物理特性，使材料能夠成功結合到製造過程中，薄膜孔隙率與機械特性之間的關係特別令人感興趣。提高孔隙率可能導致CMP問題和/或材料硬度降低導致的結合問題。
討論
薄膜硬度與薄膜密度之間的關係
薄膜密度導致彈性模量降低，按照多孔固體理論，材料彈性模量僅僅是密度降低的函數(無孔固體密度)：
方程式 (1)
孔隙可以是開放的或者封閉的，如下方程式反應出了這些孔隙的效果。
方程式 (2)
對於一個指定密度(ρ)，封閉胞氣泡具有較高特性。(2)式中，f=邊緣內包含的固體的比例。對於開放胞，如果邊緣彎曲是主要變形機構，則n=2。封閉胞的有效n值約為1.6。
圖二說明了密度、機械特性和孔隙率 與MSQ矽高分子材料旋轉於低k電媒體的之間的關係[參考文獻 2]，如該圖所示，隨著孔隙率升高，密度下降，同時機械特性下降。最重要的是，密度線性地隨孔隙率升高而下降，而機械特性隨孔隙率升高呈冪指數下降。
薄膜密度與介電常數之間的關係
材料性質介電常數和薄膜密度之間的關係遵守著作權的方程式，依據Clausius-Mossotti (CM)方程式定義，隨機孔隙分佈多孔材料的體極化率是薄膜密度和極化率的函數為：
方程式 (3)
方程式中，N0是阿伏加德羅常數，e0是真空介電常數，M是分子量，r是材料密度，a是極化率。介電材料的極化率可以表示為電子極化率ae、原子極化率aa和偶極子極化率ad的和，它們分別與原子、分子、結構內局部結合的電荷的位移相關。
方程式 (4)
由於體極化率遵從與k值(見方程式(3))相同的趨勢，降低k值的方法就存在於降低薄膜密度和/或薄膜極化率。例如，為了降低a，可以透過在Si-O分子鍵中引入CH3來使用極化程度較低的Si-C或Si-H鍵置換極化程度較高的Si-O鍵。值得一提的這種方法還將導致隨後的薄膜密度降低。為了進一步降低薄膜密度，從而降低k值，可以在薄膜中引入孔隙。這種孔隙依照方程式5導致降低密度。
方程式 (5)
很多材料都遵守這個關係，在對應的圖中，標準氧化物與空氣膠遵守這個關係。隨著材料密度降低，介電常數也降低。對於密度1.5 g/cc以下的材料，必須仔細進行監測，確保其具有足夠的機械強度(特別是在封裝過程中)。
對於圖四所示摻碳CVD氧化物薄膜這樣的特別監測過程，可以將有興趣區域之密度與k值間呈線性關係，可能可以相應設定統計程序控制(SPC)極限。(參考文獻1)
隨著機構縮小，介電常數的準確測定方法變得越來越重要。最常用的方法是Hg探針、MIM以及MIS結構。Hg探針是一種簡單方法，電媒體沈積本身外不需要額外處理。不過，使用這種方法時，為了準確測定k值，最好使用高摻雜濃度的基體，事實上，使用這種基體時，所測定的電容與施加的電壓無關。也可以使用摻雜濃度已知的基體，以保證C-V曲線上的累加。滿足了這些要求後，下一步就是準確測量Hg接觸位置的電媒體厚度。這種方法的另一個關鍵方面是正確監測Hg在表面上的接觸面積。隨著目前的尺寸大幅縮小，準確的厚度測量成了一個問題。最準確的方法之一是XRR，這種方法可以在任何基體上直接測量厚度。對於橢圓偏光法，需要為每一種基體量身制訂測量方案。對於MIM和MIS法，需要再一步處理。這兩種方法，必須沈積一個上電極，然後透過光刻和金屬蝕刻成型。雖然這種製備上電極的製程可以很好地控制面積，但是，如果不使用額外的電媒體保護層，就無法避免金屬蝕刻中的電媒體暴露(低k的電漿破壞和隨後的濕度滲入)， 除此之外，多疊層使準確厚度測量更加複雜。最後，當使用MIM結構時，需要選用一種金屬基體，而這個金屬基體也會影響最終結果(見圖五)。顯然，這種測量方法是具有破壞性的，不能用於生產用晶片上。而且還已經證明，薄膜介電常數的測量受沈積基體材料的影響。在下面的實驗中，低k製程的化學和沈積條件都相同，只是在不同基層薄膜上進行沈積。電測量法和X射線法都對基層表面表現出顯著的敏感性。不過，使用密度計算介電常數時，獲得了與預期一致的數值，而且，由於這種方法是非破壞測量，因此可直接用於晶片生產上。
在生產過程中，將在多種基體材料上沈積低k材料。為了避免增加複雜程度，要求所用測量方法對基體薄膜的敏感性非常低或不敏感。
在SPC/APC中的應用
在原有Fab SPC/APC方法中應用這種技術非常簡單。透過把使用厚度測量工具和Metryx質量測量系統獲得的資料關聯起來可以監測薄膜密度，精確度高於1%。薄膜厚度變化應伴隨相應的質量變化來保持恒定的薄膜密度。監測薄膜密度回應。相應地設定SPC限值，以保證製程的控制。
結論
這種方法的優點很明顯(a)簡單；(b)非破壞性測量/適用於成品晶片；(c)費用/樣品低。這些優點使這種方法可以作為一種線上SPC或APC使用，從而透過經濟的高採樣率大幅度減少有風險的成品。這種方法廣泛適用於透過引入孔隙獲得低k特性的低k材料。SST-AP/Taiwan
參考文獻
1. Micron Technologies: Determining Dielectric Constant Variation of SiOC Low k Film Using Density Measurement, AMC
2. T. Abell, F. Iacopi, G. Prokopowicz, B. Sun, A. Mazurenko, Y. Travaly, M. Baklanov, A. Jonas, C. Sullivan, S. Brongersma, H.-C. Liu, J. Tower, M. Gostein, M. Gallagher, J. Calvert, M. Mainpour, K. Maex, AMC Conf. proceedings, eds. D. Erb, P. Ramm, K. Masu, A. Osaki, p. 457, 2004