線上XPS技術作為製程監控與表面特性分析
N. Cabuil, A. Le Gouil, O. Doclot, STMicroelectronics, Crolles Cedex, France
B. Dickson, ReVera Inc., Sunnyvale, CA, United States
A. Lagha, M. Aminpur, Freescale, Crolles Cedex, France
C. Chaton, J-C. Royer, CEA/LETI-Minatec, Grenoble, France
在65奈米和 45奈米節點，X射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrometer，XPS)可以用於在超薄氮化矽閘極氧化層(nitrided gate oxides)上，監控氮含量(nitrogen dose)和氮氧化矽(SiON)膜厚和非晶矽膜堆疊在非晶碳膜上的膜厚。XPS技術的特性，亦可用於工廠生產線上非破壞性的化學組成分析和鍵結狀態的分析和膜厚的量測。在矽晶圓表面植入源極/汲極的製程中，和在內連線製程TiN中硬質罩幕(TiN hard mask)的氟污染的2個例子，顯示晶圓表面特性會影響到乾蝕刻電漿步驟。
65奈米和更小線寬的先進CMOS技術對增加了對於製程變異性的敏感度。額外的挑戰來自於新的材料和更薄的膜厚度。先進的特性分析增加地對量測機台能力的連結。面對於這些挑戰，如X-ray分析方法的量測技術必需從離線的實驗室轉變成線上製程。XPS在製程監控和特性分析有很大的成長空間。
XPS技術運用在監控晶圓已經應用在各種不同的生產線上。XPS已用來監控65奈米超薄的氮化矽閘極氧化層(nitrided gate oxides)製程。其中氮含量和氮氧化矽(SiON)厚度是用氮-1s和矽-2p的波峰量測到。(圖一)[1, 2]
為了達到65奈米和45奈米關鍵尺寸需求，閘極和淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation，STI)圖案，製程中導入了非晶碳光罩應用。此光罩的複雜堆疊包含了薄的非晶矽膜層；膜層厚度可以用XPS量測。XPS技術的優點是其分析的深度(~100埃)大於膜厚而且不受非晶矽狀態的影響。
XPS技術有利於晶圓廠製程中判定化學鍵結和表面污染物狀況。例如：在微影和植入製程後，可以評估光阻使用乾式蝕刻和濕式清洗的效率。因為表面氟化所產生的結晶體是來自前開式晶圓盒(FOUP)造成的晶圓表面污染是另一個議題，對產品良率和缺陷會有影響。
當製程發展到65奈米和45奈米時，45奈米產品會要求使用直接監控產品的量測技術。Crolles2最近安裝了下個世代的ReVera機台有 35 微米量測點和模組化架構，能夠讓XPS量測技術用在產品晶圓上。
實驗設計
XPS分析技術是從晶圓表面到100埃深度的膜厚度或材料。低能量的x-射線在晶圓表面照射，週期表上原子序≧(Z≧3)的元素會因此產生不同能量的光子放射。此光譜資訊可以經由數據分析，而得到組成成分、薄膜厚度、鍵結狀態和介面的關係。
XPS分析技術來自於Revera Inc.公司的RVX1000量測工具。鎂鉀x-射線光源(1253.6電子伏特的光子)藉由通過117.4電子伏特能量來執行所有的分析。分別是用Si-2p、O-1s、F-1s、C-1s、Ti-2p和N-1s的電子軌域的能階，來判斷矽(Si)、氧(O)、氟(F)、碳(C)、鈦(Ti)和氮(N)原子的組成。能夠從一群數值，萃取出特定能階的波峰光譜。使用Lorentzian和Gaussian函數演算出各光譜線圖。利用Shirley函數來扣除交互作用所產生的背景值。每一個元素組成的計算，也分別考量了原子靈敏度的因素，來分開計算波峰面積。最後總合各元素組成是100%。
製程監控
氮化矽閘極厚度和氮含量量測。90奈米節點和更小時，閘極氧化層之氮含量是個關鍵性參數。在電性上已經被證實，氮含量的偏離是造成可靠度不好的因素。對氮含量監控上，目前XPS是最適用的量測技術。比較之下，使用間接物料特性的傳統量測技術和原子組成的關係比較弱。直接原子組成經由XPS量測，可得到更高靈敏度和精密度的氮含量，使得電子能譜儀(XPS)成為更理想的線上量測機台。經由XPS量測出的厚度和氮含量， 如EOT、CET和Vt一樣，可以成功的連結上電性參數[3,4]。為了決定氮氧化矽厚度，XPS是量測Si-2P區域，其中包含了來自矽基板(Si substrate)的光電子，但也包含了氧化矽的光電子。
光譜圖訊息包含了氧化矽的鍵結狀態，或是矽-氧被放在複雜的曲線擬合(curve-fitting)而演算出分散的雙波峰。因為光電子可以穿透氧化矽來自矽基質，所以矽-矽波峰和矽-氧波峰的比值可用來算出膜的厚度，如圖一所示。XPS的量測是用氮-1s波峰(圖一b)和矽-2p的矽-氧組成(圖一a)強度算出氮含量。如方程式三所示，材料常數和XPS厚度量測用來決定氮原子數，單位表示為原子數目/平方公分(atoms/cm2)。方程式一和二，λ是矽-2p的自由路徑(埃)，在氮氧化矽(SiON)情況下假設為常數。ISi-Si, ISiON和IN是矽-矽，矽-氧(矽-2p強度的組成)和氮-1s的強度，以counts-per-second(cps)表示。IiSi and IiSiON是常數，而且表示矽和氮氧化矽的膜厚度無限大時的強度。ρ是氮氧化矽原子密度(at/cm3)和ASF是氮和矽的原子態靈敏因子。同樣衰減的attenuation理論用來執行膜厚度和元素含量的量測。
同質性的氮輪廓位在氮氧化矽膜層上的狀況讓此模型的準確性受限，可能會不同於氧化氮的狀況。就閘極氧化層的製程監控而言，膜厚度和元素含量與氮輪廓無關係。
對於65奈米技術節點，新型的XPS-基礎型量測系統，被證明能提供足夠的產量和能力給生產線上產品。使用監控晶圓經由XPS監控製程作為標準測試區和方案。 在Crolles2工廠產線上使用為產品晶圓製程監控。
在硬式幕罩堆疊上，量測最上層矽膜厚度。65奈米和45奈米節點，閘層與淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation，STI)圖案被要求使用新的堆疊幕罩以電漿蝕刻製程進行。因為線寬是微縮，深寬比(aspect ratios)也會減小以避免在曝光顯影和蝕刻的製程中光阻成型過程中崩塌和產生線寬有差異。圖二顯示硬式幕罩堆疊的組成是一層薄的非晶矽在氧化矽膜上方，這樣堆疊在曝光顯影過程時不會發生反射，最下方是後的非晶碳膜。在Si/SiO2硬式幕罩開口的光阻和閘層和在淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation，STI)的非晶碳，用於因電漿蝕刻出深寬高比堆疊層而導致的線寬偏移，可能發生減少光阻厚度和避免圖案崩塌。
用XPS量測矽頂層的厚度是一個理想的方法。如方程式三所列，計算方法類似於氮氧化矽膜的厚度量測。氧化矽膜比量測區域深度大時，要考慮矽基質。
程式三，λ是矽inelastic其意義是自由路徑(在氧化物和矽基質中假設為常數)；ISi和ISiO2分別是矽-矽和矽-氧在矽-2p鍵結軌域的波峰強度。IiSi和Iisi02是常數，表示矽和氧化矽厚度無限大的強度。
不像光學技術，XPS使用相對強度比，不會受環境中分子污染(ambient molecular contamination，AMC)影響，也不會受到非晶矽和氧化矽的光學(optical indices)類似。XPS的特性能可以用光學模型來改善(如圖三)。圖三a顯示原始模型和XPS的結果無關聯性，可以看到2個不同的斜率。當把XPS當作參考物，所產生的新模型(圖三b)，和XPS量測結果有很好的關係性。目前Crolles2工廠, 在硬質罩幕堆疊過程中，使用XPS 來修正製程異常事件。
特徵和表面污染監控
源/汲極消減(消減)的特性。有離子植入的表面狀態必需小心的控制表面污染以避免污染矽主動區域。可能發生在離子佈植製程的污染源可能有：微影、摻雜、光阻去除和表面清洗製程。微影步驟後的清洗製程可能會改變光阻輪廓(photoresist profiles)和線寬(Critical Dimension，CD)。因此，對進行S/D離子植入流程時，把每一個製程所用原料和衝擊到表面的影響加以訂定是必需的。
在微影製程後使用O2-基底的微波順流式電漿(downstream plasma)來去除光阻殘餘稱為「消減」。分析在S/D消減後對光阻線寬和矽主動區域的影響。圖四顯示，用2片晶圓經過60秒N型S/D消減(消減)的標準步驟前/後，2條線之間的線寬的量測。2片晶圓經過消減過程後線寬都會增加20奈米。P型S/D微影後消減 步驟可以得到和N型互補的結果。因為O2電漿的耗盡會使線寬增加。無論如何，增加20奈米線寬是不被接受的，而且為了達到減少光阻消耗和避免線寬增加的目的，必需把消減參數最適化。圖五顯示矽表面的修正狀態，經過P型S/D微影後的矽主動區域，從上向下看的 SEM相片；和經過消減前/後矽主動區域是不一樣的。
為了瞭解在活化的矽表面經由消減過程自然產生的修正狀態，可以使用XPS執行晶圓表面的化學分析。取4片表面清潔後的晶圓，模擬在矽晶圓表面進行實際製程的條件，進行了間隙壁(spacer)之間沉積(80A TEOS)，然後間隙壁之間經過濕蝕刻(去除TEOS)。使用15、 30、 45和60秒等不同的削減之後，分別用XPS量測N型S/D。用XPS結果顯示了，矽表面有矽、氧、碳、氟和氮。原子組成如表所述。
晶圓C和D在N型S/D之前，高含量的碳被測出。此污染歸因於缺乏效率的濕蝕刻製程。經過標準的消減程序和45秒的消減，如表述碳原子組成會減少10倍，對於高污染的晶圓也會減少到0.9-1.3%。這些結果的關聯性，相對於消減前/後的矽晶圓表面的碳去除(圖五)SEM相片。XPS的分析指出了消減製程時間從60秒減少到15秒，可以去除在矽主動區域的所有碳含量和減少光阻耗量和線寬的偏移
在TiN膜層監控氟污染。對於65奈米和45奈米節點， 利用先增大深溝硬式光罩(trench first hard mask，TFHM)可以把超低-k(ultra low-k，ULK)介電常數的物質成功的整合在製程中[5, 6]。在TFHM中，很薄的金屬硬式幕罩沉積到緻密的介電層上，可以超低介電常數的物質(ULK)包覆起來。蝕刻後的清洗問題和金屬硬式幕罩(此文章中的氮化鈦)的污染有關。
隨著時間，可以觀察到金屬-氟的殘餘留在最上層的氮化鈦表面。很明顯的，這類的結晶缺陷會影響到最後的良率，特別在有圖案結構的邊緣可以避免和銅金屬沉積。氟的來源可能是直接來自蝕刻電漿的四氟化碳(fluorocarbonated)，也可能是FOUP，和因溼度隨時間增加而成長的結晶。
用來鑑別氟污染與起源，用XPS是引人注目的方法。此量測技術可應用在輕元素和晶圓邊界。更進一步而言，氟結晶缺陷和氟污染源有直接關係。所以用XPS可以用