雷射橢圓儀及深紫外線反射測量儀
在氮氧化矽抗反射層材料之應用
雷射橢圓儀(laser ellipsometry；LE)及深紫外線反射測量儀(deep ultraviolet reflectometry；DUVR)現已應用於蝕刻製程之監控，以降低不均勻之蝕刻製程度對良率所造成之影響。本文說明，在ARC/polysilicon/oxide/silicon堆疊蝕刻製程發展最佳化前，具有線上顯示49個量測點之厚度及反射率結果之分佈圖，其如何應用於蝕刻製程操作之監控，蝕刻製程特性之控制及製程參數之開發[1]。
目前之光學微影(optical lithography)的發展已超乎所有的預期，今日晶片製造廠商已普遍地能夠完成特性線寬，約達到微影所應用之光波長的一半。由於各式不同材料及技術不斷地開發，已可在248奈米波長下，達成130奈米之特性線寬。且在193奈米波長下，達到90奈米特性線寬之方法，也即將被廣為應用。在這些具挑戰性的尺寸下，要維持高良率，在微影製程之每一步驟須嚴格地精準地控制。
抗反射層(ARCs)
抗反射層(ARC)的應用對高階之微影製程，是一種相當關鍵的製程方法，其可藉由減少或消除那些來自表面，或底層會導致光阻不均勻感光之反射光，以達到改善關鍵尺寸(CD)之控制能力。因應著線寬愈來愈小，須採用愈短波長之光源，對ARC製程設計者的挑戰更為嚴苛。依據深紫外線(DUV)之波長，由於薄膜之干涉效應，光阻厚度非常微小的變化，可能導致光阻感光度很大的變化。同時，基板之反射率也常會明顯地增加[2]。
為控制這些效應，晶片製造商可能在製造過程中，採用各式可沉積在光阻表面或基板上的ARCs材料。ARCs材料可能是以旋塗(spin-on)方式，塗佈上可隨光阻去除之有機材料，或可與元件結合之無機SiOxNy材料。以下說明SiOxNy ARCs無機材料所具有比旋塗(spin-on)之有機材料之一些優點︰
* 光學常數值(n及k)，可經由控制沉積參數微調(即可調之ARCs)，以適用一些特定應用及光阻[3]。
* CVD製程是快速，可生成非常一致的且可被精準控制之沉積厚度。
* SiOxNy薄膜層可在其它製程中，伴演充當如鈍化層、硬質罩幕(Hard Mask)或蝕刻/研磨終止層等。
此可調之ARCs對於關鍵應用之控制輔助是必要的，包括閘極定義及接觸開窗等，而且對於達成高性能、高良率的生產製造目標更是需要。
製程控制需求
當在開發一新製程時，晶片製造商將精確地微調SiOxNy ARC之厚度及及化學計量數(stoichiometry)，以滿足特定之規格需求。而當製程要發展達到量產的階段時，過程中這些製程參數值必需被小心地開發維護。藉由光學常數值的量測，可決定是否沉積薄膜有正確的成份，以滿足要求之抗反射率(antireflective)、預期之機械性及電性。因為薄膜成份之化學計量數及厚度微小變動，整片晶圓內、或不同晶圓間(wafer to wafer)之分佈，皆可能降低元件之性能及良率。因此薄膜必需維持在指定的厚度，以避免過度/不及之蝕刻，及過度/不足之研磨，以發揮ARC之效果。
就不同CVD反應腔體間(CVD chamber to chamber)，維持厚度之不均勻度在?%以下是必需，此對單反應槽需求甚至更加嚴苛。對一膜厚500?埃)，反應在製程之不均勻度之容許值約是30禳C依測量學之角度看來，其最大精準值與誤差值比(precision/tolerance；P/T)是0.3。在製程控制上，就此式子中所見，反應到所需指定之量測再現性(reproducibility)與設備匹配(tool matching)是要在1.5A。
採用相同之製程，長時間之量測再現性與匹配一致性，其折射率常數值(index of refraction；n)必需在0.0015內。
因為白光來源之不穩定度及導因於波長校正及匹配所引起之複雜性，採用光譜橢圓儀(spectroscopic ellipsometer)是很難達到這樣的精準度。然而，對晶片製造商而言，在工廠內或不同工廠間(fab to fab)，一種能適當地控制其CVD設備之鍍膜均勻度之量測法確是極其需要的。
方法
現行一種結合雷射橢圓儀(LE)及深紫外線反射測量儀(DUVR)，可符合甚至超越前面所述，對ARC製程控制之量測所必需之再現性、及在設備間匹配(tool-to-tool matching)之需求。雷射橢圓儀是適用於量測那些極薄的薄膜；即500聽H下之薄膜，但光學特性量測，需可適在大部份光學微影系統所採用之193奈米或248奈米光波長下操作。Rudolph DUV反射測量儀，是採用一種光電倍增偵測器(photomultiplier detector)，可提供靈敏的偵測。此技術因為在秒的時間內，可同時量測出厚度、n及k值，適合於量產製造需求。
圖一顯示對SiON ARC製程量測之結果，圖一a為橢圓儀在633奈米波長下之量測誤差值(measurement of delta)，圖一 b為相同的薄膜，以深紫外線反射測量儀在190到360奈米波長間所得到之反射率。由實際量測值與最佳匹配模型(best-fit modeling)結果間極佳之搭配，可見其具有精準之厚度與光學常數量測能力。
在表一顯示，說明了具有穩定之雷射光來源及高強度之DUV反射儀，所展現出之量測再現性及設備間之匹配性(tool-to-tool matching)。這些數據結果是採兩不同之量測工具方法，在五天內，每天量測三次所獲得的。在設備A獲得之平均厚度值為483.273聾?.168聾尬郱t值。而在設備B獲得之平均厚度值為482.531聾?.116聾尬郱t值。這兩設備之比較差值為0.742禳C另表一也可見到在波長248奈米及193奈米下，所量測得之光學常數值n及k。依據所有之量測資料，量測之再現性結果顯示是超越ARC製程之再現性需求目標。此設備間之量測一致性之性能表現已經在許多工廠間，超過數十部設備驗證過，足以滿足晶片製造廠在全球不同工廠間之製程設備搭配之需求。
SIS之應用經驗及結果
此LE/DUVR在薄膜厚度量測之應用，所展現之精準程度，近期已在一家採行ARC製程之晶片製造商，即SIS(Silicon Integrated Systems)，獲得了證實。在SIS，ARC層是沉積長在複晶矽層上；接續著鈷沉積在此複晶矽層上形成矽化鈷(CoSi2)。在過去曾發現，在ARC層厚度之不均勻，會在矽化鈷/矽間形成粗糙之界面，此存在著比預期更高之電阻值，因此考量需要適當地監控ARC蝕刻製程。
因為此量測應用上，準確度是極為重要的，因此以穿透式電子顯微鏡(Transmitting Electron Microscope；TEM)來確認結果是必要的工具。準備三種不同堆疊製程之晶圓，包括有(1) ARC/polysilicon/oxide/silicon，(2) ARC/oxide/silicon及(3) ARC/silicon等。
首先以CVD方式長成ARC(SiOxNy)層，然後以三種不同之製程時間點進行蝕刻，即0秒、180秒及360秒。在每一時間點所量測得到蝕刻後之ARC厚度分別為約為250禳B150禳B及75禳C之後在每一堆疊架構之上加上一層複晶矽層，以進行TEM橫截面量測。
LE/DUVR模型藉由在所有三種堆疊架構上之複晶矽層，以進行ARC厚度量測。對第一種堆疊架構(ARC/polysilicon/oxide/silicon)，上層複晶矽層之厚度，及其下層之複晶矽層之厚度及非晶矽(amorphous silicon)層之體積分率(Vf)，與ARC層之厚度，可在同時間一起被量測到。在圖二中，說明一代表性之量測方法，與藉由TEM所量得之ARC厚度之比較。在進行覆蓋層(capping)製程前，ARC已進行了180秒之蝕刻反應，系統量測在其上方之複晶矽層厚度為603.30?4T)，ARC層是150.18?3T)，在複晶矽底下之非晶矽層之體積分率(Vf)為14.997?2Vf)，而在複晶矽底下之厚度為1963.8?2T)。這些結果與TEM在三不同處所量測之ARC厚度作比較，分別為150禳B154禳B及57禳A兩者之間是相當的吻合。
針對第一種堆疊架構，表二中，做了TEM與LE/DUVR量測法在所有三個蝕刻時間點之量測值比較。顯示在0秒時，TEM之量測值是平均厚度249禳C然而LE/DUVR量測法所得為246.61禳C對180秒及360秒之時間點，TEM之量測值各別為153聾?7禳A而LE/DUVR量測法所得各為150.18聾?6.29禳C如此相似之結果，同樣可在第二種與第三種之堆疊架構獲得，由此可證實LE/DUVR量測法，在對此三種堆疊架構之厚度量測是相當地準確。
在證實精準度及再現性後，SIS現已使用LE/DUVR進行蝕刻製程監控，以減少蝕刻不均勻之問題。在圖三中，顯示在製程最佳化前，各不同之蝕刻時間點，所得到之49點厚度及反射率量測結果之分佈圖。其中，在360秒時，顯示ARC層厚度分佈一般呈現是中間厚，邊緣薄，厚度值從最小值66襯麭怳j值120禳A而在248奈米下之反射率值，從最小值33%到最大值52%。而在480秒時，ARC層厚度幾乎被蝕刻乾淨，厚度值範圍從最小值19襯麭怳j值250禳A而反射率值顯著增加，範圍從62%到63%。如此之詳細資訊，正可提供對蝕刻製程之特性更多的瞭解，以應用在線上蝕刻製程之精確監控。
結論
現行對採用微影製程來說，SiON ARCs確實是達到高良率之一關鍵要素，但要維護CVD反應腔體良好的製程控制，極佳之可再現性量測方法，及設備間之一致性是不可或缺的。LE/DUVR量測系統正是符合這些需求，且被專屬開發來適用於監控量產製造之用途。在SIS，LE/DUVR量測系統，在量測SiON ARC薄膜厚度之精準度能力已獲得證實。而且比對TEM在量測範圍，從250襯?5聾孜q測結果，LE/DUVR量測系統也展現了絕佳之相關性，因此可見得LE/DUVR量測系統，其確實適用於監控ARC蝕刻製程，進而可改善蝕刻製程之均勻度。SST-AP/Taiwan
參考資料
1. G. Jiang, et al., haracterizing SiOxNy ARC Materials with Laser Ellipsometry and DUV Reflectometry,?Proc. SPIE, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XVIII, Vol. 5375, 2004.
2. R.R. Damel, nti-Reflective Coatings: Theory and Practice,?SPIE Education Services ?Microlithography 2003, Feb. 2003.
3. K. Suhm, et al.,aking 50nm Contact Holes with DUV,icrolithography World, Vol. 12, No. 3, pp. 4?, 19.
作者
Gary Jiang 為Rudolph Technologies先進應用方案工程師，聯絡地址：One Rudolph Rd., Flanders, NJ, 07836。電話：973/448-4494，傳真：973/691-4863，電子郵件信箱：gjiang@rudolphtech.com。
Jui-Ping Li 為矽統科技Die Production/Diffusion Engineering部門經理。電話：03-5790168 ext. 3240，傳真：03-5630449，電子郵件信箱：jp_li@sismc.com。