為刻蝕終點(diǎn)探測(cè)進(jìn)行原位測(cè)量

介紹 

半導(dǎo)體行業(yè)一直專注于使用先進(jìn)的刻蝕設(shè)備和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形的微縮與先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)。隨著半導(dǎo)體器件尺寸縮減、工藝復(fù)雜程度提升，制造工藝中刻蝕工藝波動(dòng)的影響將變得明顯。刻蝕終點(diǎn)探測(cè)用于確定刻蝕工藝是否完成、且沒有剩余材料可供刻蝕。這類終點(diǎn)探測(cè)有助于最大限度地減少刻蝕速率波動(dòng)的影響。

刻蝕終點(diǎn)探測(cè)需要在刻蝕工藝中進(jìn)行傳感器和計(jì)量學(xué)測(cè)量。當(dāng)出現(xiàn)特定的傳感器測(cè)量結(jié)果或閾值時(shí)，可指示刻蝕設(shè)備停止刻蝕操作。如果已無(wú)材料可供刻蝕，底層材料（甚至整個(gè)器件或晶圓）就會(huì)遭受損壞，從而極大影響良率^[1]，因此可靠的終點(diǎn)探測(cè)在刻蝕工藝中十分重要。半導(dǎo)體行業(yè)需要可以在刻蝕工藝中為工藝監(jiān)測(cè)和控制提供關(guān)鍵信息的測(cè)量設(shè)備。目前，為了提升良率，晶圓刻蝕工藝使用獨(dú)立測(cè)量設(shè)備和原位（內(nèi)置）傳感器測(cè)量。相比獨(dú)立測(cè)量，原位測(cè)量可對(duì)刻蝕相關(guān)工藝（如刻蝕終點(diǎn)探測(cè)）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。 

使用 SEMulator3D^?工藝步驟進(jìn)行刻蝕終點(diǎn)探測(cè) 

通過構(gòu)建一系列包含虛擬刻蝕步驟、變量、流程和循環(huán)的“虛擬”工藝，可使用 SEMulator3D 模擬原位刻蝕終點(diǎn)探測(cè)。流程循環(huán)用于在固定時(shí)間內(nèi)重復(fù)工藝步驟，加強(qiáng)工藝流程控制（如自動(dòng)工藝控制）的靈活性^[2]。為模擬控制流程，可使用 "For Loop" 或 "Until Loop"（就像計(jì)算機(jī)編程）設(shè)置一定數(shù)量的循環(huán)。在刻蝕終點(diǎn)探測(cè)中，可使用 "Until Loop"，因?yàn)樗鼭M足“已無(wú)材料可供刻蝕”的條件。在循環(huán)中，用戶可以在循環(huán)索引的幫助下確認(rèn)完成的循環(huán)數(shù)量。此外，SEMulator3D 能進(jìn)行“虛擬測(cè)量”，幫助追蹤并實(shí)時(shí)更新刻蝕工藝循環(huán)中的材料厚度。通過結(jié)合虛擬測(cè)量薄膜厚度估測(cè)和流程循環(huán)索引，用戶可以在每個(gè)循環(huán)后準(zhǔn)確獲取原位材料刻蝕深度的測(cè)量結(jié)果。 

用 SEMulator3D 模擬刻蝕終點(diǎn)探測(cè)的示例 

初始設(shè)定 

在一個(gè)簡(jiǎn)單示例中，我們的布局圖像顯示處于密集區(qū)的四個(gè)鰭片和密集區(qū)右側(cè)的隔離區(qū)（見圖1）。我們想測(cè)量隔離區(qū)的材料完成刻蝕時(shí)密集區(qū)的刻蝕深度。我們將用于建模的區(qū)域用藍(lán)框顯示，其中有四個(gè)鰭片（紅色顯示）需要制造。此外，我們框出了黃色和綠色的測(cè)量區(qū)域，將在其中分別測(cè)量隔離區(qū)的薄膜厚度 (MEA_ISO_FT) 和溝槽區(qū)的刻蝕深度 (MEA_TRENCH_FT)。工藝流程的第一步是使用 20nm 厚的硅晶體層（紅色）、30nm 的氧化物（淺藍(lán)色）和 10nm 的光刻膠（紫色）進(jìn)行晶圓設(shè)定（圖2）。我們曝光鰭片圖形，并對(duì)使用基本模型刻蝕對(duì)光刻膠進(jìn)行刻蝕，使用特定等離子體角度分布的可視性刻蝕對(duì)氧化物材料進(jìn)行刻蝕。氧化物對(duì)光刻膠的選擇比是100比1。我們?cè)?/span> SEMulator3D 中使用可視性刻蝕模型來(lái)觀察隔離區(qū)和有鰭片的密集區(qū)之間是否有厚度上的差異。 

圖1：模型邊界區(qū)域（藍(lán)色），其中包含四個(gè)鰭片（紅色）和用于測(cè)量隔離區(qū)（黃色）和溝槽區(qū)（綠色）薄膜厚度的兩個(gè)測(cè)量區(qū)域 

圖2：SEMulator3D 模型，硅晶體（紅色）、氧化物（淺藍(lán)色）和在光刻膠中顯影的四個(gè)鰭片（紫色） 

SEMulator3D 刻蝕終點(diǎn)探測(cè)循環(huán) 

SEMulator3D 的工藝流程使用 Until Loop 循環(huán)流程。我們將測(cè)量隔離區(qū)的材料厚度，并在隔離氧化物薄膜耗盡、即厚度為0時(shí)  (MEA_ISO_FT==0) 停止該工藝。在這個(gè)循環(huán)中，每個(gè)循環(huán)我們每隔 1nm 對(duì)氧化物材料進(jìn)行1秒的刻蝕，并同時(shí)測(cè)量此時(shí)隔離區(qū)氧化物薄膜厚度。此外，我們將在每次循環(huán)后追蹤兩個(gè)鰭片間溝槽區(qū)的刻蝕深度。這個(gè)循環(huán)索引有助于追蹤刻蝕循環(huán)的重復(fù)次數(shù)（圖3）。 

圖3：SEMulator3D 刻蝕終點(diǎn)探測(cè)模擬中的循環(huán)流程

結(jié)果 

對(duì)隔離薄膜進(jìn)行刻蝕，直至其剩余 20nm、10nm 和 0nm 深度的模擬結(jié)果如圖4所示。模型中計(jì)算出隔離薄膜厚度的測(cè)量結(jié)果，以及兩個(gè)鰭片間溝槽區(qū)的刻蝕深度。 

圖4：隔離區(qū)薄膜厚度剩余 20nm、10nm 和 0nm 的工藝模擬流程，及相應(yīng)從光刻膠底部開始的溝槽刻蝕深度 

我們對(duì)循環(huán)模型進(jìn)行近30次重復(fù)后，觀察到隔離區(qū)的薄膜厚度已經(jīng)達(dá)到0，并能追蹤到溝槽區(qū)氧化物的刻蝕深度（當(dāng)隔離區(qū)被完全刻蝕時(shí)，密集區(qū) 30nm 的氧化物已被刻蝕 28.4nm）。 

結(jié)論 

SEMulator3D 可用來(lái)創(chuàng)建刻蝕終點(diǎn)探測(cè)工藝的虛擬模型。這項(xiàng)技術(shù)可用來(lái)確定哪些材料在刻蝕工藝中被完全去除，也可測(cè)量刻蝕后剩下的材料（取決于刻蝕類型）。使用這一方法可成功模擬原位刻蝕深度控制。使用類似方法，也可以進(jìn)行其他類型的自動(dòng)工藝控制，例如深度反應(yīng)離子刻蝕 (DRIE) 或高密度等離子體化學(xué)氣相沉積 (HDP-CVD) 工藝控制。 

參考資料： 

[1] Derbyshire, Katherine. In Situ Metrology for Real-Time Process Control, Semiconductor Online, 10 July 1998, https://www.semiconductoronline.com/doc/in-situ-metrology-for-real-time-process-contr-0001.

[2] SEMulator3D V10 Documentation: Sequences, Loops, Variables, etc.