摘要　本文将重点讨论整合量测与晶圆级控制技术在先进精密制造中的作用。

　　方差与晶圆控制

　　对这一技术加以阐明有助于我们确定相关术语的定义。晶圆级控制指的是对一个批次中的每块晶圆都要采用单独的工艺设置,在运行开始前就需要确定好。换句话说,在运行过程中不可能获得新的信息用于工艺设置的更新;运行开始前就要将所有的工艺参数下载到工艺设备上（图1 ）。这与批量级控制用的操作方案相似,只是晶圆可以有单独的设置。在运行过程中晶圆至晶圆(WtW)控制就能轻易地提高工艺设置的更新能力。在这种情况下,在晶圆进行处理之前的任意时间内即可以对每一块晶圆的工艺设置进行确定或更新。晶圆至晶圆的自动方案可以包括运行期间的新信息反馈或一种整合量测的前馈方案。运行期间获得的新信息可能来自于相同批次中前一块晶圆的整合量测数据,也可能来自于其它批次中的独立量测数据。这就是本文要介绍的主要内容。

　　在对半导体工艺处理中的方差进行特别分析时,可采用的有效方法是将工艺变化的因素分成几个部分：批次-批次、晶圆-晶圆、晶圆内部和闪存内部（或模版区）等。就像独立的与线性相关的参数一样,将这些单独的方差成份累积在一起就可知道总方差的大小。

     　s²_tot=s²_ltl+s²_wtw+s²_wiw+s²_wif+s²_meas

　　晶圆级控制和晶圆至晶圆控制技术主要与晶圆至晶圆情况的寻址有关。通常,为了有效地控制任何形式的变量,必须满足两个要求。首先,必须对所需的输出变量进行观测。这尤其要包括晶圆状态的量测。第二,必须有控制钮。为了实现晶圆级控制,还必须包括每块晶圆的工艺设置能力。由测量系统引起的附加方差(s_meas)也必须明确地包括在其中。针对这一问题的传统解决方法是,提高量测设备的精度并对测量误差进行原始数据的过滤处理。

　　上述的每一种现象都有其系统的和随机（噪声）的构成因素。目前已发现,随机变化的有源反馈控制是无效的,因此重点应放在随机变化的前馈控制和系统变化的前馈/反馈控制上。如果采用上游系统变化作为偏移的反馈时,就会有危险。必须采用具有反馈控制功能的整合量测刻蚀机。如果在最终刻蚀CD（FICD）阶段对4块相邻的晶圆进行测量并发现有一种倾向,那就可能会引起控制变化,就要重新确定FICD的中心。然而,沉积室的偏置会引起底部抗反射涂层（BARC）的不均匀分布,如果这种倾向是由该不均匀分布造成的,即可说明了系统的偏移。实际上,如果根据这一错误的数据解释来控制移动的话可能会引起更多的变化。因此,坚持采用适当的加工技术对系统变化的产生根源加以鉴别是实现晶圆级控制的一个必要条件。虽然系统变化跟随机变化的比率与工艺有着密切的关系,但根据我们的经验来看,最有可能的改善是对系统效应进行揭示并加以弥补。随后的工艺步骤所起的作用会被掩盖,这就会使我们进一步忽视单独效应,造成一种随机变化的假象。例如在图2中,那种看上去像是由窄缝引起的累积误差中的随机倾向实际上是由5个抛光臂、3个加热板和4个刻蚀室共同产生的系统作用。

　　工艺变化的系统部分可能由反应室偏置或设备偏移等效应组成。我们在这里所说的偏移是指工艺设备中的工艺条件在发生改变时对输出参数带来的任何晶圆顺序方面的影响。如果偏移很快,足以造成很强的批次内效应,或者会产生与闲置时间相关的影响（例如,第一块晶圆效应）,那么就可能需要采用晶圆级控制来解决这一问题。对较慢的偏移而言,采用先进的工艺控制进行简单的批次-批次调整即可使大多数效应得到弥补。

　　推动整合量测技术发展的因素

　　半导体工业界已将整合量测技术作为一种解决复杂控制问题的重要手段,并已对其投入了极大的关注。按照上文提供的定义,整合量测技术显然是实现晶圆至晶圆控制的最佳量测手段。在前馈晶圆至晶圆控制方案中,在处理之前就要将每一块晶圆送到整合量测单元上进行测量。然后针对那块晶圆对具体的方案进行修改以便把即将发生的变化解释清楚;对正在进行处理的本批次中的所有（或一些子件）晶圆重复上述的工艺步骤。在使用这种方法时,假设量测数据的精确度完全相同,这样整合量测单元就不会在采用独立量测的晶圆级控制上增加任何额外的控制值。在前馈情况下,与晶圆级控制相比,整合量测所特有的最大优点是,在综合单元上测量晶圆的效率得到改善,虽然它们还有待在实际工艺中得到应用。对预先量测来说,它不会在单独的工艺步骤上浪费循环时间或独立的能量。

　　整合量测技术现状

　　几种出版物中刊登的文章已清楚地说明,化学机械抛光（CMP）是整合量测技术应用最广泛的领域。为什么会造成这样的局面呢？首先,对其它的工艺组件来说,量测方法的技术风险要比整合量测低得多。对化学机械抛光而言,可以将那些常用于独立量测的具有相同光学膜厚度的量测单元做一些适当的改动后,即可与抛光机集成在一起。相对于光学设计或量测供应商而言,整合量测单元会有一些细小的变化,但其工程设计原则与我们熟知的抛光控制工艺相类似。因此,虽然量测集成可能会比较复杂,但测量技术本身承担的内在风险却是最低的。由于量测技术得到了相对的简化,因而这种方法的可制造性以及性价比都得到提高。其次,目前已有明显的成功案例,原始设备制造商（OEM）从中看到了希望。他们已在开发一种“落入式”（drop-in）方法,将抛光机、整合量测单元和先进工艺控制单元共同集成在一个先进的封装中。采用标准的仪器设备,因而可用板上膜厚度单元实现前馈晶圆至晶圆的先进工艺控制,从而只须调整每一块晶圆的抛光时间即可校正膜即将要发生的厚度变化,无须使用综合的先进工艺控制设备即可实现这种晶圆至晶圆的控制方法。如果向上或向下都没有现成的先进工艺控制工具,化学机械抛光中晶圆至晶圆的控制就会成为单位工艺中校正总体变化的交换中心。

　　构图组件领域展现的是整合量测技术应用的另一番景象。由于图形受限的良率损耗问题一直困扰着当前和未来的技术节点,因此每个光刻单元和刻蚀部件都能产生丰富而大量的数据流的希望将会引起广泛注目。最近,散射量测技术作为一种独立解决方案越来越多地受到一些重要领域的关注,光学CD整合量测革命的日程似乎已经排定。的确,近5 年来,这些商业因素已使整合量测技术在光刻和刻蚀领域中的应用取得了惊人的进步,然而要想使CD整合量测技术达到主流生产的水平还必须进行更多的准备工作。

　　要说明整合量测技术在光刻和刻蚀领域中应用所面临的困难,我们只需将现实情况与化学机械抛光做一比较即可知晓。采用整合量测技术的散射量测方法目前正在崭露头角。芯片制造商可没有如此好的运气能直接将成熟的经过长期实践检验的独立技术应用到整合量测领域。相反他们却一直被棘手的集成问题和技术难题困扰着。如果今后10年内散射量测技术能够作为一种独立的技术继续发展,逐步达到成熟的水平,并进而应用到工艺设备中,情况可能会好一些,但是对CD整合量测的需求却是不会一直这么等下去的。使问题变得更为复杂的是,实际上宽带散射量测的应用需要采用几种不同的硬件结构。如果采用不同的硬件类型（图3 ）就必然需要在成本、产能、体积和灵敏度之间进行一系列的折衷考虑。由于独立光刻与集成光刻以及独立刻蚀与集成刻蚀的情况有所区别,因此它们的最佳硬件选择也很可能是不同的。为了达到开发和维护的目的,是否值得为每一种应用都选择“最好”的硬件并组成一个可能来自多家销售商的十分复杂的散射量测工具网呢？或者说是否找到一种让一家供应商和/或硬件能同时满足所有的要求的折衷方案呢？而这只不过是芯片制造商必须要解决的众多难题中的其中一个。

　　对整合量测来说,量测效率主要与主设备上运行的一套工艺流程有关。如果发现散射量测技术不适用于新型层或为设备选定的工艺,即可停止使用整合量测单元。随着采用新型材料的65nm及更新技术节点的到来,散射量测技术的能力将充分发挥出来,形成强有力的量测方法。尤其麻烦的是光刻整合量测,在这种工艺中,先进抗反射涂层（ARC）的作用就是将反射消除掉,而散射量测中却需要利用这一反射来提高对CD和抗蚀剂分布变化的敏感性。在这么多不确定因素下要想有效地控制散射量测的研究和应用的确不是一件轻而易举的事。

　　虽然散射量测技术的工程开支很高,模型也不确定,但散射量测所具有的潜力却吸引了大多数芯片制造商,他们正在极力追捧这一技术。当证明散射量测技术十分适合于某种应用时,快速、丰富、精确的CD与外形轮廓量测就不太匹配了。散射量测本身所具有的能力已可为垂直或凹入的抗蚀剂分布提供侧壁信息,其产能效率可满足大批量制造的要求（图4）,从而使其成为65nm和更新节点工艺时控制光刻图形的重要技术手段。

　　AMD公司开展的晶圆级控制研究

　　因为图形整合量测算不上是一种良好的成本/风险建议,为此我们又开发了一种用于晶圆级控制的替代策略。如前所述,控制变化的第一个要求就是观测的方法。采集适当的在线晶圆状态数据是进行良好工艺控制的基础。在采集足量数据（不论是统计工艺控制的要求还是先进工艺控制的要求）和最大限度地降低量测要求之间进行折衷考虑是制造中常常要涉及的问题。长久以来,我们的目标是将先进工艺控制用的有用信息增加到最大限度。尽管数据量的确是该项研究的一部分,但研究发现要判断出什么需要测量（即哪些批次、哪些晶圆和哪些位置等）起着至关重要的作用。换句话说,只要这个数据能够推动制造目标的实现,那它就是有用的。事实上,“什么是有用的”永远在随着时间的变化而变化,这就使事情更加复杂。例如,如果我们最近一段时间内都没有对特定刻蚀机上A室中的某块晶圆进行过测量,那么我们即将获得的对这类晶圆的取样数据就要比几分钟前刚对A室进行过采样而获得的数据要珍贵得多。通过对先进的采样能力和预设计能力进行调整,我们可以确保使现有的量测能力用于高时效地捕获相关的数据。静态取样速率将被一种能够对多个工程师制订的原则进行平衡的动态系统所取代。通过限制量测能力,最大限度地降低了不满意原则的损耗从而可使系统工作

　　总结

　　对半导体制造业的领先者来说,晶圆级先进工艺控制时代并不是即将来临而是已经到来。广泛应用的批次级先进工艺控制在早期就将晶圆级变化推到了一个极其重要的高度上,对晶圆级控制技术的开发在130nm技术节点就已开始