用于
前馈式
蚀刻过程控制的在线厚度测量仪
通过蚀刻前薄膜表征实现亚纳米级 CD 一致性
随着半导体器件不断向原子尺寸发展，工艺变化的余地也急剧缩小。在 5 纳米技术节点上，晶圆上允许的临界尺寸 (CD) 变化小于 0.5 纳米，仅相当于两到三个硅原子。当进入的薄膜厚度在整个晶片上发生变化时，传统的基于时间的蚀刻无法达到这一精度水平。
本应用说明介绍了直接集成到等离子蚀刻设备或其上游的非接触式涡流厚度测量如何实现前馈过程控制。蚀刻系统可以通过对进入晶圆的真实厚度轮廓进行表征，动态调整特定区域的参数，在上游变化成为限制产量的缺陷之前对其进行补偿。
SURAGUS 成像工具可在 60 秒内提供超过 5,000 个测量点的全晶片厚度图，提供高级蚀刻补偿算法所需的高分辨率数据。这种能力对于 3D NAND、阶梯形成和高级逻辑门图案化中的高纵横比 (HAR) 蚀刻尤为重要，因为厚度均匀性直接决定了器件的性能和产量。
目录
蚀刻在半导体制造中的关键作用
等离子体蚀刻是半导体制造中最关键的工艺之一，负责将光刻图案转换为功能器件结构。每个晶片都要经过数十个蚀刻步骤才能完成， 每个步骤的精度都直接影响到器件的性能、可靠性和制造产量。
任何蚀刻工艺的基本目标都是均匀去除整个晶片上的材料，同时保持对材料的精确控制：
- 蚀刻深度– 准确去除预定数量的材料
- 关键尺寸 (CD)– 保持光刻图案的逼真度 – **轮廓控制** – 实现垂直侧壁或受控锥角 – **尺寸(CD)– 保持光刻图案的逼真度 – **轮廓控制** – 实现垂直侧壁或受控锥角
- 选择性– 在蚀刻目标材料的同时保留掩膜和底层材料
- 均匀性– 实现从中心到边缘的一致效果
统一性挑战
现代蚀刻设备制造商已开发出先进的技术，可在整个晶片上实现均匀的等离子条件。这些技术包括对称腔体设计、多区温度控制、可调气体注入和先进的射频功率传输系统。
然而，如果进入的薄膜不均匀，即使是完全均匀的蚀刻过程也会产生不均匀的结果。上游沉积过程中产生的薄膜厚度、密度、应力或成分变化会直接导致蚀刻后的 CD 变化。
本应用说明介绍了蚀刻前厚度测量如何使蚀刻设备主动补偿输入变化，将被动流程转变为主动的自我纠正系统。
问题：传入胶片的差异
胶片不均匀性的来源
通过 CVD、PVD、ALD 或电化学沉积法沉积的薄膜本身会表现出一定程度的不均匀性。
常见的来源包括：
| 来源 | 典型模式 | 对蚀刻的影响 |
|---|---|---|
| 气流分布 | 中心至边缘梯度 | 径向 CD 变化 |
| 温度梯度 | 径向或方位 | 可变蚀刻速率 |
| 目标侵蚀（PVD） | 渐进漂移 | 晶圆之间的差异 |
| 前体耗竭 | 中心厚或边缘厚 | 清除时间不均匀 |
| 腔体不对称 | 方位角变化 | 旋转 CD 模式 |
| 晶圆夹持效果 | 边缘滚落 | 边缘产量损失 |
对于 300 毫米晶圆上厚度不均匀度为 2% 至 3% 的典型薄膜而言，厚度变化可能超过 5 至 10 纳米，
，远远超过先进节点所要求的亚纳米 CD 公差。
无补偿差异的后果
蚀刻不足
薄膜厚度超过标称厚度的区域在标准蚀刻时间内无法完全清除。
残余材料会导致电气短路、图案缺陷或触点堵塞。
这些晶片需要返工或成为废品。
过度蚀刻
薄于标称薄膜的区域提前清除，并继续暴露在等离子体中。
这将导致：
- 底层受到侵蚀
- 侧壁受到攻击，光盘丢失
- 线缘粗糙度 (LER) 增加
- 损坏敏感设备结构
不均匀临界尺寸
即使所有区域最终都能清除，不同的清除时间也会导致不同的侧壁暴露。
清除较早的区域会经历更多的横向蚀刻，导致 CD 面积大于清除较晚的区域。
减少工艺窗口
为确保所有区域都清晰而不会出现过度蚀刻，工程师必须在严格控制余量的情况下进行操作。
这就减少了吞吐量（保守的蚀刻时间），并限制了用于其他优化的工艺窗口。
基于时间的蚀刻的局限性
传统的蚀刻工艺依赖于根据历史数据开发的固定时间配方。
虽然端点检测系统可以识别蚀刻何时完成，但它们通常只能提供单个晶片的平均信号，无法解决整个晶片的空间变化问题。
基于时间的蚀刻假设：
- 入料薄膜厚度恒定（晶片与晶片之间）
- 入料薄膜均匀性恒定（晶片内）
- 炉室条件稳定（逐次运行）
实际上，这些假设都不能完全成立，累积变化会消耗分配给蚀刻的误差预算。
解决方案：前馈蚀刻控制
前馈控制概念
前馈控制是一种工艺策略，即在工艺开始之前，利用上游测量结果来调整下游工艺参数。
与对工艺后测量结果做出反应的反馈控制不同，前馈控制可以从一开始就防止错误的发生。
在蚀刻应用中，前馈控制利用蚀刻前的厚度测量来进行蚀刻：
- 鉴定整个晶片上的入射薄膜厚度轮廓
- 计算每个区或地区所需的补偿金
- 逐区调整蚀刻参数（时间、温度、功率
- 执行定制的蚀刻配方，无论进料如何变化，都能产生统一的结果
这种方法可以有效地进行镜像校正，薄膜较厚的区域会受到更强烈的蚀刻，而薄膜较薄的区域则会受到更温和的处理。
有效前馈控制的要求
要成功实施前馈蚀刻控制，需要能够提供厚度测量的设备：
| 要求 | 理由 |
|---|---|
| 全晶圆覆盖 | 变化无处不在，包括边缘 |
| 高空间分辨率 | 必须解析局部特征，而不仅仅是径向趋势 |
| 非接触式测量 | 不会损坏或污染生产晶圆 |
| 高产量 | 不得成为生产流程的瓶颈 |
| 生产兼容性 | 必须在占地面积最小的工厂环境中运行 |
| 数据集成 | 必须与蚀刻设备控制系统连接 |
传统的计量方法，如椭偏仪或四点探针，只能提供稀疏的采样（通常为 9 至 49 点），通常无法测量临界边缘区域。
这些限制使它们不适合先进的前馈应用。
SURAGUS 涡流技术
测量原理
SURAGUS 厚度测量系统利用高频涡流技术对导电薄膜进行非破坏性表征。
当交变电磁场作用在导电层附近时，材料中会产生涡流。
这些电流的大小和相位取决于薄膜的片状电阻，对于已知电阻率的薄膜，片状电阻与厚度直接相关。
涡流测量的主要优势包括
- 非接触式操作，与晶片表面无机械接触
- 无耗材，无需更换或校准探头尖端
- 高速，每个点的测量以毫秒为单位
- 运行稳定，可承受晶片弯曲、翘曲和表面状况
- 完整的晶片功能，包括接触式探头无法触及的边缘区域
测量模式
SURAGUS 传感器有两种主要配置：
传输模式（双面）
安装在晶片上方和下方的传感器测量整个晶片堆叠的综合响应。
这种模式提供：
- 传感器与晶片间隙大（最多 100 毫米）
- 晶圆位置变化容差大
- 机器人搬运和工具集成的理想选择
- 适用于薄晶圆和厚晶圆，无需更改设置
反射模式（单面）
安装在晶片一侧的传感器测量表面响应。
该模式提供：
- 更小的光斑尺寸（小至 1 毫米）
- 表面敏感测量
- 可对厚基底进行深度剖面测量
蚀刻集成的产品组合
EddyCus® TF 在线传感器系列
在线传感器系列专为集成到工艺设备中而设计，具有以下功能：
- 测量速度高达每秒 50 个读数
- 固定或横向传感器安装
- 每个系统集成 1 至 99 个监控通道
- 与过程控制系统的直接接口
- 在大气或真空环境中运行
EddyCus® 传感器集成套件
对于 OEM 设备制造商，SURAGUS 提供的传感器集成套件包括：
- 为工具集成而优化的紧凑型传感器头
- 用于信号处理的电子模块
- 用于数据通信的软件 API
- 应用工程支持
测量性能
| 参数 | 参数 |
|---|---|
| 测量速度 | 每秒最多 50 个点 |
| 空间分辨率 | 最小间距为 0.1 毫米 |
| 每个晶片的数据点 | 5,000+ (200 毫米) 至 30,000+ (300 毫米) |
| 全晶片扫描时间 | 少于 60 秒 |
| 厚度范围 | 亚纳米到数百微米 |
| 重复性 | 小于 0.1%（1σ） |
| 边缘排除 | 低至 1 毫米 |
集成架构
工具集成
最强大的实施方案是将 SURAGUS 传感器直接集成到蚀刻设备中，在晶片进入工艺室之前立即对其进行测量。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ 蚀刻设备 │ │ ┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────────┐ │ │ │ 装载港 │───SURAGUS │───
优势
- 无需额外处理或运输
- 周期时间影响最小
- 测量与流程之间尽可能紧密的相关性
- 单一设备占地面积
独立式蚀刻前测量
对于寻求灵活性或分阶段实施的工厂，SURAGUS 提供可在蚀刻设备上游运行的独立测量系统。
┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ 沉积 │────────
优势
- 可用于多个蚀刻工具
- 无需改装现有蚀刻设备
- 可根据批次或晶圆选择配方
- 为沉积过程监控提供数据
混合方法
有些实施方案将这两种方法结合起来：
- 用于综合特征描述的独立测绘
- 用于实时验证和微调的工具内传感器
应用实例
3D NAND 高宽比通道孔蚀刻技术
挑战
三维 NAND 制造需要在 200 多层交替的氧化物和氮化物层中蚀刻通道孔，深度达到 10 微米或更深，纵横比超过 100:1。
每个晶片上必须同时均匀蚀刻一万亿个以上的孔。
每个沉积层 1% 的不均匀度会导致堆栈总高度的显著变化。
厚度变化的影响
- 蚀刻不完全：较厚的区域可能无法到达底部，从而形成开路
- 过度蚀刻：较薄区域冲穿基底，损坏器件
- CD 变化：堆叠高度可变导致底部孔径可变
- 轮廓变形：弯曲和扭曲影响设备几何形状
前馈解决方案
在蚀刻前测量堆栈总厚度：
- 按区域调整蚀刻时间，确保均匀突破
- 修改离子能量曲线以补偿深度变化
- 优化低温温度分布，实现均匀钝化
结果
为 HAR 蚀刻实施前馈控制的工厂已经证明了这一点：
- 将 CD 变化减少 30% 至 50
- 每个晶片的边缘良品率提高 0.5% 至 2
- 降低过蚀刻余量要求，提高产量
3D NAND 楼梯蚀刻
挑战
3D NAND 中的阶梯结构为每个字线层提供了接触垫。
形成过程需要反复进行光刻修整和垂直蚀刻，每一步都要去除一个层对。
厚度误差会在数十次循环中不断累积。
厚度变化的影响
- 台阶高度变化：不一致的台阶尺寸会影响接触的形成
- 累积误差：每步小误差乘以 100 多步的误差
- 叠层挑战：多变的地形使后续光刻复杂化
前馈解决方案
在阶梯形成之前测量进入的堆栈厚度：
- 调整每个台阶的蚀刻深度，实现统一的台阶高度
- 层与层之间厚度变化的补偿
- 预测和防止误差累积
高级逻辑门蚀刻
挑战
高 NA EUV 光刻技术使用更薄的光刻胶（小于 30 纳米），对蚀刻工艺的选择性要求极高。
厚度变化的影响
- 栅极长度变化：直接影响晶体管性能
- 阈值电压差：非均匀栅极导致 Vt 变化
- 时序不确定性：可变栅极尺寸影响电路时序
前馈解决方案
在蚀刻前测量硬掩膜厚度：
- 按区调整蚀刻率，以获得均匀的 CD
- 光刻不均匀补偿
- 按区域优化选择性与轮廓的权衡
DRAM 电容器蚀刻
挑战
DRAM 电容器需要极高的纵横比结构，以便在有限的占地面积内实现最大电容。
随着 DRAM 规模的扩大，电容器的高度增加而直径缩小，从而使纵横比超过 50:1。
厚度变化的影响
- 电容变化：高度不均匀导致存储单元不匹配
- 结构完整性：可变蚀刻会削弱高层建筑的强度
- 产量损失：蚀刻不完全造成短路，蚀刻过度造成开路
前馈解决方案
在电容器蚀刻前测量电介质叠层厚度：
- 整个内存阵列的蚀刻深度均匀一致
- 电容器高度一致，电气性能匹配
- 优化工艺余量，提高产量
硬掩膜打开和图案转移
挑战
硬掩膜（SiO2、SiN、TiN、SiOC）用于光刻胶本身无法承受主蚀刻工艺的情况。
硬掩膜打开步骤必须精确地转移抗蚀剂图案而不变形。
厚度变化的影响
- 图案变形：不同的硬掩膜厚度导致不同的蚀刻时间
- CD 偏差：不均匀清纱会影响最终尺寸
- 掩膜消耗：过度蚀刻会侵蚀掩膜，降低选择性
前馈解决方案
蚀刻前测量硬掩膜厚度：
- 优化蚀刻时间，最大限度地减少过蚀刻，同时确保清除
- 针对特定区域进行调整，以实现统一的图案传输
- 延长有效掩膜寿命
实施效益
提高产量
前馈蚀刻控制可直接提高模具产量：
| 机制 | 典型改进 |
|---|---|
| 减少 CD 变异 | 晶片内差异减少 30% 至 50 |
| 边缘良率恢复 | 每个晶片的良品率提高 0.5% 至 2 |
| 降低缺陷率 | 减少蚀刻不足和蚀刻过度缺陷 |
| 更严格的分布 | 更多模具符合规格限制 |
对于每月加工 50,000 个晶圆的工厂来说，1% 的良品率提高相当于增加了 500 个优质晶圆，相当于增加了数百万美元的收入。
流程窗口改进
通过对输入变化进行补偿，前馈控制可有效拓宽工艺窗口：
- 对上游变化的容差更大，蚀刻补偿而不是传播误差
- 减少对过度蚀刻余量的需求，精确的厚度知识可实现精确计时
- 在配方优化方面具有更大的灵活性，可在确保一致性的情况下优化其他参数
提高吞吐量
增加一个测量步骤可以提高总体吞吐量：
- 减少返工，减少需要重新加工的晶片数量
- 更短的蚀刻时间、更小的过蚀刻余量使加工速度更快
- 减少测试晶圆，用生产晶圆数据取代监控晶圆
- 更快的工艺开发，高分辨率数据加速配方优化
降低成本
| 类别 | 成本影响 |
|---|---|
| 减少废料 | 直接节省材料 |
| 消除返工 | 节省人力和设备时间 |
| 减少测试晶片 | 节省消耗品成本 |
| 延长腔体寿命 | 减少过度蚀刻意味着减少炉腔磨损 |
| 更快的鉴定 | 缩短新工艺的生产时间 |
过程智能
除了实时控制外，厚度数据还能提供宝贵的过程情报：
- 沉积监控、蚀刻前数据显示上游工艺漂移
- 相关性分析，将传入变化与最终设备性能联系起来
- 预测性维护，通过薄膜均匀性趋势跟踪沉积工具的健康状况
- 根本原因分析，区分蚀刻引起的变化和沉积引起的变化
数据整合与交流
设备接口
SURAGUS 测量系统支持多种接口选项，可与蚀刻设备和工厂系统集成：
| 界面 | 应用 |
|---|---|
| SECS/GEM | 标准半导体设备通信 |
| OPC UA | 现代工业自动化协议 |
| TCP/IP | 自定义套接字通信 |
| 基于文件 | CSV、XML 或自定义格式，用于离线分析 |
| 模拟输出 | 4 至 20 mA 或 0 至 10 V，用于简单集成 |
数据格式
厚度图可以根据不同的使用情况以最优化的格式提供：
- 完整的晶片图，每个测量点的完整厚度
- 区平均值，设备控制区的平均厚度
- 均匀性指标，统计摘要（范围、σ、NU 百分比）
- 补偿表、预先计算的设备配方调整值
实时处理与批量处理
实时集成
- 蚀刻前测量的厚度
- 数据直接传输到设备控制器
- 针对每块威化饼即时调整配方
批量处理
- 在上游测站测量的厚度
- 存储在工厂 MES 或数据库中的数据
- 晶圆到达蚀刻车间时选择或调整配方
入门
可行性评估
SURAGUS 可提供可行性研究，以评估特定应用的潜在效益：
- 样品测量：为厚度测绘提供具有代表性的晶片
- 数据分析：量化现有的统一性并确定模式
- 效益估算：前馈控制的预期改进模型
- 集成规划：确定最佳实施架构
试点实施
分阶段的方法既能最大限度地降低风险，又能体现价值：
第 1 阶段：离线特征描述
- 独立测量入厂晶片
- 厚度数据与蚀刻结果的相关性
- 验证测量精度和可重复性
第 2 阶段：配方优化
- 利用厚度数据开发改良配方
- 实施晶圆分选或基于批次的配方选择
- 量化分类方法带来的产量提升
第 3 阶段：全面前馈整合
- 将传感器集成到蚀刻设备中
- 实施实时配方调整
- 充分实现分区补偿的效益
支持与合作
SURAGUS 为实施工作提供全面支持：
- 应用工程：特定过程测量优化
- 集成支持：硬件和软件集成协助
- 培训：操作员和工程师培训计划
- 持续服务：校准、维护和升级
结论
随着半导体制造向原子级精度发展，工艺控制策略必须超越传统的基于时间的方法。通过高分辨率蚀刻前厚度测量实现的前馈蚀刻控制，是实现先进设备所需均匀性的根本性进步。
SURAGUS 涡流技术可提供非接触、全晶圆、高产能的测量能力，这对于在生产环境中实施前馈控制至关重要。通过在蚀刻开始前对进入的薄膜条件进行鉴定，工厂可以
- 补偿上游变化，而不是传播上游变化
- 在整个晶片上实现亚纳米级的 CD 一致性
- 同时提高产量、吞吐量和加工利润率
- 获取流程情报，促进持续改进
无论是直接集成到蚀刻设备中，还是作为独立的测量站部署，SURAGUS 厚度测量系统都能实现从被动式工艺控制到主动式工艺控制的转变，这是先进技术节点取得成功的关键能力。
