迎战晶圆均匀度挑战 电浆蚀刻制程控制技术求新求变

通常，晶圆变异只能低于整体变异性的三分之一。例如，在14奈米节点，闸极关键尺寸(CD)的允许变异值为低于2.4奈米，其中晶圆变异只能允许约0.84奈米。在5奈米节点，晶圆的允许变异值低于0.5奈米，这相当于2到3个矽晶原子的大小。在本文中，我们将讨论如何在电浆蚀刻制程中控制晶圆的制程均匀度，此技术在业界的演进，以及其他的重要议题。  
达成均匀度有难度　蚀刻腔体设计再进化  

在蚀刻制程中控制均匀度的主要挑战，在于电浆组成粒子的复杂度。若要达到满意的蚀刻结果(即对不同选择比的薄膜材料经过蚀刻后的结构剖面)，需要管理不同离子与中子的比例(如Ar+、C4F8、C4F6+、O、O2+)。因为相同的电浆会产生两种类型粒子，而且离子对中子的相对数量是息息相关的。因此，参数的影响通常会被用来控制电浆，如电浆供应源功率和蚀刻腔体压力，其也是彼此相关的。  

自从单晶圆制程于1980年代初期开始使用以来，蚀刻腔体被设计用来在晶圆的每个位置上产生相似的电浆条件，以达到均匀的制程结果。但是因为晶圆边缘(图1)会有固有的电气与化学不连续性，会影响晶圆的均匀度，因此会使此目标的达成特别困难。由于从偏压面到接地或悬浮面的改变，因而造成了电压梯度在晶圆边缘产生。  


图1　晶圆边缘的不连续性会产生梯度，影响了晶圆表面的均匀度，并会在晶圆边缘处造成重大影响。
这会使电浆鞘层(plasma sheath)在晶圆边缘处弯曲，而改变了离子相对于晶圆的冲撞轨迹。潜在的化学不连续性也是同样的情况，会使不同的物质在晶圆上产生浓度梯度。此梯度是由多种现象造成的，包括反应物消耗的变异性、以及中心相对于边缘的副产品排放率，以及蚀刻腔体和晶圆的温度差异，会造成化学物质的不同吸收率。  

过去几年来，蚀刻腔体的设计有了许多的改变，以改善径向对称性(图2A)。举例来说，电容式耦合电浆(CCP)蚀刻腔体的主要硬体参数，是阴极与阳极之间的间隙。传统以来，此间隙的设计是用来为特定的功率、压力、以及气体化学混合物提供最均匀的蚀刻结果。在电感式耦合电浆(ICP)蚀刻腔体中，气体注入的位置是一项重要的设计特性，而且会依制程而有所不同。在铝蚀刻腔体中，反应物气体是从晶圆上方的莲蓬头送出的。针对矽晶蚀刻，反应物气体是从晶圆周围注入的，但后来演进为气体是从晶圆的中央上方注入。  


图2　制程的不均匀度可分为径向以及非径向(A)。在一张显示整体不均匀度的晶圆图上，若移除径向对称性，可找到更困难的非径向不均匀度(B)。
随着蚀刻腔体设计的持续优化，非径向式分布的腔体设计已更为普遍。在均匀度晶圆图上，能取得每个半径中所有点的平均值并从晶圆图中扣除，以找出较困难的不对称部分(图2B)。了解此特性后，焦点便移转至消除蚀刻腔体设计中的不对称性现象。  

回顾过去，业界取得了一些非常明显的进步。例如，一直到1990年代末期，都还是普遍把具备涡轮分子(turbomolecular)帮浦的蚀刻腔体放置在晶圆侧边。但是由于反应物的对流以及横跨整个晶圆的副产品，这样的设计会形成偏向一边，有特定方向的均匀度分布图结果。透过把帮浦移到晶圆下方，反应物流动便成为径向对称，因此能消除制程的不对称性。  

在其他的情况中，造成非对称性的原因是更细微的。有一个令人感到兴趣，且可以透过设计来修正的非均匀度情况，是腔体与腔体之间，彼此的座向方位不同，但却都有着特定偏向同一边的均匀度分布图。在详细研究并移除蚀刻腔体硬体可能的问题来源后，发现此图样是与地球的磁场有关(图3)。这个例子说明了电浆制程的敏感度，即使是极微小的外部因素也会带来影响。虽然不一定是蚀刻腔体的问题，但透过在蚀刻腔体四周采用高导磁性材料做为特殊屏蔽，此问题便被解决了。  


图3　地球磁场造成的非均匀度可从蚀刻制程中确认出来(A)。利用磁屏蔽来修正这个问题，可取得一致的蚀刻结果(B)
因应晶圆灵活需求　制程微调应运而生  

由于蚀刻制程越来越多样且复杂，固定的蚀刻腔体设计，已不再具备可满足严格需求的灵活性，因为替每一种蚀刻制程，提供特定的最佳化均匀度组件(Uniformity Kit)是不切实际的。特别是，在2000年代初期，当蚀刻制程从8寸晶圆移转至12寸晶圆时，要获得均匀度结果变得更不容易。因此，业界便开发出微调(tuning)功能，以为各种制程以及较大晶圆尺寸，提供所需的均匀度控制技术。  

在2000年代初期，第一个均匀度的调变方式是针对控制晶圆上的化学作用。要达成此目标有好几种方法，例如，把主要的反应物气体分离到不同的位置上，或是在主反应物气体之外的其他位置增加微调气体。自此之后，蚀刻制程便有了多项可微调的参数(表1)。  


理想上，列表中，上下(独立)可调变方式，是用来对均匀度造成影响的可能因子，进行匹配补偿的，尽可能去补偿可能导致均匀度不佳的因子。这给制程带来最大的冲击，并限制了其他参数的影响。例如，在许多的介电质蚀刻制程中，蚀刻率受限于电浆的离子流量。因为气体注入不会显着影响电浆密度的均匀度，科林研发为CCP蚀刻腔体开发了可微调间隙技术，因此能针对特定的制程条件组合，达成整个晶圆的均匀度离子流量。  

过去几年来，持续的开发工作专注于增加空间解析度，以取得晶圆的更佳控制。  

举例来说，气体一开始只是从晶圆上方的中央位置注入。之后，增加了额外的功能，可用来控制气体直接注入晶圆中央或边缘的比例。几年之后，又在晶圆周围增加了注入气体的位置。为了利用晶圆温度作为控制旋钮，可将不同的加热或冷却区域加到承载晶圆的静电式晶圆座(ESC)中。传统以来，温度区域的数目已从1到2(2002年)，增加到4个径向区域(2006年)，以提升CD的径向均匀度。由于温度会直接影响CD均匀度(CDU)，这是克服最重要的均匀度挑战的一个有效方法。  

一些今日最复杂的制程，得依赖这些先进的微调功能。推动制程持续微缩的一些创新技术，包括3D FinFET元件、先进记忆体设计、以及双重/四重曝光技术，已为降低变异性带来了更多的挑战，因为整合流程中的制程步骤越来越多。即使个别单元制程(包括蚀刻)的均匀度不错，但是它们的综合影响可能会很显着，因此需要在流程中的某些步骤中进行补偿。  

当上下游制程步骤所导致的均匀度结果是已知的且不易修正时，是可以改变蚀刻步骤影响均匀度的结果。例如，如果一个步骤是晶圆中心的蚀刻率快，蚀刻能透过边缘快速来补偿。这听起来好像很简单，但要达成这样的制程控制程度实际上是很困难的，相当于要在另一个制程中提供此非均匀度的翻版。幸运的是，电浆蚀刻技术已经成熟，能够达成这样的控制程度。  

在多年的创新之后，现在，均匀度控制已具备下列特性：  

˙高度的精细度(晶圆上有多个独立的微调位置)  

˙主动微调径向与非径向图样  

˙藉由调整蚀刻制程的前后步骤进行补偿的能力  

控制多独立加热器　均匀度关键参数掌握在手 
想要达到现在所需的控制程度，科林研发采取的策略是提供多个独立的加热器，或是以微区域(micro-zone)来控制晶圆温度，这是影响CD均匀度的关键参数。  

例如，在每个蚀刻腔体利用超过100个局部加热器，与整个晶圆只利用两个或四个加热器的系统相比，可提供更高的空间解析度。控制多个独立的加热器，可同时微调径向与非径向图样，然而在先前的世代中，只有中心─中间─边缘的微调功能(图4)。  


图4　主动式均匀度控制，已从晶圆较大区域的有限径向微调，朝晶圆更小区域的独立微调演进，可实现径向与非径向的均匀度控制。
由于精细度很高，个别工程师很难以手动方式，为这么多的加热器决定适当的设定，以达到晶圆的目标热图样。为了解决这个问题，我们开发了先进的演算法与特殊的温度校正器，因此系统能自动控制加热器。此外，要决定可达成所需的制程均匀度的热图特性也很困难。透过先进的软体演算法，可利用制程趋势、蚀刻腔体校正资料、以及晶圆检测资讯，来自动产生适当的热图(图5)。藉由这项能力，在蚀刻之后，可以将黄光之后，进蚀刻之前的CD不均匀度降低到小于0.5nm。  


图5　特定的硬体及软体作图。显示前段微影制程的CD分布，以及可以在整个晶圆上的多个微区域调整蚀刻制程条件，以补偿上游微影制程的变异性。
均匀度扮良率要角　补偿制程控制发展不停歇  

除了文中讨论的均匀度挑战，晶圆边缘的效能─外围10mm的区域，大约有10%的晶粒会在这个区域，其已成为未来提升良率的一个日益重要焦点。在此区域中，均匀度控制主要受到晶圆边缘的电气不连续性所影响，并会造成电浆鞘层弯曲。  

与化学或热效应影响的区域相比(分别为50-70或30-50mm)，电浆鞘层弯曲的区域小了许多(离边缘约10∼15mm)。虽然固定的边缘硬体，能被重新设计以优化均匀度，但新的技术正在发展中，以便能在晶圆边缘提供电浆鞘层的内部可微调功能。