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。这种优化确保了所用的量测设备总是能够尽最大的能力为我们的控制系统提供有关的工艺信息，从而实现多功能采样的目标。从这一点上来看，我们采集的是信息而不是数据。随着时间的发展，系统对晶圆变化所起的所有影响都将能被观测出来并加以表征，而且由此产生的量测数据量绝对不会增加。

　　变化一旦观测出来，控制算法需要完成的工作就是监测系统设备的偏移倾向，消除所有变化源的耦合，并用前馈晶圆级控制校正偏置。因此我们不是采用整合量测方法对晶圆至晶圆前馈控制中的每一块晶圆进行测量，而是采用独立量测和动态取样相结合的方法来测量适当数量的晶圆，只要能够对误差的系统源头进行表征，并可以采用晶圆级控制对其进行校正就够了。

　　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

。在90nm节点时晶圆级控制技术又增加了多个插入点；对65nm生产来说，其应用将会更加广泛。采用独立量测与动态取样相结合的方法，我们即可使晶圆级控制技术达到采用整合量测技术进行前馈晶圆至晶圆控制的性能要求。这种设计策略使我们又多了一种可用于整合量测技术评估和开展的测量手段。但目前我们还没有生产用于90nm的整合量测工具，用于65nm节点的就更少了。

　　对未来的技术节点而言，前馈晶圆至晶圆控制技术的必要性一定会得到证实，因此整合量测技术的需求会越来越多。但整合量测技术必须得到逐步的成熟和完善，从而使它完全符合应用的要求，然而目前还有很多问题困扰着整合量测技术，尤其是构图组件，除此之外还必须证明整合量测取代独立量测的优点所在。只要整合量测还是一种只增加成本而不是替代成本的技术，采用独立量测的晶圆级控制系统就可以使我们安然无恙地等待下去，根本不用担心整合量测技术带来的威胁。