上海伯東日本 Atonarp Aston? 質(zhì)譜分析儀無等離子體設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)快速, 化學(xué)特定的原位定量氣體分析, 與光學(xué)發(fā)射光譜 OES 對(duì)比, Aston? 質(zhì)譜儀 的 OA% 靈敏度顯示為 <0.25%, 適用于半導(dǎo)體工藝中蝕刻計(jì)量控制, ALD, 3D-NAND 和新興的堆疊式 DRAM.

半導(dǎo)體蝕刻工藝挑戰(zhàn)日益增加
蝕刻是半導(dǎo)體制造中常用的工藝之一. 介電蝕刻用于形成絕緣結(jié)構(gòu), 觸點(diǎn)和通孔, 多晶硅蝕刻用于在晶體管中創(chuàng)建柵極, 金屬蝕刻去除材料以顯示電路連接圖案并鉆穿硬掩模.

連續(xù)蝕刻鋁 Al, 鎢, 銅 Cu,鈦 Ti 和氮化鈦 TiN 等工藝金屬具有挑戰(zhàn)性, 因?yàn)樵S多金屬會(huì)形成非揮發(fā)性金屬鹵化物副產(chǎn)品（例如六氯化鎢 WCl6）, 這些副產(chǎn)品會(huì)重新沉積在蝕刻側(cè)壁上, 導(dǎo)致成品率降低（通過微粒污染或沉積材料導(dǎo)致短路）.

隨著半導(dǎo)體行業(yè)不斷縮小關(guān)鍵特征尺寸并采用垂直擴(kuò)展 (如 3D-NAND 存儲(chǔ)器和全環(huán)繞柵極先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)), 各種新的蝕刻挑戰(zhàn)已經(jīng)出現(xiàn). 這些包括在晶圓上蝕刻更小的特征, 高展弦比 HAR 溝槽蝕刻 (具有小的開放面積百分比- OA%), 以及在新興的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器和高 k介質(zhì)中蝕刻金屬閘極, 稀土金屬等新材料. 對(duì)于先進(jìn)的納米級(jí)工藝, 如蝕刻到硅介質(zhì)和金屬薄膜, 選擇性處理, 如原子層蝕刻 ALE 一次去除材料的幾個(gè)原子層. ALE 提供了比傳統(tǒng)蝕刻技術(shù)更多的控制. 對(duì)于 3D-NAND 和先進(jìn) DRAM 來說, 向批量生產(chǎn)過渡的重大挑戰(zhàn)包括解決導(dǎo)體蝕刻困難的要求, 滿足積極的生產(chǎn)斜坡和實(shí)現(xiàn)所需的吞吐量, 以推動(dòng)成本效益.

上海伯東日本 Atonarp Aston? 質(zhì)譜分析儀提供高性能, 嵌入式和可靠的原位定量分子氣體計(jì)量已經(jīng)成為驗(yàn)證工藝室和持續(xù)監(jiān)測(cè)工藝化學(xué)過程的關(guān)鍵工具, 確保生產(chǎn)環(huán)境中的高產(chǎn)率和更大吞吐量.

Aston? 質(zhì)譜分析儀提供全腔室解決方案
使用上海伯東 Atonarp Aston? 質(zhì)譜儀通過實(shí)時(shí), 定量和精確的分子傳感器來解決半導(dǎo)體新興蝕刻工藝技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn). 通過解決傳感器耐久性, 靈敏度, 匹配, 系統(tǒng)集成和易用性等方面的挑戰(zhàn), 日本 Atonarp  Aston? 質(zhì)譜儀升級(jí)了傳統(tǒng)的氣體分析計(jì)量方法. Aston 是一種全室解決方案, 用于在各種工藝步驟中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前體, 反應(yīng)物和副產(chǎn)物.

這些包括基準(zhǔn)室和過程指證, 腔室清潔, 過程監(jiān)測(cè) (包括存在腐蝕性氣體), 顆粒沉積和氣體污染物凝結(jié). 小的占地面積和靈活的通信接口允許在室內(nèi)安裝和集成到過程設(shè)備控制系統(tǒng). 為了集成到半導(dǎo)體工藝工具中, Aston 質(zhì)譜分析儀的高性能和可靠性設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)晶圓的大批量生產(chǎn)過程控制.

Aston? 質(zhì)譜分析儀半導(dǎo)體蝕刻計(jì)量控制
半導(dǎo)體行業(yè)正從二維結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展轉(zhuǎn)向復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)性要求. 傳統(tǒng)的離線晶圓測(cè)量已不足以實(shí)現(xiàn)性能和良率目標(biāo), 原位蝕刻測(cè)量傳統(tǒng)上缺乏生產(chǎn)所需的魯棒性和可重復(fù)性. Aston? 質(zhì)譜分析儀的結(jié)構(gòu)中嵌入了專利技術(shù), 使其具有卓越的分析和操作性能. 為了滿足過程控制和跨工廠生產(chǎn)工具匹配的嚴(yán)格要求, Aston 從頭開始設(shè)計(jì), 高運(yùn)行時(shí)間和低維護(hù)的吞吐量, 長(zhǎng)期信號(hào)穩(wěn)定性和可重復(fù)性.

為了承受腐蝕和沉積過程的惡劣環(huán)境, Aston? 引入了兩個(gè)革命性的功能: 等離子電離和自清潔 (ReGen?模式). 等離子體電離消除了由于與腐蝕性氣體(如NF3, CF4, Cl2)的反應(yīng)而導(dǎo)致的燈絲降解. 此外, 除去(正硅酸四乙酯) TEOS 等顆粒和蒸汽污染物沉積, 同時(shí)定期進(jìn)行室內(nèi)清潔循環(huán), 延長(zhǎng)了 Aston? 質(zhì)譜儀的使用壽命. ReGenTM 模式使儀器能夠使用高能等離子離子清洗自身, 通過去除在膜沉積過程中可能發(fā)生在傳感器和腔室壁上的沉積. 結(jié)合這兩個(gè)功能, 傳感器的靈敏度可維持在數(shù)百個(gè)RF(射頻)小時(shí)的操作. Aston質(zhì)譜儀支持的基于測(cè)量的控制, 有可能延長(zhǎng)清洗間隔 MTBC 的平均時(shí)間. MTBC 的增加意味著工具可用性和長(zhǎng)期吞吐量的增加. 除了等離子電離器(用于工藝), 傳感器還配備了傳統(tǒng)的電子沖擊 EI 燈絲電離器, 用于基線和校準(zhǔn).

分子傳感器的分析級(jí)是使用微米級(jí)精密雙曲電極的四極桿. 由高度線性射頻(RF)電路驅(qū)動(dòng), Aston 質(zhì)譜的HyperQuad 傳感器在 2到300 amu的質(zhì)量范圍內(nèi)具有更高的分析性能.

Aston? 質(zhì)譜分析儀技術(shù)參數(shù)

高展弦比 HAR 3D 蝕刻
隨著多模式技術(shù)和 3D器件結(jié)構(gòu)的出現(xiàn), 高度密集的蝕刻和沉積過程驅(qū)動(dòng)了計(jì)量需求. 3D多層膜棧, 如 NAND 存儲(chǔ)架構(gòu), 代表復(fù)雜的, 具有挑戰(zhàn)性的蝕刻過程, 具有關(guān)鍵的蝕刻角度, 統(tǒng)一的通道直徑和形狀要求, 盡管高蝕刻縱橫比通道 >100:1 是常見的. 對(duì)于 3D-NAND, 關(guān)鍵導(dǎo)體蝕刻過程包括階梯蝕刻(下圖)和用于垂直通道和狹縫的 HAR 掩模打開. 通過硝酸硅和氧化硅交替層蝕刻需要高速定量終點(diǎn)檢測(cè). 對(duì)于 DRAM, 蝕刻過程包括 HAR 門, HAR 溝槽和金屬隱窩. 對(duì)于階梯蝕刻, 關(guān)鍵是在整個(gè) 3D堆棧的每個(gè)介質(zhì)膜對(duì)的邊緣創(chuàng)建等寬的“步驟”, 以形成階梯形狀的結(jié)構(gòu). 在器件加工過程中, 這些步驟的大量重復(fù)要求蝕刻高吞吐量和嚴(yán)格的過程控制.


多功能現(xiàn)場(chǎng)氣體計(jì)量需要在一個(gè)工具中執(zhí)行多種監(jiān)測(cè)功能:
? 檢測(cè)和量化污染, 交叉污染, 氣體雜質(zhì)和工藝室內(nèi)的工藝化學(xué)
? 評(píng)估已開發(fā)的蝕刻過程在生產(chǎn)工具 / 運(yùn)行的復(fù)雜功能上的性能
? 測(cè)量刻蝕后的清潔 (包括先進(jìn)的無晶圓自動(dòng)清潔; WAC) 作為腔條件對(duì)于消除工藝漂移和確保可重復(fù)性性能是至關(guān)重要的
? 快速準(zhǔn)確的蝕刻端點(diǎn)檢測(cè) EPD, 通過等離子體或氣體監(jiān)測(cè), 因?yàn)檫@是一個(gè)關(guān)鍵的控制功能. 舉例包括一氧化碳 CO 副產(chǎn)物在介電蝕刻中下降或氯 Cl 反應(yīng)物在多晶硅和金屬蝕刻端點(diǎn)上升.
? 全面的實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù), 允許過程等離子體和反應(yīng)物的動(dòng)態(tài)腐蝕控制, 以管理要求的腐蝕剖面

Aston? 質(zhì)譜分析儀無等離子體終點(diǎn)檢測(cè)
雖然光學(xué)發(fā)射光譜 OES 已被廣泛用于蝕刻 EPD, 但低開放面積 OA 和 HAR 設(shè)計(jì)的趨勢(shì)使其在許多蝕刻任務(wù)中無效. OES 技術(shù)需要等離子體'開'和發(fā)光物種. 隨著昏暗和遠(yuǎn)程等離子體越來越多地用于 3D設(shè)備和原子水平蝕刻 ALE 工藝, 需要更多敏感的數(shù)據(jù)和分析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)迅速和確定的 EPD. 此外, 脈沖等離子體通常用于管理 HAR 和 低 OA% 工藝的蝕刻剖面, 這使得 OES 對(duì)于 EPD 來說是一個(gè)不切實(shí)際的解決方案. 在3D 結(jié)構(gòu)中, 多層薄膜和多個(gè)接觸深度阻礙了每一行觸點(diǎn)到達(dá)底部時(shí)端點(diǎn)的光學(xué)發(fā)射信號(hào)的急劇步進(jìn)變化

其他 OES 限制包括:
? 在電介質(zhì)蝕刻中, 在 OA <5% 的模式上進(jìn)行 EPD一直具有挑戰(zhàn)性, 因?yàn)?OES 在低濃度下具有低信噪比.在高壓Si深蝕刻(例如博世工藝)中, 要求 OA% 的 EPD低于 0.3%, OES 中較大的背景噪聲水平抑制了對(duì)發(fā)射種數(shù)量的任何變化的檢測(cè).
? 在金屬蝕刻中, OA% 可能低于10%, 這取決于所涉及的互連尺寸. 對(duì)于接觸和通過蝕刻, OA 可以在0.1-0.5%之間或更低, 這取決于所涉及的特征的大小. 在鎢 W 蝕刻的情況下, 隨著 OA的減小, 氯 Cl 反應(yīng)物的消耗減少, 由于材料運(yùn)輸?shù)?HAR 蝕刻特征, 蝕刻趨于放緩. 這兩個(gè)因素都降低了反應(yīng)氣的消耗率. 因此, 由于等離子體中反應(yīng)物的耗盡, 很難看到在終點(diǎn)處 OES信號(hào)的顯著變化.

Aston? 質(zhì)譜儀可以利用蝕刻反應(yīng)物和 EPD 的副產(chǎn)物. 此外, Aston 能夠在小的, 有限體積的傳感器上運(yùn)行周期性清洗, 以保持其性能(靈敏度), 在延長(zhǎng)晶圓運(yùn)行次數(shù)的情況下獲得更大的正常運(yùn)行時(shí)間. 然而, OES 要求在腔室上有一個(gè)需要保持清潔的訪問窗口，以獲得足夠強(qiáng)度的穩(wěn)定信號(hào)。通常，加熱石英窗用于減緩工藝產(chǎn)品的堆積. 使用 Aston?質(zhì)譜分析儀，在低濃度下的檢測(cè)不受等離子體發(fā)射的背景光譜的影響, 也不受射頻功率脈沖期間等離子體強(qiáng)度波動(dòng)的影響.
圖 3a/3b 顯示了 CO 和 SiF3 的副產(chǎn)物 OA%下降到0.25%的電介質(zhì)腐蝕EPD數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)清楚地顯示了線性行為和在低濃度下的檢測(cè)不受等離子體發(fā)射的背景光譜影響. Aston 質(zhì)譜的 ppb 靈敏度是針對(duì) 0.1%以下的 OA性能.

原子級(jí)蝕刻 ALE
在三維結(jié)構(gòu)中, ALE 過程中的逐層去除需要脈沖射頻電源來控制自由基密度和較低的離子能量, 以減少表面損傷和保持方向性. 在這樣的光源中, 等離子體的整體光強(qiáng)較低, 并表現(xiàn)出波動(dòng)幅度. 通常等離子體離晶圓區(qū)很遠(yuǎn)(>距晶圓區(qū)25厘米), 而且等離子體激發(fā)的副產(chǎn)物很少, 使得光學(xué)測(cè)量不切實(shí)際.

在 ALE中, 由于每個(gè)周期都是自我限制的, 端點(diǎn)檢測(cè)可能不那么重要. 然而, 在缺乏氣體分析的情況下, 工藝工程師對(duì)監(jiān)測(cè)腔室和工藝健康狀況“視而不見”, 因?yàn)闊o法看到化學(xué)狀態(tài), 特別是在工藝步驟 (吸附/凈化/反應(yīng)/凈化) 之間過渡時(shí)的動(dòng)態(tài)狀態(tài), ALE 的自限性并不能使它不受過程漂移的影響. 此外, 由于 ALE 不是基于等離子體的, 因此過程中的化學(xué)變化不一定可以通過等離子體監(jiān)測(cè)檢測(cè)到.

有一種誤解, 認(rèn)為 ALE 技術(shù)實(shí)際上是一次一個(gè)原子層; 相反, 它們每循環(huán)的去除/沉積量可能比單分子膜多一點(diǎn)(或少一點(diǎn)). 由于真空泵性能, 晶圓溫度或離子轟擊能量 (電壓) 的變化分別導(dǎo)致表面飽和度和表面反應(yīng)性的變化, 工藝移位(?/周期的變化)可能發(fā)生.

在 ALE (下圖)中,由于等離子體的使用不一致, 化學(xué)監(jiān)測(cè)方面的差距就不那么明顯了. 在這種情況下, Aston? 質(zhì)譜儀具有以下優(yōu)點(diǎn):
? 在每個(gè)工藝步驟中建立一個(gè)腔室化學(xué)狀態(tài)的指證. 這可以參照其自身的正常行為, 也可以參照標(biāo)準(zhǔn)腔
? 描述和監(jiān)控與化學(xué)變化相關(guān)的動(dòng)態(tài)過程中, 從一個(gè)步驟過渡到下一個(gè)步驟
? 監(jiān)測(cè)在 ALE 循環(huán)第一步之后從系統(tǒng)中清除吸附物質(zhì)的時(shí)間. 等離子體通常用于產(chǎn)生吸附物質(zhì)(自由基), 但它是在遠(yuǎn)離晶圓片的地方產(chǎn)生的
? 監(jiān)測(cè) ALE 循環(huán)第二步反應(yīng)產(chǎn)物的變化. 等離子體光強(qiáng)通常較低, 因?yàn)樗褂昧说驼伎毡鹊拿}沖射頻
? 監(jiān)測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)物在ALE循環(huán)第二步后被凈化的時(shí)間


結(jié)論
原子級(jí)蝕刻只能使用像上海伯東日本 Atonarp Aston? 質(zhì)譜儀這樣的分子傳感器進(jìn)行真正的測(cè)量和監(jiān)測(cè). 它的高靈敏度, 速度和對(duì)等離子體強(qiáng)度變化的低敏感性產(chǎn)生可靠的定量測(cè)量, 即使在低濃度的反應(yīng)物和副產(chǎn)物, 具有低于1% 水平的高精度, 可以監(jiān)測(cè)微妙的過程漂移和過程變化效應(yīng), 提供了可用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型的見解.

利用其高掃描速度, 通過監(jiān)測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物減少的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)時(shí)間優(yōu)化, 因?yàn)樗潜砻娣磻?yīng)活性變化的指示, 增加了總體吞吐量.

ALE 是先進(jìn)的蝕刻技術(shù), 上海伯東 Aston 質(zhì)譜儀為 ALE 提供了先進(jìn)的化學(xué)計(jì)量技術(shù), 可以測(cè)量和控制反應(yīng)及其持續(xù)時(shí)間, 為大批量生產(chǎn)提供了可靠的解決方案.

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