摘 要： 当器件制造商和OEM面对不断严格的工艺控制要求时，整合测量正逐渐成为先进工艺控制（Advanced process control, APC）的关键技术。整合测量技术已经在CMP、CVD、光刻和蚀刻等工艺中逐步推广和应用，它可以为工艺设备及时提供正向控制和反馈控制所需各项信息，使工艺设备能够实现不断微缩的工艺窗口，满足90nm以下工艺的要求。------------------------------------------------------------------------------------
随着半导体技术的快速发展，人们对工艺误差的控制要求越来越严格，许多设备已经不能满足最新的工艺控制要求。为了使这些设备能够达到更加严格的工艺控制要求，唯一的办法是在这些设备中引入实时测量系统。而采用传统的独立测量系统是很难实现这一要求的，因为独立测量设备要求中断工艺过程，将晶片传送到测量设备中进行测量后再传送到下一工艺步骤，无法对工艺过程进行及时的调整和控制。
工艺控制面临的挑战
半导体制造新技术的出现要求工艺过程能够达到更加严格的工艺控制水平。这些新技术需要解决的问题包括：
● 薄膜和多层薄膜堆叠结构变得越来越薄
● 薄膜材料的毒性变得越来越大
● 许多新薄膜材料需要采用深紫外（DUV）测量设备进行测量
● 要求进行CD和剖面结构的测量
● 传统影像法套刻精度测量技术面临新的挑战
● 晶片边缘和背面检查开始变得非常关键
● 工艺设备的进步不能跟上工艺窗口不断微缩的速度和要求
● 反应器内部薄膜沉积均匀性要求变得更加严格
● 如何保证不同反应器之间的一致性开始成为问题
● 不同设备之间的一致性成为基本要求
● 对于APC来说，独立测量设备的反馈周期太长
因此，我们一直在关注整合测量技术的出现和发展状况，包括工艺设备的实时正向控制和反馈控制。整合测量技术已经在制造工艺过程中显现出其精确控制关键工艺参数的能力。此外，它还能延长设备的可利用时间，提高使用率，以及实现更加严格的工艺控制，降低材料和工艺成本。整合测量技术还能提供快速检测错误的功能，控制和减少异常情况的出现，防止造成损失。而采用独立测量方法却很难达到同样的效果。
整合测量方法
蚀刻工艺对光刻胶的性质特别敏感。通常，蚀刻前光刻胶CD的变化会直接导致蚀刻后CD发生变化。对于栅极蚀刻来说，蚀刻后的CD特别重要，因为其大小决定了器件的运行速度。
为了控制栅极大小，其中一个办法是在蚀刻过程中先对光刻胶CD进行测量，然后通过等离子体蚀刻对光刻胶进行修整（trimming），将其大小调整到可以满足蚀刻后CD要求的范围内。利用等离子体蚀刻对光刻胶进行修整的办法可以有效地拓宽光刻工艺的使用范围，使每片晶片都能在一定的偏差范围内达到光刻胶CD大小的要求。根据蚀刻前光刻胶CD的测量结果，实时测量系统可以对蚀刻时间进行及时的调整，从而对光刻工艺产生的偏差进行补偿。通过上述整合测量、实时快速调整工艺的方法，蚀刻工艺完全可以达到对蚀刻后栅极大小进行精确控制的要求。图1所示为典型的光刻/蚀刻整合测量和控制系统。该系统在扫描曝光/显影之后引入整合测量技术对光刻胶CD进行测量和实时调整，并在蚀刻/光刻胶去除之后对CD进行精确的测量。
光学CD测量（Optical CD，OCD）是一种相对较新的整合测量形式，目前已经应用于生产过程中的先进工艺控制（APC）。该技术利用CD栅格结构形成的衍射光对膜厚、CD大小以及剖面结构进行测量，然后将测量结果和信息传递给蚀刻设备，通过其中的工艺控制算法进行计算后，对光刻胶修整时间进行自动调整，结果大大缩小了蚀刻后CD的分布范围。除了可以将光刻胶CD分布的3σ减小30%以外，光刻胶修整还能使CD分布更加接近目标值。
OCD整合测量技术还可用于晶片范围内CD分布均匀性误差来源的分析。尽管在此之前要建立大量的数据库（>1000点），进行工艺监测时可以采用芯片间和芯片内统计取样的办法进行简化。很久以前人们就认识到CD分布均匀性与掩膜版相关，然而只有采用了光学整合测量技术才能轻易地得到有关CD空间分布的详细信息。图2为一系列OCD测量结果之间互相删减，扣除掩膜版影响的示意图。掩膜版是CD变化的主要原因之一，因此必须将这一变化从CD测量结果中扣除掉才能分辨出工艺变动所产生的影响。扣除了曝光区域内光罩造成的影响之后，不同曝光区域之间的CD变化才能通过模型进行深入分析。
扣除了掩膜版引起的CD非均匀性变动外，我们就可以利用扣除后的测量结果对工艺参数变动进行相关性分析了，例如烘烤热垫板温度不均匀性与CD分布不均匀性之间的关系。首先，将烘烤热垫板温度不均匀性按照温度作图，然后将温度分布图和晶片CD变化图进行比较。我们曾经发现烘烤热垫板