14 nm工艺光刻对准之异常问题与对策分析

Process and Fabrication 工艺与制造14 nm 工艺光刻对准之异常问题与对策分析郑华明，徐晓敏，黄俊（上海华力集成电路制造有限公司，上海 201317）摘要：探讨 14 nm 工艺生产过程中，在光刻晶圆对准时遇到的异常问题及其解决方案。通过预对准温控单元 TSU 与 14 nm 产品晶圆高度的有效控制，可有效改善对准异常问题且套刻精度 OVL 状况保持不变。关键词：集成电路制造；光刻；预对准；晶圆对准；套刻误差。中图分类号：TN405 文章编号：1674-2583(2019)10-0025-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.10.010中文引用格式：郑华明，徐晓敏，黄俊.14nm工艺光刻对准之异常问题与对策分析[J].集成电路应用, 2019, 36(10): 25-27.Analysis and Improvement for Lithography 14 nm Wafer Alignment Failure IssueZHENG Huaming, XU Xiaomin, HUANG Jun( Shanghai Huali Integrated Circuit Manufacturing Co.,Ltd, Shanghai 201317, China. ) Abstract — This paper mainly discusses the abnormal problems encountered in the alignment of lithographic wafers in the manufacturing of 14 nm process and their solutions. By effectively controlling the pre-alignment temperature control unit TSU and the wafer height of 14 nm product, the alignment abnormality problem can be effectively improved and the OVL condition of the alignment accuracy remains unchanged.Index Terms — IC manufacturing, lithography, pre-alignment, wafer alignment, overlay.1 引言从涂胶显影机（Track）传输到光刻机内；然后，光刻（lithography）为集成电路微细化的最关把晶圆放置在预对准系统（Pre-Alignment）键技术，它是利用光化学反应（photo-chemical-进行预对准找到 wafer 缺口（Notch）,且同reaction）原理，将事先制备在掩膜上的图形转印时在 PA 中的温控单元（Wafer Temperature 到一个存底（晶圆）上，使得选择性的刻蚀和离子注Stabilization Unit）进行精确控温；然后由机入成为可能。光刻是微纳米器件制备过程中的一个关械手臂（load robot）传至硅片工件台（Wafer 键环节；不管是半导体器件、光电器件，还是微米/Stage）,晶圆在量测端（Measurement side）工纳米机电系统（M/NEMS）的制备都离不开光刻工艺件台精确量测后，确认 wafer stage 相对于机台[1]。每种工艺都要用到不同的设备，光刻机是其中的位置以及 wafer 相对 wafer stage 的坐标系和必不可少的制造设备。位置，如图 3 所示。然后，硅片工件台转移至曝当前在 16/14 nm 光侧（Expose side）投影透镜（lens）下方进行节点，甚至在 10～7 nm 曝光；曝光结束后，由另一侧的（Unload Robot）节点，芯片制造商普遍机械手臂将硅片工件台上的晶圆先传至临时存放区使用 193 nm ArF 浸润（Discharge Unit）后，再传回 Track 去显影，式光刻机＋多重成像技完成如此循环就结束了一片晶圆的曝光工艺过程。术制作工艺（图 1）。图 1 ASML NXT 系列光刻机2 光刻技术14 nm 工艺虽然已在世界先进 Fab 投入量产，但是在实际工厂生产制造过程中，会遇到各种工程技术问题需要解决。本文主要探讨了 14 nm 晶圆在光刻曝光工艺时，晶圆对准之异常问题以及改善措施。 2.1 晶圆传输系统简介图 2 晶圆的传输 图 3 晶圆的量测 晶圆传输系统（Wafer Handler）主要负责晶 2.2 晶圆预对准技术圆的运输，如图 2 所示。首先，由机械手臂（Load 晶圆预对准系统（Pre-Alignment Unit）主要Robot）将涂胶（coating）完成后的晶圆（wafer）保证晶圆传输系统的精度，就是所谓的一级定位系基金项目：上海市经济和信息化委员会软件和集成电路产业发展专项基金（1500204）。作者简介：郑华明，上海华力集成电路制造有限公司，研究方向：集成电路制造。收稿日期：2019-08-05，修回日期：2019-09-03。 集成电路应用 第 36 卷 第 10 期（总第 313 期）2019 年 10 月 25工艺与制造Process and Fabrication统，晶圆传送到硅片工件台之前先完成微米级的定位，其重复性精度在 ±7μm 范围之内，这样当晶圆传输到硅片工件台上后二级定位系统能够成功对准晶圆标记（Wafer Mark）,为纳米级精对准能够顺图 7 wafer 在温控单元（TSU）中的侧视图3 异常问题及改善方案利进行做好必要的准备。晶圆对准技术包括晶圆形 3.1 问题描述心和缺口（Notch）两个对准要求，即通过一定的方14 nm 产品晶圆光刻对准偏差大：14 nm 工艺法，使得晶圆的形心定位在一定范围内，同时晶圆 产品在生产过程前端制造工艺中就遇到晶圆光刻对Notch 定位在一定的角度范围之内，图 4 所示为预准困难，晶圆拒绝率（reject ratio）非常高,高达 对准系统的示意图。90% 多，严重影响研发进度和产品开发。 3.2 问题剖析14 nm 晶圆在光刻机台 ASML NXT1980 对准偏差大导致 reject ratio 高的具体问题剖图 4 预对准系统析（Breakdown）：（1）晶圆（wafer）在硅片当晶圆放置在 Pre-alignment 系统 P-chuck 工件台（wafer stage）就遭遇粗对准（Coarse 放置台时，LED 光源将入射光照射在 wafer 的Alignment）和精对准（Fine Alignment）的偏差过边缘，同时 wafer 通过 P-chuck 的旋转装置大，导致晶圆被光刻机拒绝曝光，以致晶圆曝光失（Rotation Unit）旋转 wafer。然后，由 wafer 败需要重新返工（rework）剥离光刻胶。（2）晶圆下方的 Edge senor 感应器收集光信号。通过 Edge 在粗对准之前，在做预对准（Pre-alignment）时机sensor 信号分析找到 Wafer Notch位置，最后通过台就有关于晶圆对准的预警信息（PG-6206）,即晶归心移动装置（Center Unit）把偏转的wafer推到圆在旋转时遭遇某种阻力，以致晶圆在 P-chuck 旋中心位置。如此循环，wafer 通过 Pre-alignment 转后比预定精确位置稍有偏差。系统就找到了 notch 位置以及计算出了偏心率，为 3.3 改善方案后续 wafer 传送至硅片工件台提前做好了预对准的针对问题 1/2 的具体现象描述，设计验证方准备。传感器与 wafer rotation 关系见图 5。案，查找相关原因。 3.3.1 失效模型搭建根据上述现象，搭建失效模型，用于分析及制定改善方案。针对晶圆在预对准时，怀疑晶圆与 PA 图 5 Edge sensor 与 wafer rotation 关系曲线TSU 温控单元存在某种摩擦或者接触，导致 wafer 2.3 预对准温控单元（TSU） 在 P-chuck 旋转时产生阻力，产生预警信息（PG-Pre-alignment 系统中的温控单元（TSU）主要6206），没有将晶圆完全旋转至预定精确位置，如功能是为了保证 wafer 在进入曝光前提前进入更图 8 所示。高精度的温度控制，减少晶圆产品由于温度影响产生的热效应，从而减少对晶圆套刻精度（OVL）的影响。其主要控温过程主要靠 TSU 盘面里面的水冷装置，控温后其精度可控制在 0.05º 之内。TSU 如图 6 所示。图 8 晶圆在预对准时失效模型图 3.3.2 鱼骨分析图从以下几个方面分析晶圆在光刻机的对准异常情况，如图 9 所示。图 6 预对准系统中的温控单元（TSU）然后，实际上 wafer 与 Pre-alignment 系统中的温控单元（TSU）并不是完全接触的，wafer 和 图 9 晶圆对准偏差问题鱼骨分析图 3.3.3 验证分析TSU 之间存在一定的间距（20～30 μm）。同时，光刻机只是针对 14 nm 工艺产品会产生对准误当 wafer 放置在 TSU P-chuck 放置台时，TSU 盘差过大的问题，其余正常工艺产品都未见异常，所面很多圈状的小孔内是在同时进行真空（Vacuum）以先从 14 nm 晶圆本身入手查找原因。和纯净空气（CDA）作业控制，都是为了保证都到最（1）晶圆晶背沾污状况。通过正常产品和 14 佳的温度控制效果。图 7 所示为 wafer 在 TSU 时nm 产品的晶圆背部扫描图片分析，未见 14 nm 工的状态情况。艺晶圆有任何异常和沾污情况，说明 14 nm 产品晶26 集成电路应用 第 36 卷 第 10 期（总第 313 期）2019 年 10 月Process and Fabrication 工艺与制造圆背部清洁度状况良好，如图 10 所示。Recipe_Threshold_MCC_WQ，以及 MC_COWA_FIWA 检（2）晶圆翘曲度（Bow）测试。晶圆翘曲度是查，未见异常。反应晶圆最边缘晶圆中心点的翘曲变形情况，图 11 （3）检查预对准系统及验证分析。由于晶圆在所示为晶圆翘曲度 Bow 的计算模型示意图。硅片工件台存在 rotation 效应，且晶圆在预对准时有 PG-6206 预警，失效模型显示晶圆晶背可能与温控单元（TSU）存在摩擦，如图 15 晶圆预对准失效模型图所示。故设计实验验证其状况。通过将温控单元（TSU）与晶圆晶背之间距降至图 10 晶圆晶背扫描对比图 11 晶圆翘曲度模型最低处时（即采样 Alternative mode），通过机台通过测试 14 nm 工艺晶圆的翘曲度数据和正常内循环测试（HWGA）曾有问题的 14 nm 晶圆以及正产品比对，也未见明显异常，说明 14 nm 产品晶圆常 14 nm 产品验证，都成功将 14 nm 产品晶圆通过翘曲度状况良好。如图 12 所示。预对准，且没有发生预对准后的对准偏差，晶圆顺利曝光，如图 16 所示。图 12 晶圆翘曲度曲线对比（3）14 nm 工艺晶圆 Alignment Mark 分析。通过分析 14 nm 工艺晶圆所用的对准标记信号 图 15 14 nm 工艺图 16 光刻机 PA 晶圆与 TSU AA15x（Alignment Mark）强度来看，强度正常，晶圆预对准失效模型最低模式（Alternative）测试Mark 清晰可见，如图 13（a）、图 13（b）所示。由此实验证明，晶圆背部与 TSU 温控单元存在采样同样手段分析 14 nm 工艺晶圆所用的对准标摩擦，造成晶圆在预对准时阻力过大，没有将晶圆完记信号 AA5x（Alignment Mark）强度正常，Mark 全旋转至预定精确位置，从而导致晶圆在硅片工件台也清晰可见，如图 13（c）、图 13（d）、图 13对准异常，造成晶圆 reject。（e） 所示。以上说明 14 nm 工艺产品晶圆所选的但是，采用预对准时的晶圆与 TSU 最低模式对准 Mark 都正常。（Alternative）曝光产品时，由于 TSU 与晶圆之间的间距过大，造成温控不稳定，对后续晶圆的套刻精度（overlay）造成较大影响。 3.3.4 有效改善措施预对准时晶圆与 TSU 之间的高度问题，设计实验选取最佳距离和套刻精度的关系。如图 17 所示，图 13 14 nm 工艺 Alignment Mark AA15x 信号分析光刻机套刻精度 OVL 与 14 nm 产品晶圆 TSU 高（4）14 nm 产品光刻对准工艺菜单（recipe）度的关系曲线。当 Pre-分析。通过分析 14 nm 产品光刻 Alignment alignment 预对准温控单recipe strategy（color order/color dynamics/元 TSU 与 14 nm 产品晶圆Mark distance）未发现异常。间距为 25～27 μm 时，对 其次，从光刻机的机台硬件本身状况检查，是14 nm 产品的套刻精度 OVL 否对 14 nm 对准造成偏差造成 reject。影响最小，且此范围影响保图 17 光刻机套刻精度 OVL与 （1）检查 wafer 在硅片工件台状况。通过分持正常产品 OVL 状况。14 nm 产品 TSU 高度的关系析 14 nm 工艺 reject，wafer 在硅片工件台时的 4 结语alignment 分析来看，只有晶圆中心的标记 Mark （1）14 nm 产品晶圆在光刻机对准误差过大造显示绿色是通过对准的，其余所有标记 Mark 都成 reject,是由于晶圆在预对准时对准偏差造成的。显示红色为未通过对（2）14 nm 产品晶圆在预对准造成少量偏差是由于准。同时，晶圆从中心其晶背与温控单元（TSU）存在摩擦，导致晶圆在预至边缘存在一个旋转对准时阻力过大，没有将晶圆完全旋转至预定精确位（Rotation）现象，置。（3）将 TSU 与 14 nm 晶圆高度控制 25～27 且 rotation 现象随半μm 时，可有效改善对准异常问题且套刻精度 OVL 径增大逐渐变差，如图 图 14 14 nm 工艺 Alignment 状况保持不变。14 所示。Mark 在 wafer stage 的对准参考文献（2）检查光刻机对准参数和阈值。通过对比[1] 韦亚一．超大规模集成电路先进光刻理论与应机台各种对准参数和阈值（Threshold），例如 用[M].北京:科学出版社,2016. 集成电路应用 第 36 卷 第 10 期（总第 313 期）2019 年 10 月 27