摘要
半導體產業大廠持續精進新世代製程(3奈米製程以下)，電晶體將從3奈米製程鰭式場效電晶體(FinFET)，轉變至下世代2奈米製程更複雜之環繞式閘極(Gate All Around, GAA)結構，並於2025年量產。GAA製程前段品質面臨挑戰，除線寬持續微縮外，其元件三維結構、材料組成將更加複雜，導致所需量測關鍵尺寸參數數量大幅增加，且需原子級解析度監控，以避免短路，導致元件失效，降低良率。
針對2奈米GAA製程前段品質，目前國際無可用之商業量測設備進行製程監控、提升良率。傳統量測技術均已面臨瓶頸，如掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)電子易被深層結構吸收，無法獲得深層CD結構的尺寸;光學關鍵尺寸量測技術 (Optical Critical Dimension, OCD) 則面臨解析度極限與靈敏度不足的挑戰; GAA的CD結構，僅能使用費時(一點需兩小時)且破壞式的量測工具“穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope, TEM)”進行分析。
因應先進半導體先進2奈米製程之膜厚、疊對(Overlay)、關鍵尺寸如線距及線寬量測需求，目前已發展一實驗室原型機如圖1，可提供量測約兩公分乘以兩公分的試片，量測薄膜厚度以及關鍵尺寸參數。此原型機能量可量測0.9 nm薄膜厚度，與TEM誤差2％；關鍵尺寸可量測2維光柵結構，與TEM誤差 1％。本公司以此實驗室原型機為基礎，發展關鍵尺寸X光反射式(XRCD)量測技術，開發能夠實際使用於量測12吋晶圓的商業化機台，滿足產業2 奈米製程(GAA)前段量測參數 (線寬、線距、側壁傾斜角、Etch back、Inner spacer)，並具備高量測重現性(Coefficient of variation) ≤ 0.045 需求。
為滿足線上量測所需速度和靈敏度，設計提高光源強度，且選用之波長則落於為0.8 nm至5 nm間，同時縮小量測面積，從現有可量測50 x 100 µm2範圍，縮小至可以量測≤ 50 x 50 µm2面積範圍，以滿足製程光刻圖案持續縮小的需求。此外，設計自動化樣品定位、更換以及關鍵尺寸分析。
XRCD之量測原理建構在X光反射光譜技術(X－ray Reflectivity, XRR)。XRR反射光譜技術已廣泛使用於單層及多層薄膜樣品之量測上，藉由改變X光入射樣品之角度，可得到不同樣品深度之訊息。當X光入射角小於臨界角時，偵測器收到樣品全反射之訊號，入射角大於臨界角後，X光將進入下一層的材料之中，同時X光反射光強度也會大幅下降，當有三層以上的不同材料之結構時，則不同層之反射訊號會互相干涉產生週期波，其週期厚度成正比，而不同材料層有不同之臨界角其與密度之關係如式(1)，θc代表臨界角、ρ為材料密度，Na為亞佛加厥數、re為電子半徑、λ為入射光波長、Ma為莫耳質量，故可藉由擬合光譜曲線得到薄膜樣品之厚度以及密度隨深度之變化。
θc=√(2 (ρ Na re λ^2)/(2πMa) ) －－－－－－ (1)
藉由XRR技術可對不同深度材料進行分析之特性，將此原理延伸應用在2奈米製程之複雜3D結構GAA。GAA之簡化結構如2，不同層則有不同的厚度以及等效密度。當使用XRR量測製程站點樣品時，可得到反射光譜，經由擬合可得到密度對深度圖。XRCD技術即使用層狀結構之等效密度概念，當已知製程站點所設計之結構材料以及結構線距時，可經由平均密度近似法計算廠商未知的材料線寬。即使樣品使用不同材料，依廠商所提供之密度資訊，也可求得未知材料線寬。藉由平均密度近似法之計算原理，欲量測之站點可事先藉由設計建置好的GAA模型參數，與實驗數據進行擬合比對，計算得到欲量測之材料線寬與厚度值。
XRCD量測架構如圖 3，採用鋁(Al)靶軟X光管為激發光源(1.487 keV，波長0.8338 nm)。軟X光XRR的光譜量測相較於傳統的XRR設備使用Cu靶作為光源，可根據繞射原理使得入射角提高，可有效減小X光量測投影面積從平方公分至平方微米等級，符合Die微區量測面積約50 x 50 µm2。
設備使用2D偵測器收集三維結構樣品之鏡面反射、非鏡面反射如散射訊號，非鏡面散射來自於有限的相干長度 (Coherence Length) 和複雜之3D奈米結構造成的有限橫向散射向量x及y方向，將散射方向積分去除則可獲得鏡面反射強度，用於奈米結構表面分析，且訊息皆沿著厚度方向。專利藉由四組光學狹縫使得入射X光聚焦成扇形，如此可同時收到不同方位角 (Azimuthal Angle) 之訊號，可有效提升光強度、縮小量測面積，再藉由積分法減去因三維結構之非鏡面散射及使用有平均密度近似法可得到三維奈米結構樣品之厚度以及密度資訊。配合密度對深度圖進行分析，可用於高精度量測元件製程圖案(Pattern)厚度，以及線寬變化，皆具有高量測重現性(0.1 nm)。