利用多晶X射線衍射實現(xiàn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在線測量

利用成熟的分析探測儀器作為日常的線上監(jiān)測工具已經(jīng)成為半導(dǎo)體量測方法一個重大的發(fā)展趨勢。掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線熒光譜線（XRF）是兩個最好的例子，如電子微探針等技術(shù)還在研究之中。這種趨勢的主要推動力是實時監(jiān)測材料特性的需要，以便盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)的問題。X射線衍射（XRD）因為其對多晶材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)大的探測能力而成為量測設(shè)備中的未來之星。針對諸如硅片內(nèi)部張力測量等單一應(yīng)用的硬件和算法已經(jīng)研發(fā)成功并商業(yè)化。但半導(dǎo)體制造中的大部分材料是多晶材料，比如互連線和接觸孔。XRD能夠?qū)⒍嗑Р牧系囊幌盗刑匦粤炕?。這其中最重要的特性包括多晶相（鎳單硅化物，鎳二硅化物），平均晶粒大小，晶體織構(gòu)，殘余應(yīng)力。直到現(xiàn)在，多晶XRD并沒有應(yīng)用于量測技術(shù)，因為獲得衍射圖形需要很長的時間，得到數(shù)據(jù)的物理意義也比較復(fù)雜。然而，隨著二維場探測儀和先進(jìn)數(shù)據(jù)冗余處理算法的發(fā)展，XRD量測設(shè)備已經(jīng)成為可能。

設(shè)備

第一代應(yīng)用于多晶材料的XRD量測設(shè)備由HyperNex Inc和IBM共同研發(fā)，并安裝在IBM位于紐約East Fishkill的半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)工廠。該設(shè)備的硬件設(shè)計極具針對性，它包括固定的放射源和探測器，可以在xy水平方向移動，在方位角方向旋轉(zhuǎn)的水平采樣載物臺。水平載物臺需要與硅片的傳送機(jī)械臂兼容，而xy傳送載物臺允許全硅片映射，它的重要性在隨后的章節(jié)中會變得顯而易見。X射線束使用可變的縫狀源，從而使得光束采樣可以覆蓋從50um到1mm的范圍。寬光束用來掃描無圖形的硅片，窄光束用來獲得有圖形硅片上獨立結(jié)構(gòu)的衍射譜線。描述獨立結(jié)構(gòu)特性的需求決定了系統(tǒng)必須具備視頻顯微鏡和圖形識別軟件。為了滿足高速產(chǎn)出的需要，二維場探測儀被用來收集衍射譜線。圖1說明了一幅探測儀收集到的衍射譜線。將場探測儀收集的圖形組合起來便是傳統(tǒng)的衍射圖形（圖2），它可以用作相鑒定和多相薄膜中相數(shù)的量化，圖形中根據(jù)環(huán)強(qiáng)度的變化可以獲得該材料晶體織構(gòu)的信息，環(huán)的寬度決定了相關(guān)晶粒的大小。

因為受硅片產(chǎn)出量的限制，在這些設(shè)備上進(jìn)行殘留應(yīng)力的測量并不現(xiàn)實。剩下的相位，晶粒大小和織構(gòu)都是可測量的參數(shù)。我們所面臨的挑戰(zhàn)是如何將圖1和圖2所示的龐大圖形數(shù)據(jù)量精簡為幾個相關(guān)參數(shù)，而這些參數(shù)可以加入統(tǒng)計過程控制（SPC）圖表。在這些參數(shù)當(dāng)中，晶粒尺寸是最容易獲得的，對于給定的相而言，衍射峰之間的寬度與材料晶粒的平均尺寸成反比。另外兩個參數(shù)的測量則面臨著較大的挑戰(zhàn)，因為一般而言，它們依賴于精通X射線衍射理論和應(yīng)用的個人對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行個別的詮釋。

相分析要求事先了解感興趣的相。一種自動化的峰擬合算法用來獲得曲線中每一個峰的位置和強(qiáng)度值。將實驗峰值的位置與感興趣相的譜線作對比，來確定該相是否存在。另外，曲線中不能被匹配的峰意味著更多的相存在。例如在圖2中，如果取樣程式認(rèn)為在測量的硅片上只存在鎳單硅化物，盡管事實上相的鑒定需要手工完成，但多余的峰（來自于NiSi2）仍然會被軟件標(biāo)記。為了測量不同相的比例，一種針對多相系統(tǒng)的應(yīng)用遵循了這樣的原理，即一個獨立相衍射峰的強(qiáng)度（一級近似）與薄膜中對應(yīng)相的數(shù)量成比例。

晶體織構(gòu)的計算可以自動完成，使用者并不需要輸入任何信息，計算結(jié)果會發(fā)送到主機(jī)軟件，這一點和標(biāo)準(zhǔn)的量測設(shè)備很相像。通過將X射線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為極圖空間里的極密度，給定相原始的二維X射線圖形可以精簡為晶體織構(gòu)強(qiáng)度的量化值。探測儀由于可以覆蓋較大的范圍，使得我們可以為每一個相收集等同于幾個局部極圖的數(shù)據(jù)。從這些極圖可以計算出方向分布函數(shù)并作為工具量化織構(gòu)。讀者可以從參考文獻(xiàn)[4]中得到更多詳細(xì)信息。

應(yīng)用

根據(jù)配置的不同，一臺線上XRD設(shè)備可以作為完全的量測設(shè)備，或者作為日常監(jiān)測、問題診斷、工藝研發(fā)的多功能設(shè)備。因為IBM工廠身兼生產(chǎn)與研發(fā)兩種角色，XRD設(shè)備在設(shè)計時就已經(jīng)考慮到其在兩種角色之間如何切換的問題。日常監(jiān)測功能提出了與問題診斷和工藝開發(fā)不同的要求。在線上的日常監(jiān)測中，只需要建立一個單一程式。設(shè)備載入硅片并將數(shù)據(jù)自動加入一系列控制圖表之中，這一過程不需要操作者介入。薄膜堆棧中的任一種材料只有1-2個不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)被監(jiān)測。相反，對于問題診斷和工藝研發(fā)，雖然只有一至兩盒硅片參與量測，但需要精通X射線衍射的專家查看得到的所有數(shù)據(jù)。

表1總結(jié)出半導(dǎo)體生產(chǎn)中可以通過X射線衍射量測的多晶材料。幾種有代表性的應(yīng)用技術(shù)在下面詳細(xì)列出。

日常的線上監(jiān)測

這種設(shè)備最初的一種應(yīng)用是監(jiān)測一系列物理氣相淀積（PVD）的反應(yīng)腔，這些反應(yīng)腔在銅互連金屬化制程中被用來淀積TaN/Ta/Cu襯墊層和籽晶層。這種監(jiān)測作為標(biāo)準(zhǔn)的平面電阻，膜厚量測的補(bǔ)充而存在。薄膜堆棧中Ta和Cu成分的織構(gòu)強(qiáng)度和譜線展寬數(shù)據(jù)都需要收集。TaN層具有無定形結(jié)構(gòu)，因此無法監(jiān)測。圖3說明了一個從銅元素峰寬控制圖表中輸出的例子。數(shù)據(jù)的趨勢穩(wěn)步向上，表明PVD銅籽晶的平均晶粒大小隨著時間在減小。圖4說明了在相應(yīng)的Rs圖表中類似但并不十分顯著的增加。隨后的設(shè)備診斷發(fā)現(xiàn)受影響的反應(yīng)腔一個閥門有空氣泄漏的現(xiàn)象。泄漏影響到濺射工藝，進(jìn)而影響銅籽晶層的淀積，這一過程極有可能是在淀積和淀積之后的自退火過程中，由于銅在Ta表面的遷移率下降造成。更換了閥門之后,Rs和銅元素峰寬的值都變小，我們從圖3和圖4控制圖表中的最后三個數(shù)據(jù)點可以看出。

問題診斷

這里舉一個問題診斷的例子，它是因為不良的溫度控制導(dǎo)致某銅籽晶模塊生長的材料晶粒尺寸產(chǎn)生偏移。通過對該模塊生長的銅作日常的平板電阻和膜厚監(jiān)測，并沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，但線上的XRD系統(tǒng)顯示相關(guān)的晶粒尺寸有偏移（反向半高寬FWHM）。圖5說明了某個銅籽晶模塊生長材料的相關(guān)晶粒大小的輪廓圖，右圖的溫度控制不是很理想，左圖有比較好的溫度控制。較大的反向半高寬意味著較大的晶粒尺寸。

工藝研發(fā)

利用線上XRD設(shè)備進(jìn)行工藝研發(fā)復(fù)雜程度各不相同。一方面，工藝改變造成的無圖形薄膜微結(jié)構(gòu)的變化可以較快的被發(fā)現(xiàn)。這既包括一盒硅片內(nèi)片與片的差異，也包括某片上邊緣和中心的差異。然而，更多的研究集中在有圖形的硅片上。這里舉一個最近研究中遇到的例子，它是有關(guān)于化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）之前對電鍍淀積（ECD）銅進(jìn)行不同熱退火工藝引起的效應(yīng)。工業(yè)界通常使用低溫?zé)嵬嘶鸸に嚪€(wěn)定銅微結(jié)構(gòu)。在這個問題中，我們研究了不同的退火溫度對不同線寬銅晶體織構(gòu)的影響。我們使用了IBM測試芯片上一個有200um×200um大小的宏單元，對其做衍射掃描，并做數(shù)據(jù)精簡處理，最終提供有關(guān)譜線展寬和銅的織構(gòu)強(qiáng)度等量化的數(shù)據(jù)。一盒硅片中的每片都會測量其中五個單元的宏，既有硅片中央的單元，也有邊緣的單元。

硅片在制程中的三個不同步驟進(jìn)行測量：電鍍之后，前CMP退火之后，金屬化之后。圖6說明了在M1測得的銅織構(gòu)強(qiáng)度的結(jié)果。我們將最終結(jié)果作了平均，因為沒有觀察到銅微結(jié)構(gòu)在硅片中央和邊緣有任何不同。從數(shù)據(jù)中可以看出很多趨勢，但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，微結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可以與其他線上量測的結(jié)果直接聯(lián)系起來，特別是硅片的良率。所有的結(jié)果綜合起來，可以選擇出該技術(shù)節(jié)點比較優(yōu)化的前CMP退火條件。

討論

隨著大部分實驗室分析設(shè)備已經(jīng)在晶圓工廠使用，將XRD量測設(shè)備整合進(jìn)其中需要設(shè)備供應(yīng)商、衍射方面的專家、設(shè)備工程師通力合作。

對于工藝研發(fā)，設(shè)備匹配或者問題診斷，我們的經(jīng)驗一直在增長。針對手邊的每一個問題，都需要建立特定的流程。數(shù)據(jù)的收集只需要一盒硅片，在以往通常需要幾盒。實驗的設(shè)計與傳統(tǒng)的情形很像，在這種情形之下，F(xiàn)AB沒有能力作X射線分析。但有一點是不同的，即設(shè)備的高產(chǎn)出值為我們提供了更多的采樣點。在實驗室，整片晶圓的采樣是一項既艱苦又耗時的任務(wù)，而如今已經(jīng)可以作為一項日常的工作。數(shù)據(jù)可以用同一片硅片在不同的工藝站點收集。這既提供了機(jī)遇同時也提出了挑戰(zhàn)。機(jī)遇在于我們可以日常的監(jiān)測到薄膜結(jié)構(gòu)中的異常，比如硅片中央和邊緣的差異，這意味著工藝設(shè)備異常的微結(jié)構(gòu)變化，我們同時還可以對制程窗口較小的工藝加強(qiáng)控制。挑戰(zhàn)在于如何應(yīng)用這樣龐大的數(shù)據(jù)庫。在傳統(tǒng)情況下，分析者直接面對單個采樣點，試圖從每一個衍射譜線中盡可能多的獲得信息。在使用了這樣的線上設(shè)備之后，焦點便轉(zhuǎn)移到如何對數(shù)據(jù)精簡算法自動得到的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。只有在發(fā)現(xiàn)一種或者多種異常的時候才需要對衍射譜線作詳細(xì)的研究。

將XRD設(shè)備用作線上檢測的工具面臨著各種各樣的挑戰(zhàn)。其中主要的問題是如何選擇合適的參數(shù)作追蹤。在很多情況之下，這種選擇具有針對性。例如，檢測鋁淀積的設(shè)備主要關(guān)注其織構(gòu)，因為它是鋁互連線電致遷移表現(xiàn)的一個主要參數(shù)。但是，對于銅互連，問題變得更加復(fù)雜，織構(gòu)和晶粒尺寸都需要進(jìn)行檢測。為了正確的選擇參數(shù)，我們需要事先了解材料的特性，或者對幾個參數(shù)進(jìn)行若干個月的檢測，并將它們的變化與其他量測設(shè)備、良率、可靠性的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最終做出結(jié)論。

結(jié)論

第一代線上X射線衍射計已經(jīng)被成功的整合進(jìn)入300mm半導(dǎo)體研發(fā)制造工廠。該設(shè)備作為多面手，不僅可以應(yīng)用于線上監(jiān)測，而且可以進(jìn)行問題診斷，工藝研發(fā)。它更是將復(fù)雜的分析技術(shù)應(yīng)用于量測一個很好的例子。

致謝

作者在這里需要感謝IBM研發(fā)中心的Ken Rodbell和Sandra Malhotra（現(xiàn)在供職于Intermolecular），他們在第一代設(shè)備研發(fā)過程中扮演了重要的角色。同樣需要感謝的是IBM的Naftali Lusting和Christian Lavoie，本文中使用了很多他們的實驗數(shù)據(jù)，還要感謝Nova Microstructure的Marjorie Cheng，文中很多數(shù)據(jù)都是我們和他通力合作的結(jié)果。