利用多晶X射線(xiàn)衍射實(shí)現半導體結構在線(xiàn)測量

利用成熟的分析探測儀器作為日常的線(xiàn)上監測工具已經(jīng)成為半導體量測方法一個(gè)重大的發(fā)展趨勢。掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線(xiàn)熒光譜線(xiàn)（XRF）是兩個(gè)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(dòng)力是實(shí)時(shí)監測材料特性的需要，以便盡早發(fā)現設備出現的問(wèn)題。X射線(xiàn)衍射（XRD）因為其對多晶材料結構強大的探測能力而成為量測設備中的未來(lái)之星。針對諸如硅片內部張力測量等單一應用的硬件和算法已經(jīng)研發(fā)成功并商業(yè)化。但半導體制造中的大部分材料是多晶材料，比如互連線(xiàn)和接觸孔。XRD能夠將多晶材料的一系列特性量化。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，殘余應力。直到現在，多晶XRD并沒(méi)有應用于量測技術(shù)，因為獲得衍射圖形需要很長(cháng)的時(shí)間，得到數據的物理意義也比較復雜。然而，隨著(zhù)二維場(chǎng)探測儀和先進(jìn)數據冗余處理算法的發(fā)展，XRD量測設備已經(jīng)成為可能。

設備

第一代應用于多晶材料的XRD量測設備由HyperNex Inc和IBM共同研發(fā)，并安裝在IBM位于紐約East Fishkill的半導體研發(fā)生產(chǎn)工廠(chǎng)。該設備的硬件設計極具針對性，它包括固定的放射源和探測器，可以在xy水平方向移動(dòng)，在方位角方向旋轉的水平采樣載物臺。水平載物臺需要與硅片的傳送機械臂兼容，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中會(huì )變得顯而易見(jiàn)。X射線(xiàn)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(lái)掃描無(wú)圖形的硅片，窄光束用來(lái)獲得有圖形硅片上獨立結構的衍射譜線(xiàn)。描述獨立結構特性的需求決定了系統必須具備視頻顯微鏡和圖形識別軟件。為了滿(mǎn)足高速產(chǎn)出的需要，二維場(chǎng)探測儀被用來(lái)收集衍射譜線(xiàn)。圖1說(shuō)明了一幅探測儀收集到的衍射譜線(xiàn)。將場(chǎng)探測儀收集的圖形組合起來(lái)便是傳統的衍射圖形（圖2），它可以用作相鑒定和多相薄膜中相數的量化，圖形中根據環(huán)強度的變化可以獲得該材料晶體織構的信息，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，在這些設備上進(jìn)行殘留應力的測量并不現實(shí)。剩下的相位，晶粒大小和織構都是可測量的參數。我們所面臨的挑戰是如何將圖1和圖2所示的龐大圖形數據量精簡(jiǎn)為幾個(gè)相關(guān)參數，而這些參數可以加入統計過(guò)程控制（SPC）圖表。在這些參數當中，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(gè)參數的測量則面臨著(zhù)較大的挑戰，因為一般而言，它們依賴(lài)于精通X射線(xiàn)衍射理論和應用的個(gè)人對圖形數據進(jìn)行個(gè)別的詮釋。

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

晶體織構的計算可以自動(dòng)完成，使用者并不需要輸入任何信息，計算結果會(huì )發(fā)送到主機軟件，這一點(diǎn)和標準的量測設備很相像。通過(guò)將X射線(xiàn)的強度轉換為極圖空間里的極密度，給定相原始的二維X射線(xiàn)圖形可以精簡(jiǎn)為晶體織構強度的量化值。探測儀由于可以覆蓋較大的范圍，使得我們可以為每一個(gè)相收集等同于幾個(gè)局部極圖的數據。從這些極圖可以計算出方向分布函數并作為工具量化織構。讀者可以從參考文獻[4]中得到更多詳細信息。

應用

根據配置的不同，一臺線(xiàn)上XRD設備可以作為完全的量測設備，或者作為日常監測、問(wèn)題診斷、工藝研發(fā)的多功能設備。因為IBM工廠(chǎng)身兼生產(chǎn)與研發(fā)兩種角色，XRD設備在設計時(shí)就已經(jīng)考慮到其在兩種角色之間如何切換的問(wèn)題。日常監測功能提出了與問(wèn)題診斷和工藝開(kāi)發(fā)不同的要求。在線(xiàn)上的日常監測中，只需要建立一個(gè)單一程式。設備載入硅片并將數據自動(dòng)加入一系列控制圖表之中，這一過(guò)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(gè)不同的結構參數被監測。相反，對于問(wèn)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(xiàn)衍射的專(zhuān)家查看得到的所有數據。

表1總結出半導體生產(chǎn)中可以通過(guò)X射線(xiàn)衍射量測的多晶材料。幾種有代表性的應用技術(shù)在下面詳細列出。

日常的線(xiàn)上監測

這種設備最初的一種應用是監測一系列物理氣相淀積（PVD）的反應腔，這些反應腔在銅互連金屬化制程中被用來(lái)淀積TaN/Ta/Cu襯墊層和籽晶層。這種監測作為標準的平面電阻，膜厚量測的補充而存在。薄膜堆棧中Ta和Cu成分的織構強度和譜線(xiàn)展寬數據都需要收集。TaN層具有無(wú)定形結構，因此無(wú)法監測。圖3說(shuō)明了一個(gè)從銅元素峰寬控制圖表中輸出的例子。數據的趨勢穩步向上，表明PVD銅籽晶的平均晶粒大小隨著(zhù)時(shí)間在減小。圖4說(shuō)明了在相應的Rs圖表中類(lèi)似但并不十分顯著(zhù)的增加。隨后的設備診斷發(fā)現受影響的反應腔一個(gè)閥門(mén)有空氣泄漏的現象。泄漏影響到濺射工藝，進(jìn)而影響銅籽晶層的淀積，這一過(guò)程極有可能是在淀積和淀積之后的自退火過(guò)程中，由于銅在Ta表面的遷移率下降造成。更換了閥門(mén)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(gè)數據點(diǎn)可以看出。

問(wèn)題診斷

這里舉一個(gè)問(wèn)題診斷的例子，它是因為不良的溫度控制導致某銅籽晶模塊生長(cháng)的材料晶粒尺寸產(chǎn)生偏移。通過(guò)對該模塊生長(cháng)的銅作日常的平板電阻和膜厚監測，并沒(méi)有發(fā)現任何異常，但線(xiàn)上的XRD系統顯示相關(guān)的晶粒尺寸有偏移（反向半高寬FWHM）。圖5說(shuō)明了某個(gè)銅籽晶模塊生長(cháng)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(zhù)較大的晶粒尺寸。

工藝研發(fā)

利用線(xiàn)上XRD設備進(jìn)行工藝研發(fā)復雜程度各不相同。一方面，工藝改變造成的無(wú)圖形薄膜微結構的變化可以較快的被發(fā)現。這既包括一盒硅片內片與片的差異，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(gè)最近研究中遇到的例子，它是有關(guān)于化學(xué)機械拋光（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。工業(yè)界通常使用低溫熱退火工藝穩定銅微結構。在這個(gè)問(wèn)題中，我們研究了不同的退火溫度對不同線(xiàn)寬銅晶體織構的影響。我們使用了IBM測試芯片上一個(gè)有200um×200um大小的宏單元，對其做衍射掃描，并做數據精簡(jiǎn)處理，最終提供有關(guān)譜線(xiàn)展寬和銅的織構強度等量化的數據。一盒硅片中的每片都會(huì )測量其中五個(gè)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(gè)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(shuō)明了在M1測得的銅織構強度的結果。我們將最終結果作了平均，因為沒(méi)有觀(guān)察到銅微結構在硅片中央和邊緣有任何不同。從數據中可以看出很多趨勢，但應該強調的是，微結構的數據可以與其他線(xiàn)上量測的結果直接聯(lián)系起來(lái)，特別是硅片的良率。所有的結果綜合起來(lái)，可以選擇出該技術(shù)節點(diǎn)比較優(yōu)化的前CMP退火條件。

討論

隨著(zhù)大部分實(shí)驗室分析設備已經(jīng)在晶圓工廠(chǎng)使用，將XRD量測設備整合進(jìn)其中需要設備供應商、衍射方面的專(zhuān)家、設備工程師通力合作。

對于工藝研發(fā)，設備匹配或者問(wèn)題診斷，我們的經(jīng)驗一直在增長(cháng)。針對手邊的每一個(gè)問(wèn)題，都需要建立特定的流程。數據的收集只需要一盒硅片，在以往通常需要幾盒。實(shí)驗的設計與傳統的情形很像，在這種情形之下，FAB沒(méi)有能力作X射線(xiàn)分析。但有一點(diǎn)是不同的，即設備的高產(chǎn)出值為我們提供了更多的采樣點(diǎn)。在實(shí)驗室，整片晶圓的采樣是一項既艱苦又耗時(shí)的任務(wù)，而如今已經(jīng)可以作為一項日常的工作。數據可以用同一片硅片在不同的工藝站點(diǎn)收集。這既提供了機遇同時(shí)也提出了挑戰。機遇在于我們可以日常的監測到薄膜結構中的異常，比如硅片中央和邊緣的差異，這意味著(zhù)工藝設備異常的微結構變化，我們同時(shí)還可以對制程窗口較小的工藝加強控制。挑戰在于如何應用這樣龐大的數據庫。在傳統情況下，分析者直接面對單個(gè)采樣點(diǎn)，試圖從每一個(gè)衍射譜線(xiàn)中盡可能多的獲得信息。在使用了這樣的線(xiàn)上設備之后，焦點(diǎn)便轉移到如何對數據精簡(jiǎn)算法自動(dòng)得到的參數數據進(jìn)行篩選。只有在發(fā)現一種或者多種異常的時(shí)候才需要對衍射譜線(xiàn)作詳細的研究。

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

結論

第一代線(xiàn)上X射線(xiàn)衍射計已經(jīng)被成功的整合進(jìn)入300mm半導體研發(fā)制造工廠(chǎng)。該設備作為多面手，不僅可以應用于線(xiàn)上監測，而且可以進(jìn)行問(wèn)題診斷，工藝研發(fā)。它更是將復雜的分析技術(shù)應用于量測一個(gè)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（現在供職于Intermolecular），他們在第一代設備研發(fā)過(guò)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(shí)驗數據，還要感謝Nova Microstructure的Marjorie Cheng，文中很多數據都是我們和他通力合作的結果。