中心議題：

• 討論半導體結構在線測量

解決方案：

• 利用多晶X射線衍射技術
• 將XRD設備用作線上檢測

利用成熟的分析探測儀器作為日常的線上監測工具已經成為半導體量測方法一個重大的發展趨勢。掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線熒光譜線（XRF）是(shi)兩(liang)個(ge)最(zui)好(hao)的(de)例(li)子(zi)，如(ru)電(dian)子(zi)微(wei)探(tan)針(zhen)等(deng)技(ji)術(shu)還(hai)在(zai)研(yan)究(jiu)之(zhi)中(zhong)。這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)的(de)主(zhu)要(yao)推(tui)動(dong)力(li)是(shi)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)的(de)需(xu)要(yao)
，以(yi)便(bian)盡(jin)早(zao)發(fa)現(xian)設(she)備(bei)出(chu)現(xian)的(de)問(wen)題(ti)。X射線衍射（XRD）因(yin)為(wei)其(qi)對(dui)多(duo)晶(jing)材(cai)料(liao)結(jie)構(gou)強(qiang)大(da)的(de)探(tan)測(ce)能(neng)力(li)而(er)成(cheng)為(wei)量(liang)測(ce)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)未(wei)來(lai)之(zhi)星(xing)。針(zhen)對(dui)諸(zhu)如(ru)矽(gui)片(pian)內(nei)部(bu)張(zhang)力(li)測(ce)量(liang)等(deng)單(dan)一(yi)應(ying)用(yong)的(de)硬(ying)件(jian)和(he)算(suan)法(fa)已(yi)經(jing)研(yan)發(fa)成(cheng)功(gong)並(bing)商(shang)業(ye)化(hua)。但(dan)半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)造(zao)中(zhong)的(de)大(da)部(bu)分(fen)材(cai)料(liao)是(shi)多(duo)晶(jing)材(cai)料(liao)，比(bi)如(ru)互(hu)連(lian)線(xian)和(he)接(jie)觸(chu)孔(kong)。XRD能夠將多晶材料的一係列特性量化。這其中最重要的特性包括多晶相（鎳單矽化物，鎳二矽化物）
，平均晶粒大小，晶體織構，殘餘應力。直到現在
，多晶XRDbingmeiyouyingyongyuliangcejishu
，yinweihuodeyanshetuxingxuyaohenchangdeshijian，dedaoshujudewuliyiyiyebijiaofuza。raner，suizheerweichangtanceyihexianjinshujurongyuchulisuanfadefazhan，XRD量測設備已經成為可能。

設備

第一代應用於多晶材料的XRD量測設備由HyperNex Inc和IBM共同研發，並安裝在IBM位於紐約East Fishkill的半導體研發生產工廠。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，在方位角方向旋轉的水平采樣載物台。水平載物台需要與矽片的傳送機械臂兼容，而xy傳送載物台允許全矽片映射
，它的重要性在隨後的章節中會變得顯而易見。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de範fan圍wei。寬kuan光guang束shu用yong來lai掃sao描miao無wu圖tu形xing的de矽gui片pian，窄zhai光guang束shu用yong來lai獲huo得de有you圖tu形xing矽gui片pian上shang獨du立li結jie構gou的de衍yan射she譜pu線xian。描miao述shu獨du立li結jie構gou特te性xing的de需xu求qiu決jue定ding了le係xi統tong必bi須xu具ju備bei視shi頻pin顯xian微wei鏡jing和he圖tu形xing識shi別bie軟ruan件jian。為wei了le滿man足zu高gao速su產chan出chu的de需xu要yao，二er維wei場chang探tan測ce儀yi被bei用yong來lai收shou集ji衍yan射she譜pu線xian。圖tu1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
，圖形中根據環強度的變化可以獲得該材料晶體織構的信息，環的寬度決定了相關晶粒的大小。 因yin為wei受shou矽gui片pian產chan出chu量liang的de限xian製zhi，在zai這zhe些xie設she備bei上shang進jin行xing殘can留liu應ying力li的de測ce量liang並bing不bu現xian實shi。剩sheng下xia的de相xiang位wei，晶jing粒li大da小xiao和he織zhi構gou都dou是shi可ke測ce量liang的de參can數shu。我wo們men所suo麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan是shi如ru何he將jiang圖tu1和圖2所示的龐大圖形數據量精簡為幾個相關參數，而這些參數可以加入統計過程控製（SPC）tubiao。zaizhexiecanshudangzhong，jinglichicunshizuirongyihuodede，duiyugeidingdexiangeryan，yanshefengzhijiandekuanduyucailiaojinglidepingjunchicunchengfanbi。lingwailianggecanshudeceliangzemianlinzhejiaodadetiaozhan


，yinweiyibaneryan，tamenyilaiyujingtongX射線衍射理論和應用的個人對圖形數據進行個別的詮釋。
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xiangfenxiyaoqiushixianlejieganxingqudexiang。yizhongzidonghuadefengnihesuanfayonglaihuodequxianzhongmeiyigefengdeweizhiheqiangduzhi。jiangshiyanfengzhideweizhiyuganxingquxiangdepuxianzuoduibi
，laiquedinggaixiangshifoucunzai。lingwai
，quxianzhongbunengbeipipeidefengyiweizhegengduodexiangcunzai。liruzaitu2中，如果取樣程式認為在測量的矽片上隻存在鎳單矽化物，盡管事實上相的鑒定需要手工完成，但多餘的峰（來自於NiSi2）仍然會被軟件標記。為了測量不同相的比例

，一種針對多相係統的應用遵循了這樣的原理，即一個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完成，使用者並不需要輸入任何信息
，計算結果會發送到主機軟件
，這一點和標準的量測設備很相像。通過將X射線的強度轉換為極圖空間裏的極密度
，給定相原始的二維X射(she)線(xian)圖(tu)形(xing)可(ke)以(yi)精(jing)簡(jian)為(wei)晶(jing)體(ti)織(zhi)構(gou)強(qiang)度(du)的(de)量(liang)化(hua)值(zhi)。探(tan)測(ce)儀(yi)由(you)於(yu)可(ke)以(yi)覆(fu)蓋(gai)較(jiao)大(da)的(de)範(fan)圍(wei)，使(shi)得(de)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)為(wei)每(mei)一(yi)個(ge)相(xiang)收(shou)集(ji)等(deng)同(tong)於(yu)幾(ji)個(ge)局(ju)部(bu)極(ji)圖(tu)的(de)數(shu)據(ju)。從(cong)這(zhe)些(xie)極(ji)圖(tu)可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)方(fang)向(xiang)分(fen)布(bu)函(han)數(shu)並(bing)作(zuo)為(wei)工(gong)具(ju)量(liang)化(hua)織(zhi)構(gou)。讀(du)者(zhe)可(ke)以(yi)從(cong)參(can)考(kao)文(wen)獻(xian)[4]中得到更多詳細信息。
 
應用

根據配置的不同，一台線上XRD設備可以作為完全的量測設備，或者作為日常監測
、問題診斷、工藝研發的多功能設備。因為IBM工廠身兼生產與研發兩種角色
，XRD設(she)備(bei)在(zai)設(she)計(ji)時(shi)就(jiu)已(yi)經(jing)考(kao)慮(lv)到(dao)其(qi)在(zai)兩(liang)種(zhong)角(jiao)色(se)之(zhi)間(jian)如(ru)何(he)切(qie)換(huan)的(de)問(wen)題(ti)。日(ri)常(chang)監(jian)測(ce)功(gong)能(neng)提(ti)出(chu)了(le)與(yu)問(wen)題(ti)診(zhen)斷(duan)和(he)工(gong)藝(yi)開(kai)發(fa)不(bu)同(tong)的(de)要(yao)求(qiu)。在(zai)線(xian)上(shang)的(de)日(ri)常(chang)監(jian)測(ce)中(zhong)，隻(zhi)需(xu)要(yao)建(jian)立(li)一(yi)個(ge)單(dan)一(yi)程(cheng)式(shi)。設(she)備(bei)載(zai)入(ru)矽(gui)片(pian)並(bing)將(jiang)數(shu)據(ju)自(zi)動(dong)加(jia)入(ru)一(yi)係(xi)列(lie)控(kong)製(zhi)圖(tu)表(biao)之(zhi)中(zhong)，這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)不(bu)需(xu)要(yao)操(cao)作(zuo)者(zhe)介(jie)入(ru)。薄(bo)膜(mo)堆(dui)棧(zhan)中(zhong)的(de)任(ren)一(yi)種(zhong)材(cai)料(liao)隻(zhi)有(you)1-2個不同的結構參數被監測。相反，對於問題診斷和工藝研發
，雖然隻有一至兩盒矽片參與量測，但需要精通X射線衍射的專家查看得到的所有數據。
日常的線上監測

這種設備最初的一種應用是監測一係列物理氣相澱積（PVD）的反應腔

，這些反應腔在銅互連金屬化製程中被用來澱積TaN/Ta/Cu襯墊層和籽晶層。這種監測作為標準的平麵電阻，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展寬數據都需要收集。TaN層具有無定形結構，因此無法監測。圖3說明了一個從銅元素峰寬控製圖表中輸出的例子。數據的趨勢穩步向上
，表明PVD銅籽晶的平均晶粒大小隨著時間在減小。圖4說明了在相應的Rstubiaozhongleisidanbingbushifenxianzhudezengjia。suihoudeshebeizhenduanfaxianshouyingxiangdefanyingqiangyigefamenyoukongqixieloudexianxiang。xielouyingxiangdaojianshegongyi
，jineryingxiangtongzijingcengdedianji，zheyiguochengjiyoukenengshizaidianjihedianjizhihoudezituihuoguochengzhong
，youyutongzaiTa表麵的遷移率下降造成。更換了閥門之後,Rs和銅元素峰寬的值都變小
，我們從圖3和圖4控製圖表中的最後三個數據點可以看出。
[page] 問題診斷

這(zhe)裏(li)舉(ju)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)診(zhen)斷(duan)的(de)例(li)子(zi)，它(ta)是(shi)因(yin)為(wei)不(bu)良(liang)的(de)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)導(dao)致(zhi)某(mou)銅(tong)籽(zi)晶(jing)模(mo)塊(kuai)生(sheng)長(chang)的(de)材(cai)料(liao)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)產(chan)生(sheng)偏(pian)移(yi)。通(tong)過(guo)對(dui)該(gai)模(mo)塊(kuai)生(sheng)長(chang)的(de)銅(tong)作(zuo)日(ri)常(chang)的(de)平(ping)板(ban)電(dian)阻(zu)和(he)膜(mo)厚(hou)監(jian)測(ce)
，並(bing)沒(mei)有(you)發(fa)現(xian)任(ren)何(he)異(yi)常(chang)，但(dan)線(xian)上(shang)的(de)XRD係統顯示相關的晶粒尺寸有偏移（反向半高寬FWHM）。圖5說shuo明ming了le某mou個ge銅tong籽zi晶jing模mo塊kuai生sheng長chang材cai料liao的de相xiang關guan晶jing粒li大da小xiao的de輪lun廓kuo圖tu
，右you圖tu的de溫wen度du控kong製zhi不bu是shi很hen理li想xiang
，左zuo圖tu有you比bi較jiao好hao的de溫wen度du控kong製zhi。較jiao大da的de反fan向xiang半ban高gao寬kuan意yi味wei著zhe較jiao大da的de晶jing粒li尺chi寸cun。 工藝研發

利用線上XRD設(she)備(bei)進(jin)行(xing)工(gong)藝(yi)研(yan)發(fa)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)各(ge)不(bu)相(xiang)同(tong)。一(yi)方(fang)麵(mian)，工(gong)藝(yi)改(gai)變(bian)造(zao)成(cheng)的(de)無(wu)圖(tu)形(xing)薄(bo)膜(mo)微(wei)結(jie)構(gou)的(de)變(bian)化(hua)可(ke)以(yi)較(jiao)快(kuai)的(de)被(bei)發(fa)現(xian)。這(zhe)既(ji)包(bao)括(kuo)一(yi)盒(he)矽(gui)片(pian)內(nei)片(pian)與(yu)片(pian)的(de)差(cha)異(yi)，也(ye)包(bao)括(kuo)某(mou)片(pian)上(shang)邊(bian)緣(yuan)和(he)中(zhong)心(xin)的(de)差(cha)異(yi)。然(ran)而(er)，更(geng)多(duo)的(de)研(yan)究(jiu)集(ji)中(zhong)在(zai)有(you)圖(tu)形(xing)的(de)矽(gui)片(pian)上(shang)。這(zhe)裏(li)舉(ju)一(yi)個(ge)最(zui)近(jin)研(yan)究(jiu)中(zhong)遇(yu)到(dao)的(de)例(li)子(zi)，它(ta)是(shi)有(you)關(guan)於(yu)化(hua)學(xue)機(ji)械(xie)拋(pao)光(guang)（CMP）之前對電鍍澱積（ECD）tongjinxingbutongretuihuogongyiyinqidexiaoying。gongyejietongchangshiyongdiwenretuihuogongyiwendingtongweijiegou。zaizhegewentizhong，womenyanjiulebutongdetuihuowenduduibutongxiankuantongjingtizhigoudeyingxiang。womenshiyongleIBM測試芯片上一個有200um×200um大da小xiao的de宏hong單dan元yuan
，對dui其qi做zuo衍yan射she掃sao描miao


，並bing做zuo數shu據ju精jing簡jian處chu理li，最zui終zhong提ti供gong有you關guan譜pu線xian展zhan寬kuan和he銅tong的de織zhi構gou強qiang度du等deng量liang化hua的de數shu據ju。一yi盒he矽gui片pian中zhong的de每mei片pian都dou會hui測ce量liang其qi中zhong五wu個ge單dan元yuan的de宏hong，既ji有you矽gui片pian中zhong央yang的de單dan元yuan
，也ye有you邊bian緣yuan的de單dan元yuan。
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矽片在製程中的三個不同步驟進行測量：電鍍之後，前CMP退火之後
，金屬化之後。圖6說明了在M1cededetongzhigouqiangdudejieguo。womenjiangzuizhongjieguozuolepingjun
，yinweimeiyouguanchadaotongweijiegouzaiguipianzhongyanghebianyuanyourenhebutong。congshujuzhongkeyikanchuhenduoqushi
，danyinggaiqiangtiaodeshi，weijiegoudeshujukeyiyuqitaxianshangliangcedejieguozhijielianxiqilai，tebieshiguipiandelianglv。suoyoudejieguozongheqilai
，keyixuanzechugaijishujiedianbijiaoyouhuadeqianCMP退火條件。 討論

隨著大部分實驗室分析設備已經在晶圓工廠使用

，將XRD量測設備整合進其中需要設備供應商、衍射方麵的專家、設備工程師通力合作。

對dui於yu工gong藝yi研yan發fa，設she備bei匹pi配pei或huo者zhe問wen題ti診zhen斷duan，我wo們men的de經jing驗yan一yi直zhi在zai增zeng長chang。針zhen對dui手shou邊bian的de每mei一yi個ge問wen題ti
，都dou需xu要yao建jian立li特te定ding的de流liu程cheng。數shu據ju的de收shou集ji隻zhi需xu要yao一yi盒he矽gui片pian，在zai以yi往wang通tong常chang需xu要yao幾ji盒he。實shi驗yan的de設she計ji與yu傳chuan統tong的de情qing形xing很hen像xiang
，在zai這zhe種zhong情qing形xing之zhi下xia，FAB沒有能力作Xshexianfenxi。danyouyidianshibutongde，jishebeidegaochanchuzhiweiwomentigonglegengduodecaiyangdian。zaishiyanshi
，zhengpianjingyuandecaiyangshiyixiangjijiankuyouhaoshiderenwu
，errujinyijingkeyizuoweiyixiangrichangdegongzuo。shujukeyiyongtongyipianguipianzaibutongdegongyizhandianshouji。zhejitigonglejiyutongshiyetichuletiaozhan。jiyuzaiyuwomenkeyirichangdejiancedaobomojiegouzhongdeyichang
，biruguipianzhongyanghebianyuandechayi
，zheyiweizhegongyishebeiyichangdeweijiegoubianhua，womentongshihaikeyiduizhichengchuangkoujiaoxiaodegongyijiaqiangkongzhi。tiaozhanzaiyuruheyingyongzheyangpangdadeshujuku。zaichuantongqingkuangxia，fenxizhezhijiemianduidangecaiyangdian
，shitucongmeiyigeyanshepuxianzhongjinkenengduodehuodexinxi。zaishiyonglezheyangdexianshangshebeizhihou
，jiaodianbianzhuanyidaoruheduishujujingjiansuanfazidongdedaodecanshushujujinxingshaixuan。zhiyouzaifaxianyizhonghuozheduozhongyichangdeshihoucaixuyaoduiyanshepuxianzuoxiangxideyanjiu。

將XRDshebeiyongzuoxianshangjiancedegongjumianlinzhegezhonggeyangdetiaozhan。qizhongzhuyaodewentishiruhexuanzeheshidecanshuzuozhuizong。zaihenduoqingkuangzhixia，zhezhongxuanzejuyouzhenduixing。liru，jiancelvdianjideshebeizhuyaoguanzhuqizhigou
，yinweitashilvhulianxiandianzhiqianyibiaoxiandeyigezhuyaocanshu。danshi
，duiyutonghulian，wentibiandegengjiafuza
，zhigouhejinglichicundouxuyaojinxingjiance。weilezhengquedexuanzecanshu
，womenxuyaoshixianlejiecailiaodetexing，huozheduijigecanshujinxingruogangeyuedejiance
，bingjiangtamendebianhuayuqitaliangceshebei
、良率、可靠性的數據進行比較，最終做出結論。

結論

第一代線上X射線衍射計已經被成功的整合進入300mm半ban導dao體ti研yan發fa製zhi造zao工gong廠chang。該gai設she備bei作zuo為wei多duo麵mian手shou，不bu僅jin可ke以yi應ying用yong於yu線xian上shang監jian測ce
，而er且qie可ke以yi進jin行xing問wen題ti診zhen斷duan
，工gong藝yi研yan發fa。它ta更geng是shi將jiang複fu雜za的de分fen析xi技ji術shu應ying用yong於yu量liang測ce一yi個ge很hen好hao的de例li子zi。