利用多晶X射线衍射实现半导体结构在线测量

被用来淀积TaN/Ta/Cu衬垫层和籽晶层。这种监测作为标准的平面电阻，膜厚量测的补充而存在。薄膜堆栈中Ta和Cu成分的织构强度和谱线展宽数据都需要收集。TaN层具有无定形结构，因此无法监测。图3说明了一个从铜元素峰宽控制图表中输出的例子。数据的趋势稳步向上，表明PVD铜籽晶的平均晶粒大小随着时间在减校图4说明了在相应的Rs图表中类似但并不十分显著的增加。随后的设备诊断发现受影响的反应腔一个阀门有空气泄漏的现象。泄漏影响到溅射工艺，进而影响铜籽晶层的淀积，这一过程极有可能是在淀积和淀积之后的自退火过程中，由于铜在Ta表面的迁移率下降造成。更换了阀门之后,Rs和铜元素峰宽的值都变小，我们从图3和图4控制图表中的最后三个数据点可以看出。

问题诊断

这里举一个问题诊断的例子，它是因为不良的温度控制导致某铜籽晶模块生长的材料晶粒尺寸产生偏移。通过对该模块生长的铜作日常的平板电阻和膜厚监测，并没有发现任何异常，但线上的XRD系统显示相关的晶粒尺寸有偏移（反向半高宽FWHM）。图5说明了某个铜籽晶模块生长材料的相关晶粒大小的轮廓图，右图的温度控制不是很理想，左图有比较好的温度控制。较大的反向半高宽意味着较大的晶粒尺寸。

工艺研发

利用线上XRD设备进行工艺研发复杂程度各不相同。一方面，工艺改变造成的无图形薄膜微结构的变化可以较快的被发现。这既包括一盒硅片内片与片的差异，也包括某片上边缘和中心的差异。然而，更多的研究集中在有图形的硅片上。这里举一个最近研究中遇到的例子，它是有关于化学机械抛光（CMP）之前对电镀淀积（ECD）铜进行不同热退火工艺引起的效应。工业界通常使用低温热退火工艺稳定铜微结构。在这个问题中，我们研究了不同的退火温度对不同线宽铜晶体织构的影响。我们使用了IBM测试芯片上一个有200um×200um大小的宏单元，对其做衍射扫描，并做数据精简处理，最终提供有关谱线展宽和铜的织构强度等量化的数据。一盒硅片中的每片都会测量其中五个单元的宏，既有硅片中央的单元，也有边缘的单元。

硅片在制程中的三个不同步骤进行测量：电镀之后，前CMP退火之后，金属化之后。图6说明了在M1测得的铜织构强度的结果。我们将最终结果作了平均，因为没有观察到铜微结构在硅片中央和边缘有任何不同。从数据中可以看出很多趋势，但应该强调的是，微结构的数据可以与其他线上量测的结果直接联系起来，特别是硅片的良率。所有的结果综合起来，可以选择出该技术节点比较优化的前CMP退火条件。

讨论

随着大部分实验室分析设备已经在晶圆工厂使用，将XRD量测设备整合进其中需要设备供应商、衍射方面的专家、设备工程师通力合作。

对于工艺研发，设备匹配或者问题诊断，我们的经验一直在增长。针对手边的每一个问题，都需要建立特定的流程。数据的收集只需要一盒硅片，在以往通常需要几盒。实验的设计与传统的情形很像，在这种情形之下，FAB没有能力作X射线分析。但有一点是不同的，即设备的高产出值为我们提供了更多的采样点。在实验室，整片晶圆的采样是一项既艰苦又耗时的任务，而如今已经可以作为一项日常的工作。数据可以用同一片硅片在不同的工艺站点收集。这既提供了机遇同时也提出了挑战。机遇在于我们可以日常的监测到薄膜结构中的异常，比如硅片中央和边缘的差异，这意味着工艺设备异常的微结构变化，我们同时还可以对制程窗口较小的工艺加强控制。挑战在于如何应用这样庞大的数据库。在传统情况下，分析者直接面对单个采样点，试图从每一个衍射谱线中尽可能多的获得信息。在使用了这样的线上设备之后，焦点便转移到如何对数据精简算法自动得到的参数数据进行筛选。只有在发现一种或者多种异常的时候才需要对衍射谱线作详细的研究。

将XRD设备用作线上检测的工具面临着各种各样的挑战。其中主要的问题是如何选择合适的参数作追踪。在很多情况之下，这种选择具有针对性。例如，检测铝淀积的设备主要关注其织构，因为它是铝互连线电致迁移表现的一个主要参数。但是，对于铜互连，问题变得更加复杂，织构和晶粒尺寸都需要进行检测。为了正确的选择参数，我们需要事先了解材料的特性，或者对几个参数进行若干个月的检测，并将它们的变化与其他量测设备、良率、可靠性的数据进行比较，最终做出结论。

结论

第一代线上X射线衍射计已经被成功的整合进入300mm半导体研发制造工厂。该设备作为多面手，不仅可以应用于线上监测，而且可以进行问题诊断，工艺研发。它更是将复杂的分析技术应用于量测一个很好的例子。

致谢

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