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XRD並(bing)沒(mei)有(you)應(ying)用(yong)於(yu)量(liang)測(ce)技(ji)術(shu)
，因(yin)為(wei)獲(huo)得(de)衍(yan)射(she)圖(tu)形(xing)需(xu)要(yao)很(hen)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)
，得(de)到(dao)數(shu)據(ju)的(de)物(wu)理(li)意(yi)義(yi)也(ye)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)。然(ran)而(er)，隨(sui)著(zhe)二(er)維(wei)場(chang)探(tan)測(ce)儀(yi)和(he)先(xian)進(jin)數(shu)據(ju)冗(rong)餘(yu)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)的(de)發(fa)展(zhan)，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(tu)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。 yinweishouguipianchanchuliangdexianzhi

，zaizhexieshebeishangjinxingcanliuyinglideceliangbingbuxianshi。shengxiadexiangwei，jinglidaxiaohezhigoudoushikeceliangdecanshu。womensuomianlindetiaozhanshiruhejiangtu1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）圖(tu)表(biao)。在(zai)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)當(dang)中(zhong)，晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)是(shi)最(zui)容(rong)易(yi)獲(huo)得(de)的(de)，對(dui)於(yu)給(gei)定(ding)的(de)相(xiang)而(er)言(yan)，衍(yan)射(she)峰(feng)之(zhi)間(jian)的(de)寬(kuan)度(du)與(yu)材(cai)料(liao)晶(jing)粒(li)的(de)平(ping)均(jun)尺(chi)寸(cun)成(cheng)反(fan)比(bi)。另(ling)外(wai)兩(liang)個(ge)參(can)數(shu)的(de)測(ce)量(liang)則(ze)麵(mian)臨(lin)著(zhe)較(jiao)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，因(yin)為(wei)一(yi)般(ban)而(er)言(yan)，它(ta)們(men)依(yi)賴(lai)於(yu)精(jing)通(tong)X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you1-2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）銅(tong)進(jin)行(xing)不(bu)同(tong)熱(re)退(tui)火(huo)工(gong)藝(yi)引(yin)起(qi)的(de)效(xiao)應(ying)。工(gong)業(ye)界(jie)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)低(di)溫(wen)熱(re)退(tui)火(huo)工(gong)藝(yi)穩(wen)定(ding)銅(tong)微(wei)結(jie)構(gou)。在(zai)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)中(zhong)，我(wo)們(men)研(yan)究(jiu)了(le)不(bu)同(tong)的(de)退(tui)火(huo)溫(wen)度(du)對(dui)不(bu)同(tong)線(xian)寬(kuan)銅(tong)晶(jing)體(ti)織(zhi)構(gou)的(de)影(ying)響(xiang)。我(wo)們(men)使(shi)用(yong)了(le)IBM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M1測ce得de的de銅tong織zhi構gou強qiang度du的de結jie果guo。我wo們men將jiang最zui終zhong結jie果guo作zuo了le平ping均jun
，因yin為wei沒mei有you觀guan察cha到dao銅tong微wei結jie構gou在zai矽gui片pian中zhong央yang和he邊bian緣yuan有you任ren何he不bu同tong。從cong數shu據ju中zhong可ke以yi看kan出chu很hen多duo趨qu勢shi
，但dan應ying該gai強qiang調tiao的de是shi，微wei結jie構gou的de數shu據ju可ke以yi與yu其qi他ta線xian上shang量liang測ce的de結jie果guo直zhi接jie聯lian係xi起qi來lai，特te別bie是shi矽gui片pian的de良liang率lv。所suo有you的de結jie果guo綜zong合he起qi來lai

，可ke以yi選xuan擇ze出chu該gai技ji術shu節jie點dian比bi較jiao優you化hua的de前qianCMP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X射she線xian分fen析xi。但dan有you一yi點dian是shi不bu同tong的de，即ji設she備bei的de高gao產chan出chu值zhi為wei我wo們men提ti供gong了le更geng多duo的de采cai樣yang點dian。在zai實shi驗yan室shi，整zheng片pian晶jing圓yuan的de采cai樣yang是shi一yi項xiang既ji艱jian苦ku又you耗hao時shi的de任ren務wu，而er如ru今jin已yi經jing可ke以yi作zuo為wei一yi項xiang日ri常chang的de工gong作zuo。數shu據ju可ke以yi用yong同tong一yi片pian矽gui片pian在zai不bu同tong的de工gong藝yi站zhan點dian收shou集ji。這zhe既ji提ti供gong了le機ji遇yu同tong時shi也ye提ti出chu了le挑tiao戰zhan。機ji遇yu在zai於yu我wo們men可ke以yi日ri常chang的de監jian測ce到dao薄bo膜mo結jie構gou中zhong的de異yi常chang，比bi如ru矽gui片pian中zhong央yang和he邊bian緣yuan的de差cha異yi，這zhe意yi味wei著zhe工gong藝yi設she備bei異yi常chang的de微wei結jie構gou變bian化hua，我wo們men同tong時shi還hai可ke以yi對dui製zhi程cheng窗chuang口kou較jiao小xiao的de工gong藝yi加jia強qiang控kong製zhi。挑tiao戰zhan在zai於yu如ru何he應ying用yong這zhe樣yang龐pang大da的de數shu據ju庫ku。在zai傳chuan統tong情qing況kuang下xia，分fen析xi者zhe直zhi接jie麵mian對dui單dan個ge采cai樣yang點dian

，試shi圖tu從cong每mei一yi個ge衍yan射she譜pu線xian中zhong盡jin可ke能neng多duo的de獲huo得de信xin息xi。在zai使shi用yong了le這zhe樣yang的de線xian上shang設she備bei之zhi後hou，焦jiao點dian便bian轉zhuan移yi到dao如ru何he對dui數shu據ju精jing簡jian算suan法fa自zi動dong得de到dao的de參can數shu數shu據ju進jin行xing篩shai選xuan。隻zhi有you在zai發fa現xian一yi種zhong或huo者zhe多duo種zhong異yi常chang的de時shi候hou才cai需xu要yao對dui衍yan射she譜pu線xian作zuo詳xiang細xi的de研yan究jiu。

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300mmbandaotiyanfazhizaogongchang。gaishebeizuoweiduomianshou，bujinkeyiyingyongyuxianshangjiance，erqiekeyijinxingwentizhenduan，gongyiyanfa。tagengshijiangfuzadefenxijishuyingyongyuliangceyigehenhaodelizi。