這種設(shè)備最初的一種應(yīng)用是監(jiān)測(cè)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(lái)淀積TaN/Ta/Cu襯墊層和籽晶層。這種監(jiān)測(cè)作為標(biāo)準(zhǔn)的平面電阻，膜厚量測(cè)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(wú)定形結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法監(jiān)測(cè)。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(shù)據(jù)的趨勢(shì)穩(wěn)步向上，表明PVD銅籽晶的平均晶粒大小隨著時(shí)間在減小。圖4說(shuō)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(gè)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(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(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出。

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　　問(wèn)題診斷

　　這里舉一個(gè)問(wèn)題診斷的例子，它是因?yàn)椴涣嫉臏囟瓤刂茖?dǎo)致某銅籽晶模塊生長(zhǎng)的材料晶粒尺寸產(chǎn)生偏移。通過(guò)對(duì)該模塊生長(zhǎng)的銅作日常的平板電阻和膜厚監(jiān)測(cè)，并沒(méi)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(shuō)明了某個(gè)銅籽晶模塊生長(zhǎng)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。

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　　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?cè)斐傻臒o(wú)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(gè)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(duì)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(gè)問(wèn)題中，我們研究了不同的退火溫度對(duì)不同線寬銅晶體織構(gòu)的影響。我們使用了IBM測(cè)試芯片上一個(gè)有200um×200um大小的宏單元，對(duì)其做衍射掃描，并做數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)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(huì)測(cè)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(cè)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(cè)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?yàn)闆](méi)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(shì)，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(cè)的結(jié)果直接聯(lián)系起來(lái)，特別是硅片的良率。所有的結(jié)果綜合起來(lái)，可以選擇出該技術(shù)節(jié)點(diǎn)比較優(yōu)化的前CMP退火條件。

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　　討論

　　隨著大部分實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)備已經(jīng)在晶圓工廠使用，將XRD量測(cè)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(duì)于工藝研發(fā)，設(shè)備匹配或者問(wèn)題診斷，我們的經(jīng)驗(yàn)一直在增長(zhǎng)。針對(duì)手邊的每一個(gè)問(wèn)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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的情形很像，在這種情形之下，F(xiàn)AB沒(méi)有能力作X射線分析。但有一點(diǎn)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(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室，整片晶圓的采樣是一項(xiàng)既艱苦又耗時(shí)的任務(wù)，而如今已經(jīng)可以作為一項(xiàng)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(diǎn)收集。這既提供了機(jī)遇同時(shí)也提出了挑戰(zhàn)。機(jī)遇在于我們可以日常的監(jiān)測(cè)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(shí)還可以對(duì)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(kù)。在傳統(tǒng)情況下，分析者直接面對(duì)單個(gè)采樣點(diǎn)，試圖從每一個(gè)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(diǎn)便轉(zhuǎn)移到如何對(duì)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)算法自動(dòng)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(shí)候才需要對(duì)衍射譜線作詳細(xì)的研究。

　　將XRD設(shè)備用作線上檢測(cè)的工具面臨著各種各樣的挑戰(zhàn)。其中主要的問(wèn)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(duì)性。例如，檢測(cè)鋁淀積的設(shè)備主要關(guān)注其織構(gòu)，因?yàn)樗卿X互連線電致遷移表現(xiàn)的一個(gè)主要參數(shù)。但是，對(duì)于銅互連，問(wèn)題變得更加復(fù)雜，織構(gòu)和晶粒尺寸都需要進(jìn)行檢測(cè)。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(duì)幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行若干個(gè)月的檢測(cè)，并將它們的變化與其他量測(cè)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(jì)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(cè)，而且可以進(jìn)行問(wèn)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(cè)一個(gè)很好的例子。