這種設(shè)備最初的一種應(yīng)用是監(jiān)測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淀積TaN/Ta/Cu襯墊層和籽晶層。這種監(jiān)測作為標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)強度和譜線展寬數(shù)據(jù)都需要收集。TaN層具有無定形結(jié)構(gòu)，因此無法監(jiān)測。圖3說明了一個從銅元素峰寬控制圖表中輸出的例子。數(shù)據(jù)的趨勢穩(wěn)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(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)腔一個閥門有空氣泄漏的現(xiàn)象。泄漏影響到濺射工藝，進而影響銅籽晶層的淀積，這一過程極有可能是在淀積和淀積之后的自退火過程中，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數(shù)據(jù)點可以看出。

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　　問題診斷

　　這里舉一個問題診斷的例子，它是因為不良的溫度控制導(dǎo)致某銅籽晶模塊生長的材料晶粒尺寸產(chǎn)生偏移。通過對該模塊生長的銅作日常的平板電阻和膜厚監(jiān)測，并沒有發(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說明了某個銅籽晶模塊生長材料的相關(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)備進行工藝研發(fā)復(fù)雜程度各不相同。一方面，工藝改變造成的無圖形薄膜微結(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)。在這個問題中，我們研究了不同的退火溫度對不同線寬銅晶體織構(gòu)的影響。我們使用了IBM測試芯片上一個有200um×200um大小的宏單元，對其做衍射掃描，并做數(shù)據(jù)精簡處理，最終提供有關(guān)譜線展寬和銅的織構(gòu)強度等量化的數(shù)據(jù)。一盒硅片中的每片都會測量其中五個單元的宏，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不同步驟進行測量：電鍍之后，前CMP退火之后，金屬化之后。圖6說明了在M1測得的銅織構(gòu)強度的結(jié)果。我們將最終結(jié)果作了平均，因為沒有觀察到銅微結(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，但應(yīng)該強調(diào)的是，微結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可以與其他線上量測的結(jié)果直接聯(lián)系起來，特別是硅片的良率。所有的結(jié)果綜合起來，可以選擇出該技術(shù)節(jié)點比較優(yōu)化的前CMP退火條件。

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　　討論

　　隨著大部分實驗室分析設(shè)備已經(jīng)在晶圓工廠使用，將XRD量測設(shè)備整合進其中需要設(shè)備供應(yīng)商、衍射方面的專家、設(shè)備工程師通力合作。

　　對于工藝研發(fā)，設(shè)備匹配或者問題診斷，我們的經(jīng)驗一直在增長。針對手邊的每一個問題，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。實驗的設(shè)計與傳統(tǒng)的情形很像，在這種情形之下，F(xiàn)AB沒有能力作X射線分析。但有一點是不同的，即設(shè)備的高產(chǎn)出值為我們提供了更多的采樣點。在實驗室，整片晶圓的采樣是一項既艱苦又耗時的任務(wù)，而如今已經(jīng)可以作為一項日常的工作。數(shù)據(jù)可以用同一片硅片在不同的工藝站點收集。這既提供了機遇同時也提出了挑戰(zhàn)。機遇在于我們可以日常的監(jiān)測到薄膜結(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，我們同時還可以對制程窗口較小的工藝加強控制。挑戰(zhàn)在于如何應(yīng)用這樣龐大的數(shù)據(jù)庫。在傳統(tǒng)情況下，分析者直接面對單個采樣點，試圖從每一個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，焦點便轉(zhuǎn)移到如何對數(shù)據(jù)精簡算法自動得到的參數(shù)數(shù)據(jù)進行篩選。只有在發(fā)現(xiàn)一種或者多種異常的時候才需要對衍射譜線作詳細的研究。

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

　　結(jié)論

　　第一代線上X射線衍射計已經(jīng)被成功的整合進入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，而且可以進行問題診斷，工藝研發(fā)。它更是將復(fù)雜的分析技術(shù)應(yīng)用于量測一個很好的例子。