X射线衍射成像技术(XRDI)在半导体退火制程中进行晶圆破裂和缺陷形成机理诊断的应用

  X射线测量技术已经被逐步应用于半导体集成电路芯片的生产制程中。在半导体生产制程中，硅晶圆内部的不可视缺陷 (NVD, Non-Visual Defect) 以及晶圆破片(Wafer Breakage)是器件生产中面临的严重问题，导致良率降低、制造成本增加、生产机器诊断和维护成本增加等。晶圆内部出现的不可视微裂纹可能会导致晶圆的破片，位错和滑移带等类型的内部晶格缺陷会降低电子设备的性能和良率。

  X射线衍射成像（XRDI, X-ray diffraction imaging）技术，亦称为X射线形貌相 （XRT, X-ray Topography）技术，能够以非常高的应变敏感性对晶圆的表面以及晶圆内部的位错、滑移带、微裂纹等各种不可视缺陷（NVD）进行成像。在晶圆制造中，可以抽检晶圆，进行XRDI检测，及时发现每道工段站点有无产生、诱发新的晶圆缺陷。XRDI技术依据缺陷形态和尺寸判断所产生的缺陷是否会在后续工段导致晶圆破裂，以便有效规避晶圆破裂、良率降低等风险，及时发现各工段的生产设备导致缺陷产生的问题，减少生产机器的停工清洗与维护成本。

一、XRDI技术说明。

无缺陷的完美晶体产生的X射线衍射信号的强度是均匀一致分布的，而晶体的缺陷会导致晶体的形变以及衍射强度的变化。衍射强度的变化表现为灰度的差异。这类差异的成因包括晶体结构的差异、取向（倾斜）变化、或者由于高应变场梯度导致的消光差异等，如图1。

在半导体的制程中，晶圆内部产生的边缘微裂纹可能会导致晶圆的损坏。虽然晶圆内一些单独存在且尺寸微小的缺陷不造成直接的晶圆性能问题，但是在某些制程中，比如快速退火(RTA等)、化学机械加工(CMP)、晶圆装卸移动中等，边缘处存在内部损伤的晶圆发生灾难性破裂的概率大幅增加，并导致生产设备的污染。也有研究表明，在一定条件的热处理时，晶圆边缘会产生滑移带，并向内延伸至晶圆的更大区域。这类缺陷也会造成后续光刻工艺位移、芯片性能下降、良率下降、严重时导致晶圆破裂等后果。

二、硅晶圆在不同退火制程下所产生的边缘缺陷差异^[1]。

 200mm硅晶圆在1270K的温度下快速退火的高分辨率X射线衍射成像的结果表明，晶体内部的热滑移源多与晶圆的边缘位置有关。位错源主要位于晶圆的边缘，由晶圆表面的斜边边缘(Bevel Edge)的损坏产生。少数的位错源与其他局部损坏的区域相关，与制程设备反应室的晶圆支架的突起有关。后者的几何类似于晶圆表面压痕产生的位错源几何。

 图2是不同退火工艺的晶圆，在布鲁克JVSensus600机器上测量X射线衍射成像的结果。

  在plateau 退火条件下的晶圆边缘产生了高密度缺陷，导致了晶圆边缘的应变集中区。每条缺陷对应于每条滑移带。这些滑移带都是<011>取向，对应于四个倾斜的{111}滑移面上1/2<110>的柏格斯矢量。通过选区高分辨率模式的XRDI测量结果可发现更小的滑移带，也都是对应于<011>取向。这些滑移带都是起源于晶圆的边缘，然后向晶圆的内部扩散。

  在spike 退火条件下的晶圆的左下方边缘只有少数尺寸很小的缺陷。这些缺陷需要在更大倍率的XRDI下才能看清楚。一些研究表明，在1320K以下晶圆没有明显的滑移线出现。当温度大于1320K的时候，滑移线开始明显增加，而且与退火时间成一定的线性关系。这也与一些原位试验的结果一致。当温度升高，位错会加速扩展并形成大的滑移带。这些表明，在该spike退火条件下，晶圆边缘有一定的位错源，但是位错的扩散得到了很好的阻止。

 尽管spike退火没有明显的滑移带， 高分辨率的X射线衍射成像图形结果中显示晶圆的边缘也出现了像钻石光源一样形状的成核位置。如图3所示，这些位置大多数处于晶圆边缘。在某些情况下，有非常明显的局部应变，如图（b）所示；而另外一些情况下，没有明显的应变区域，如图（a）所示。这种成核于晶圆边缘并向内延伸的位错类型呈半环形，沿着倾斜的{111}滑移面，依着平行于（100）晶圆表面的四个<011> 方向，向内部滑移。它们不均匀的分布在晶圆边缘。

三、XRDI用于半导体退火制程监控的方案实例。