HRXRD在先进FD-SOI技术在线监测中的应用(一)

内容简介：

本研究由意法半导体制程量测组工程师、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学科研人员、和布鲁克半导体部以色列X射线组的科学家合作完成^【1】。作者通过在布鲁克公司JVX7300HR设备上调整和优化HRXRD技术，成功实现与全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）的SiGe外延生长相关的在线量测。本文分两篇刊出，本篇摘要主要介绍该工作中第一部分：FD-SOI衬底上的SiGe外延层表征和sSOI 衬底表征。

    研究方法和理论基础：

      A．布鲁克JVX7300HR设备配置 （高分辨率 X 射线衍射）

    布鲁克JVX7300HR设备使用的入射X射线束是会聚且单色的（图1）。衍射X射线的强度是相对于晶圆表面的角度w的函数。该配置可实现样品上的小光斑聚焦，因此可以在小区域进行测量，例如在50μm x 50μm切割通道测试区实现测量。对于满足布拉格衍射定律的角度w，衍射强度将有一个峰值。线性（1D）检测器以高角度分辨率在宽角度范围内收集衍射信号。衍射峰的角位置相对于Si衍射峰位置定义。JVX7300HR系统旨在满足在线测量的需求，其特定配置允许在没有任何机械运动的情况下进行数据采集^【2】。

B．硅衬底的锗组分测量

HRXRD的一个经典应用是测量Si衬底上完全应变（赝晶态）SiGe层的组分。对于这种情况，数据采集通常以沿垂直于表面的（004）方向进行对称衍射几何的采集，从而产生如图2所示的衍射强度分布。 衍射峰位置的分析提供了各层相对于硅衬底的晶格参数的信息。衍射峰的宽度与薄膜厚度成反比，通过拟合干涉条纹，可测量SiGe层的厚度。完全应变的Si1-xGex层的Ge组分也可使用Dismuke关系依未应变层的晶格参数公式确定：

a_(Si1-xGex) = 5.43105 + 0.1988x + 0.028x²                                     (1)

    在SOI衬底上生长的外延层，其SOI衬底通常通过晶圆键合工艺制成。该工艺中Si衬底的晶格平面和SOI层之间引入了有限但随机的倾斜。 由于SiGe外延与SOI晶体学取向有关，因此其倾斜角度在HRXRD测量中引入了未知的偏差，如图3b.所示。同样，对于应变SOI（sSOI）衬底，顶层应呈现与硅衬底略有不同的面外晶格参数。sSOI衍射峰位置由应变和倾斜共同决定，因此必须使用特定的方法来解决键合倾斜对衍射谱的影响。

工业在线量测的应用实例：

A．  FD-SOI衬底上的SiGe外延层

如图3b，FD-SOI层和外延SiGe层存在相对于Si衬底的倾斜角，因此HRXRD ω/2θ 曲线（图4）的衍射峰的角度偏移，如果不进行校正，0.5°倾斜将导致测量的%Ge绝对偏移20%。如果可以在SiGe生长之前测量SOI层的倾斜，然后进行相应的校正，就可正确的得到Ge组成引起的晶格参数变化所引起的峰移贡献。但对于FD-SOI结构，SOI层厚度非常低（<10nm）并且非常接近Si衬底峰，导致衍射峰非常弱，SOI层的衍射峰是无法解析的。因此，针对FD-SOI上SiGe的特定情况，本文作者们开发了一种新的方法来测量和校正键合引起的倾斜，以便准确测量SiGe外延层的%Ge。

(1) 倾角的量测方法

    假设SiGe层是完全应变的，SOI和外延SiGe层相对于Si衬底的倾斜角度相同。  在ω/2θ 对称模式下观察到的 SiGe 和  Si 衬底峰之间的角度 ∆θ₀偏移是%Ge 引起的应变的结果∆_%Ge和倾斜角a的加和。

               DӨ₀ = D%Ge + a                      （2）

    对于旋转 180° 的同一晶圆，双峰差∆θ₁₈₀之间的角度偏移会因为SOI 倾斜减小 

  DӨ₁₈₀=D%Ge - a                     （3）

如图5a所示的特殊情况显示某些特定倾斜角度可能会使SiGe衍射峰的位置无法准确确定，SiGe层和Si衬底的衍射峰在探测器上重叠。 防止这种情况的一种简单方法是阻挡与Si衬底布拉格角相对应的入射光束，同时留下光束中与SiGe层衍射的部分（图6）。  这可以通一组高精度的金属狭缝自动定位在光源之后来实现。

    使用方程（2）和（3），通过取两个峰位差值的平均值，可以测量倾斜角a值，从而进一步计算出 %Ge 贡献值。

α = (∆θ₀ - ∆θ₁₈₀) /2                    (4)

 作者使用JVX7300HR测量FD-SOI 衬底上的 SiGe 组成，并且考虑了随机键合倾斜，具体步骤如下：

首先快速在四个方位角（0°、90°、180°  和 270°）采集样品的X射线衍射图谱。SiGe峰与Si 衬底峰的位置如图7所示。在此基础上，选择SiGe和Si峰之间角分离最大的最佳方位角。 在此方位角处执行第一次采集。然后在前一个方位角 + 180° 处执行第二次采集。 在第二次采集时，移动狭缝部分阻挡入射X射线束，如图6b.所示，可实现仅观察到SiGe衍射峰。

最后两个方位角处测量的数据同时拟合到一个通用结构模型中，该模型运用了方程（2）和（3）允许在模型和相关模拟运算中确定并正确考虑倾斜分量 a。这种倾斜测量策略已在在线测量中自动实施，使用户能够获得准确的结果，例如Ge组分和厚度。

（2）在线监控的实施

    上述测量方法的适用性在实际生产中进行了评估。图8显示了在几个月内测量的一组随机FD-SOI衬底上的键合倾斜分布，显示了由于衬底制造过程导致的倾斜的不可预测性。这清楚地突出了控制倾斜度以测量准确的%Ge值的必要性。

（3）与 SiGe/Bulk 量测的比较

为评估所述方法的有效性，作者进一步比较了在同一工艺步骤中生长的不同结构上测量的SiGe层的%Ge.  对于在Si衬底上生长外延SiGe层的位置（在选择性蚀刻SOI和氧化物之后），可以使用标准的HRXRD程序，而对于SiGe/FD-SOI，必须执行在f=0° 和 f=180° 的倾斜角量测步骤。

 结果如图10所示，Si衬底和FD-SOI结构上的SiGe测量点之间的Ge组分绝对差异小于0.1%。这种差异被认为是真实的，是由硅和FD-SOI衬底之间的热传导差异引起的，导致生长的SiGe层略有差异。作者得出结论，倾斜测量算法已经证明了其效率和适用性，允许全自动测量生产线中FD-SOI衬底上的外延层中的%Ge。

B.sSOI 衬底表征

第二个应用，作者阐述了使用HRXRD来表征应变SOI衬底，相同的方法（在f=0° 和 f=180°测量）也适用。对于超薄sSOI层（8nm的特定情况），为了在HRXRD中获得显著的信号，在薄的应变SOI衬底上生长了额外的薄的外延硅层（9nm），最终产生如图11所示的17nm硅外延层。一个先决条件是假设应变在整个外延硅层上保持一致。拉曼光谱证实了这一点，具体数据可参看作者原文[1]。

为区分倾斜角与sSOI峰移中的应变，分别在Φ =0°和Φ=180°测量的摇摆曲线和模拟计算（图12），最后超薄sSOI层应变的计算结果为8.5*10^-3。

第一部分的总结：

在该研究工作中，作者阐述了用HRXRD以自动测量和监控FD-SOI衬底上的SiGe外延层和sSOI 衬底的方法。该方法已在制造环境中证明了可行性。

敬请关注本文工作摘要的第二部分的刊出。