HRXRD在先进FD-SOI技术在线监测中的应用(二)

 内容简介：

该研究工作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，本篇摘要主要介绍文中第二部分应用：在平面计量结构使用HRXRD的具体应用实例。作者使用了倒易空间图（RSM）测量，展示了JVX7300HR获得了与同步加速器设施匹敌的工业生产线用的高质量信号。 RSM测量被证实可以提供周期性阵列结构（类晶体管阵列结构）中应变分布的关键信息。

本文的第一部分已在前期刊出，主要是介绍FD-SOI衬底上的SiGe外延层表征和sSOI 衬底表征工作。

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】。

工业在线量测周期性结构的应用：

    （1）周期结构的定义

     作者研究的结构是布满类pMOS的晶体管（20nm栅极长度，128nm间距）以及周期性28nm厚的SiGe外延源极/漏极（S/D）区域（150 x 250μm²）沉积在硅（001）的衬底上。 该结构的示意图和TEM图像如图2所示。如果入射X射线束垂直于光栅线，则（004）RSM表现出特征性的SiGe衍射谱，光栅结构的周期性特征的卫星峰与光栅周期成反比。这是研究系统信号质量的一个非常合适的应用。

     两张（004）RSM图看起来非常相似，JVX7300HR在线收集的RSM中没有任何特定细节缺失。这是JV7300HR系统在一小时内获得高质量信号的第一个证明。这些实验测得的RSM也与基于【3】中详细解释的基于应变场表征技术获得的仿真结果非常吻合。为了以更定量的方式研究RSM图之间的差异，从JVX7300HR和APS同步加速器绘制了SiGe卫星峰值的观测位置（Qx和Q z），如图4所示。应变差异小于0.1%，相当于0.6%Ge组分的差异。

正如预期的那样，由于存在SOI倾斜，SiGe的卫星峰值出现相对于Si衬底峰值的Qx偏移。 值得注意的是，Si Cap层的存在实际上极大地改变了SiGe的应变分布，正如SiGe卫星峰的形状和强度差异所说明的那样。这是关键信息，如果需要，可以进一步建模甚至在线控制。

 （4）FD-SOI衬底上的RSM解释

  图 5显示了来自相同周期结构的RSM：在具有Si帽层（a）和没有Si帽层（b）的FD-SOI衬底上分别采集的。  这项研究作者后续的研究【4】中有更详细地描述。

总结：

在该研究工作中，作者阐述了用HRXRD倒易空间图（RSM）测量，展示了JVX7300HR获得了可与同步加速器设施测量匹敌的工业生产监控用的高质量信号。RSM测量提供了有关类晶体管阵列结构中应变分布的附加有用信息。

Webpage of HRXRD systems for Si IC fabs:

https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/semiconductor-solutions/x-ray-metrology-for-silicon-semi.html