先進製程新材料特性,就靠它來驗

作者 | 發布日期 2022 年 09 月 13 日 11:00 | 分類 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


先進製程在材料選用、材料變更後,都須經過嚴格控管,才能確認品質是否穩定。那該如何驗證新的材料特性呢?

當 IC 元件尺寸隨著摩爾定律不斷地縮小,而達到物理極限無法再進行微縮的情況時,能夠解決的方式就是改變使用的材料,可以藉由更換更合適的特性材料,來提升元件低耗電、高頻率的特性。

在半導體製程中,牽涉數百道的製程步驟,一旦更換了材料,就必須考慮製程設備是否也需改變,設備變更後所生產的樣品是否堪用、品質是否穩定符合原來 IC 設計的規格,因此在挑選新材料的開發時期以及確認材料變更後的生產驗證,勢必要對此材料進行一連串嚴格的材料分析與控管,確認是否符合應有的特性要求。

本期宜特小學堂,將特別為您介紹一項在先進製程開發中,從材料選擇或材料變更的階段,非常需要的分析利器- X 光繞射分析技術(XRD)。

 XRD 原理

X 光繞射分析(X-ray diffraction analysis, XRD)是透過 X 光與晶體的繞射產生圖譜,並從圖譜資料庫比對,即可推論出材料晶體的排列結構、晶體排列的方式和奈米晶粒大小,以及單晶、多晶薄膜材料的結晶性分析等,為評估材料特性的一種非破壞式分析儀器。

一、如何改善 RC delay,提升 IC 的操作速度?

半導體元件製程基本分為前、中、後三段,其中在中、後段製程,與元件操作速度有關的是「金屬化連線」。

而為了進一步降低電阻-電容延遲時間(RC Delay time),一是可選擇低電阻(Lower Resistivity)金屬連線材料,二方面可以選用低介電(Low-K)絕緣隔離材料。早期在節點 0.1um 元件的改變,即是金屬連線從鋁(Al)材料更換為銅(Cu),降低了約 40% 的電阻;製程設備也從「物理氣相沉積(PVD)」改為覆蓋率較佳的「化學氣相沉積(CVD)」,另外也一直在選用不同性質的 Low-K 材料來作改善。

現在來到 10nm 節點(N10)以下的製程,金屬連線 Cu 的電遷移(Electro-migration)與熱穩定等特性也由於線路更小已無法進一步改善,圖一中說明了當金屬線間距從 20nm(N5)演進到 12nm(N3)時,中間金屬銅,受到阻障層(Barrier)與襯墊層(Liner)的壓縮,使得線路縮小至 2nm ,電阻值提高了近百倍(參見圖一)。因此,為了有效降低電阻勢必又一次得面臨更換材料。

▲圖一:金屬線間距從 20nm 演進至 12nm 的電阻值變化。
(from Paul Besser, ECS 2016)

很多用在催化劑上的鉑族金屬(Platinum Group Metal, PGM 週期表所示 Ru、Rh、Pd 等)(參見圖二),以及一些過渡金屬如 Mo、Co 等,都一直在研究是否可用來取代目前的 內部連線金屬阻障層,其中 Co 是第一個被採用作為金屬接觸栓塞(Contact plug)或襯墊層(Liner)的材料。

所以,在研發階段又是如何判定新材料的特性能符合需求呢?當這些金屬材料製作成數十奈米厚度或更薄的極薄膜(Ultra-thin film)時,需經過高溫製程,是否後續仍可保有原始的物理特性,以及其結晶行為與電子傳遞的關聯性,就可以藉由最基礎的非破壞性分析工具 XRD(X 光繞射分析),來提供相關的材料特性。

▲圖二:元素週期表中的鉑族金屬

二、材料的結晶性如何影響電阻值

在材料的結晶性方面,晶粒尺度除了與結構強度有關外,最重要的即是電性。一般隨著薄膜形成的厚度、溫度增加,相對應的晶粒會變大、晶界也就減少;當電子受晶界阻擋減少而移動變快時,電阻就會相對較低。

另外隨著退火溫度升高,晶粒也會成長,但當金屬線尺度越來越小,晶粒成長受限,結晶的方向就會影響電子流動的速度。因此在厚度數奈米以上的薄膜,使用低掠角 X 光繞射(GID)來分析結晶性就變得極其重要。

近來研究中最被看好的材料釕(Ru),因其高熔點、低電阻以及與 Cu 的附著性良好等特性,許多研究都一直不斷地進行中。

如圖三是厚度 40nm 的釕(Ru)薄膜,在經過不同溫度退火後電阻率(Resistivity)與結晶性分析的 GID 圖譜,可以看到 Ru(101)為優選方向,隨著溫度越高,(101)波峰的半高寬變窄,亦即晶粒尺寸變大,對應到的阻值也越小,即可驗證前面所提的理論。

圖四則是 ALD(Atomic Layer Deposition)成長極薄的 5nm Ru 薄膜,分別是在常溫與 400℃ 高溫處理後的 GID 疊圖,一樣可以看到在高溫處理後的 Ru 波峰也明顯變窄,即晶粒較常溫大。

▲圖三:Ru 薄膜在不同退火溫度下電阻率(a)與 XRD(b)的分析結果。
(from American Chemical Society. 2021, 33, 5639−5651)

▲圖­四:5nm Ru 薄膜在常溫與 400 度高溫退火後的 XRD 分析結果比較。
(from Integrated Service Technology, Inc)

三、與鍍膜速率相關的極薄膜厚度量測

此外,在 ALD 成長的極薄膜(Ultra-thin film)厚度,亦可利用 XRD 中的 X 光反射光譜(XRR)技術進行厚度分析,如圖五為在 SiO2 基板成長極薄膜Ru的反射光譜,經過軟體擬合(Fitting)的結果,除了可以看到 Ru 厚度是 4.33nm,另外同時也可以分析 Ru 的密度,以及表面與介面的粗糙度。

圖六則為 ALD 製程鍍膜 Cycle 數,與使用 XRR 量測所得到的厚度趨勢圖,明顯看出鍍膜速率呈現的是非常線性的正比關係。以上這些利用 XRR 分析極薄模的結果,即可快速地分析研究,提供 ALD 製程改善的依據。

▲圖五:ALD 成長極薄金屬膜 Ru 的 XRR 光譜圖與 Fitting 分析結果。
(from Integrated Service Technology, Inc)

▲圖六:在 SiO2 基板上成長 Ru 薄膜的 ALD 鍍膜 Cycle 數與 XRR 分析厚度之間的關係。
(from American Chemical Society. 2021, 33, 5639−5651)

四、非破壞性量測 Low-k 材料表面形成的電漿損傷

在相關新 Low-K 材料的部分,也有許多製程技術的研發,其中 Low-K 材料必須經過 Dual-damascene蝕刻、PVD 金屬鍍膜、或是表面處理清潔等,這些製程均會使晶片遭受到電漿(Plasma)的轟擊,容易發生嚴重的表面改質問題,即電漿損傷(Plasma damage)衍伸 IC 缺陷(defect)導致故障問題。

圖七為在 Low-k 材料分別進行 O2(左圖)與 He(右圖)plasma 的轟擊後,從圖七(左)TEM 影像,可以發現在 low-k 上層形成一較暗色的層次,而圖七(右),則是利用 XRR 分析出表面,形成一厚度約 17nm、密度較大的緻密層。

很明顯地透過 XRR 擬合(Fitting)結果一樣可以清楚得到 plasma damage 後,表面所形成的這一層厚度、密度,甚至是表面與介面粗糙度。若是接著樣品需要進行後續的實驗,就不能去破壞,XRR 即是唯一能滿足研發階段的最佳分析利器。

▲圖七:Low-K  材料分別在 O2  與 He plasma 處理後的 TEM(左)與 XRR(右)分析結果。
(from http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.79494: Plasma Damage on Low-k Dielectric Materials)

五、影響薄膜可靠度的殘餘應力分析

當 Low-k 與金屬膜材料重複堆疊且經過多次不同的製程條件後,就需確認薄膜受到的應力是否改變;尤其在薄膜厚度不同,堆疊薄膜密度的差異,就會產生內應力,再經過後續 CMP 製程的研磨,當局部有較大的應力集中時,極可能發生剝離或破裂的現象,因此就很需要了解其存在的殘留應力(Residual stress)。

薄膜在經過不同的堆疊,晶格平面間距會受到擠壓或拉伸,因此可以透過 XRD 量測繞射峰角度位移量(Δ2θ)的分析應變手法,搭配一個常用的數學模式(sin2ψ method),即可求出殘餘應力。

如圖八為 Ru 薄膜分別採用兩種不同的成長製程後,使用 XRD 分析 Δ2θ 後,所計算出來的殘餘應力,其中圖八(上)為樣品 A,求得的是 2.06GPa 的張應力(Tensile),圖八(下)為樣品 B,則是相對較小的 0.83GPa 張應力。

▲圖八:XRD 分析兩種 Ru 薄膜殘餘應力的結果比較。
(from Integrated Service Technology, Inc)

總括以上 XRD 與 XRR 在先進 IC 後段製程研發的助益之外,另外在前段的磊晶製程上可以經由 HRXRD 的分析技術,進行搖擺曲線(Rocking curve),或是倒晶格空間分佈圖(RSM)的結晶品質分析;其他諸如 contact 矽化物的結晶相、化合物薄膜結晶性與優選方向、多晶薄膜的殘餘應力,甚至多層薄膜厚度、粗糙度、密度等,都可以透過 XRD 的相關分析技術來一一尋求解答。(延伸閱讀: 如何利用表面分析工具,抓出半導體製程缺陷?)

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(圖片來源:宜特科技;資料來源:宜特科技)

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