首頁 技術文庫 先進製程新材料特性 就靠它來驗

先進製程新材料特性 就靠它來驗

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先進製程新材料特性 就靠它來驗

by ruby

發佈日期:2022/9/13材料特性驗證,
發佈單位:iST宜特

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)

材料特性驗證

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。

材料特性驗證, XRD
  • 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。

    材料特性驗證 ,電阻值變化

    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。

    材料特性驗證,鉑族金屬

    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。

    材料特性驗證 ,Ru薄膜分析結果

    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)

    Ru薄膜 XRD,材料特性驗證

    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。

    材料特性驗證 ,XRR

    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)

    材料特性驗證 ,ALD鍍膜

    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。

    材料特性驗證 , Kow K

    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。

    材料特性驗證, Ru薄膜殘餘應力

    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。

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