X射线反射和多晶X射线衍射技术 在半导体晶圆上氧化铪薄膜制程中的应用

         在半导体集成电路生产中的以氧化铪为代表的HKMG (High-k Metal Gate) 超薄膜制程中，常常用到X射线反射（XRR）以及多晶X射线衍射（XRD）两种测量技术分析和监控薄膜的生长情况。X射线反射技术可以用来测量薄膜中HKMG的厚度、密度以及粗糙度。X射线衍射技术可以用来测量薄膜中HKMG的物相、结晶度、晶粒尺寸、残余应力以及晶粒取向变化等。

         二氧化硅的尺寸缩减曾经被视为一种有效的方式来增强CMOS的性能。但是，随着半导体制程的不断减小到45nm的时候，二氧化硅的厚度的减少已超过其极限，高栅极的漏电电流会发生量子隧道穿效应。此时，二氧化硅不能有效地防止高栅极的漏电电流。所以需要采用高介电常数的栅极电介质取代二氧化硅。HfO2的氧化物由于其高介电常数及其综合性能被认为是最可靠的取代物。但是Hf的氧化物的结晶温度较低，很难直接集成到CMOS工艺中。因此需要在高介电常数栅极中加入N、Si、Al、Ti、Ta和La等金属。尤其是基于HfO2的电介质。

         目前，HfO2作为最具代表性的高介电常数的氧化物，已经广泛应用到45nm、28nm以及更先进节点的半导体制程中。其介电常数会受到HfO2的结晶晶相类型、晶粒尺寸的影响，需要进行制程开发、优化和控制。HfO2膜厚度仅有1-3nm左右，需要更为精确的测量和监控。HfO2膜在深度方向上，特别是上下界面位置处，又常常存在界面态。界面态的厚度和密度及其对材料介电性能的影响都需要加以优化和制程监控。X射线反射技术对厚度的精确控制优势, 和X射线衍射技术对晶体结构的辨识和解析能力 ，成为对HfO2薄膜制程进行厚度、密度、表面及界面粗糙度、界面层变化、物相、结晶度以及晶粒尺寸等参数的常用测量方案。而且X射线反射（XRR）以及多晶X射线衍射（XRD）两种测量技术均属于对晶圆片的无损测量方法，且可以提供定量结果，因此也被用于制程的自动化监控。

多晶薄膜的X射线衍射有三种测量方法：传统型粉末衍射(又称作广角衍射, WAXRD, Wide Angle XRD)、 薄膜用掠入射X射线衍射（GI-XRD， Grazing incidence XRD）和超薄膜用掠入射面内X射线衍射 (In-plane XRD 或者In-plane GI-XRD)。

         不同于WAXRD，GIXRD以极小的入射角入射，避免了待测晶圆中的很强的硅基底衍射信号对薄膜衍射信号的干扰。 X射线在半导体的制程监控中，由于薄膜的厚度考虑，通常会使用GI-XRD技术测量薄膜材料。

         但是当待测薄膜材料的厚度太薄时，一般指薄膜厚度小于10nm时，GI-XRD也无法有效测到薄膜的衍射信号。而且超薄膜内部存在择优取向特征也使得GI-XRD测到的衍射峰数量大大减少。此时，衍射峰数量不足，且衍射强度小，就无法实现有效的物相鉴定、晶粒尺寸的计算。这时候，推荐使用In-plane XRD。In-pane XRD模式的探测器在晶圆的面内移动。In-plane XRD 不同于GI-XRD和 WAXRD的衍射矢量在晶圆面外，其衍射矢量在晶圆面内。如图2所示。这样，对于超薄的薄膜，In-plane XRD可以收集到更多数量的多晶衍射峰、较高的衍射强度，就能够进行有效的物相鉴定和晶粒尺寸计算。

   图3为In-plane XRD和GI-XRD在超薄薄膜上的光谱对比。可以看出，GI-XRD仅仅捕捉到了一个清晰的衍射峰，而In-plane XRD在30°到40°之间以及50°左右产生了多个清晰的衍射峰。这些信号可以实现物相鉴定分析、晶粒尺寸的定量计算的需求。因此，对于10nm以下厚度的薄膜，一般都需要使用In-plane XRD测定其物相、结晶度、晶粒尺寸等。

         在分析计算HfO2超薄膜材料的晶粒尺寸的时候，In-plane XRD 也比GI-XRD的晶粒尺寸结果更为有效的反映出制程开发和材料性能的变化。 因为In-plane XRD获得衍射峰来自于与晶圆表面平行的衍射面, GI-XRD获得衍射峰来自于与晶圆表面垂直的衍射面。GI-XRD测量的是与晶圆表面垂直的方向上的晶粒尺寸。对于具有择优取向生长特性的超薄膜，垂直于晶圆表面的方向的晶粒尺寸受控于薄膜厚度，一般和HfO2薄膜厚度是一致的。GI-XRD无法有效关联和反映HfO2薄膜介电性能的变化。In-plane XRD的优势在于测量获得的衍射面均来自于和晶圆表面垂直的晶面，测量的是与晶圆表面平行的方向上的晶粒尺寸，不受超薄膜厚度的限制，可以有效关联和反映HfO2薄膜介电性能的变化，并用于制程开发和生产监控。

       图4为In-plane XRD在约1-2nm厚度、超薄的HfO2薄膜上的典型应用。可以看出，在不同退火工艺下，HfO2的物相、晶粒尺寸以及残余应力等会有变化。这些物理结构的变化也会导致其电性能的变化，从而可以建立一定的相关性。