TW477018B - Apparatus and method for texture analysis on semiconductor wafers - Google Patents

Description

477018 五、發明說明（1) 【發明之背景】 【發明之領域】 本案係關於半導體製造之領域，更特別地係關於晶圓上 多晶材料之結晶結構測量及分析系統。 【發明之背景】 單晶之物性，如電氣性質、彈性、磁性，係直接相關， 且通常分別以第2、第4及第6級之張量表示。因此，單晶 (稱之為晶粒或液晶體）凝集體之多晶材料具有異向性。關 於樣本固定坐標系統，巨觀樣品之異向度取決於其微晶體 或結構之順向分佈。 舉例言之，大部分用於半導體之薄膜金屬X加工使得成 長表面之晶粒具有較佳之順向度，使用於積體電路之薄膜 結晶結構及個別結構嚴重影響其可靠性及性能，也可能被 製造過程所控制。結構之重要性之討論及構造控制方法之 揭示係在於一論文題目為「半導體金屬cx之巨觀結構之控 制」中，J.M.E， Harper， κ·Ρ· Rodbell， J· Vac· Sci·

Technology， 15 (4)， 763-779， （1997) 。 · · 心ϊΐΐΚίΐ: 一種以嚴各數學方式來描述構造 對應之早晶性質來計算1毽1質之順向分佈方程式 〇: F之實驗測定普遍地係僅以順向之破壞 耗展末 與大量個別晶粒之體積來進 1耗彳貝測里 分析可產生一特有之〇DF。 對於忒樣本，隨後之數學 X —射線繞射係為一種廣為 知之技術其係用來測量

7 五、發明說明（2) 物例如，H.P. m u. —der，之 之表面1光=二‘，Wliey & s〇ns， （1 974)。從多晶材料 4 Λ匕 到構成多晶材料之微晶體之大小， 之直接資料。撞擊在材料上之X光以各種 成為1射χ:Λχ特建設性干涉僅f生在散射χ射線 前述資料係以繞射X _射：強5 : :結間及順向。 耵綠強度對來自入射線之繞射角度 / :=不。來自結晶構造之建設性干涉產生最大強度 古亦稱為繞射峰。一個材料結晶結構之每一個特有群组 具有:個發生於特有角度之聯合繞射峰。 測量多晶材料物性之商業χ光繞射儀器有报多，包括 hilips Analytical X-ray, Bruker AXS, Rigaku nternational Corp. , Scintag Inc., Bede Scientific :c·、等公司所製造，然而，使用這些系統來測定結構， 虽可仃，但耗損時間、缺乏充分解析度、且僅限使用於較 小：導體晶圓。更甚者，這些現有系統含有固有的限制， 使得其要轉變為大型未切割晶圓（如2〇〇毫米直徑，及最近 之3 0 0毫米直徑）之_高速、高精密測量工具是有疑問的。 在f導體晶圓構造分析的技術層面，測量速度、可得到之 測量解析度及可應用之晶圓大小。仍有限制。 在X射線^射儀益中’使用一種面積X ~射線偵測器可 明顯增加結構分析之速度，但在構造分析上，面積X 一射 線偵測器現令並未有效地使用。這主要是因為，其係使用 無法有效使用所用由面積偵測器所記錄之繞射資料之傳統 89115227.ptd 五、發明說明（3) :構：2:定之故。該結果測量之時間依舊相當長。因 偟ϊ Γ而要過多之測量時間，更少樣本被分析。 晶圓(如已設於χ -射線繞射系統中，以繪製大型 曰曰 〇 5 0笔米）表面上之結構圖豆& 可最有效的使用由面積賴測哭所彳曰夕植、6也並不疋5又汁為 動控制系統也趨於複雜且昂卩二，射資料。如此之傳 Λ 統轉變為繪製較大晶圓的結構(藉著增加 、，、。構繪製階段的大小），仍然是非常無效率、複雜、昂貴 =。在現有的儀器上，尚未達成晶圓傳動系統(用以 、、曰衣整個晶圓表面）和面積χ射線偵測器有效的結合。 此外現有之、°σ構分析方法學並不適用於具有清晰結構 之新一代材料（如：多晶及晶膜薄膜，或超導體）。這些方 法缺乏所需之解析度，無法充分利用樣品及為了加速測試 :晶體對稱"亦無法充分利用現代計算能力。以現有結構 又面分析方法學無法有效利用所有來自面積义—射線偵測 器記錄之繞射資料。雖然使用現有商業χ 一射線系統之結 才^刀析疋夕樣化的，但部是冗長、緩慢、且需高度訓練之 刼作者。現有之系統不適用於商業生產操作上所需之大型 樣品之通量速度及自動化操作。 以更詳細之角度來考慮結構分析及該技術層面，順向分 佈函數（ODF) ^即結構定量測量，可以G—空間描述，其中 代表樣本參考系統之個別結晶度之順向度g，可以用三個 獨立參數表示之（通常為角度）g = { α、万、7 )。圖1 G —空間之示意圖。ODF之直接測量方法並不存在。而〇df ’、 第8頁 89lJ5227.ptd 477018 五、發明說明（4) 之實驗量測則如上所述是可能的，其係藉由破壞性及耗時 之測量來測定大量個別晶粒之順向度及體積，而產生一獨 特之 0DF(見於 K· Lucke，H· Perlwitz，andW. Pitsch， 丨丨 Elekronenmikroskopische Bes t i mmung der Orientierungsferteilung der Kristallite in geval tztem Kupfer，丨，Phys. Stat. Sol. 7 ( 1 964 )， 733-746，和F· Wagner「藉個別順向度測量測定構造 (Texture Determination by Individual Orientation Measurement)」在構造分析中之實驗方法（Experimental Techniques in Texture Analysis) ， ed· H· J· Bunge (DGM， Oberusel， 1986) ，115-124 。 較實際且非破壞性實驗方法為結晶體積之直接測定法， 並3個角度參數中的2個固定，而第3個則在所有可能值向 變動。此為所謂的極像圖測量。接著，可從一些極像 圖（極像圖轉換）計算而得。「極像圖」一詞係為此樣本坐 標系統中，某種物理量之強度分佈。極像圖之測量最普遍 係得自於繞射（X _射線，中子或電子的繞射）。在此例子 中，該測量之物理量係來自於一組特有晶體平面之X光繞 射強度。來自實驗極像圖之0DF之再現係為定量結構分析 之中心問題。由Bunge(H· J·材料科學之表面結構分析 (Butterworths, London, 1982)) ^Roe(R. J. R〇e, 「多 晶材料多結晶順向之敘述。（瓜）極像圖轉變之一般溶 Matthies(S· Matt ies，"來自極像圖之表面結構之順向分

89115227.ptd 第9頁 477018 五、發明說明（5) 佈函數的再現性（影像重疊現象）"phys. stat. s〇i. (b) 9 979 ) ’ K1 35〜Kl38)開始的工作已有較新方法接續 aWllk，Phys· Stat· Sol· (b) 1 24 ( 1 986 )，477)。 ==圖測$之實驗方法可分為兩類·· 〇常數繞射向量方 > )一可變繞射向量方法。纟常數繞射向量方法上，係如 回 不/樣本係以每個樣本方向接連地以繞射向量方向 =^旋轉此至少需要二個獨立樣本旋轉。通常，極像 圖測$之固定繞射檢測器係使用如圖3之四軸測角器，立 ΪΓΛ獨/樣本旋轉，w，0和χ，及1種债測器旋轉。此 二。二：、了描瞄樣本之所有方向可以許多不同方式結 I 般之方法學是固定w，並在0—360。的範圍内旋 在9G。的範圍内轉轉χ。實際上，由於在較高 =斜角\之南失焦誤差，X之最大值下降至75 — 85。 q旋 車低於90時會產生一所謂的不完全之極像圖。一個完整 之，，圖可以由美國試驗及材料學會標準E81 ~ 96， 「製 Γ = = f像圖之‘準測試方法」中建議之透射和反射測試 i目r ΐ:⑨。如此之方法需要一非常薄之隔絕箔，因此 方法而言是不實際的。每次僅有-晶體私 ,、1、 力，繞射檢測方法中每次僅使用一晶體反射。 在=例子中，該點偵測器固定在2 0 ，以對應於一個特有 晶體面。 在可變繞射偵測方法中， 旋轉的。該樣本僅經由一個 使用於電子顯微鏡之電子繞 該入射及繞射光束是跟著樣本 角度來旋轉。如此之排列通常 射。上述兩種極像圖量測方法

477018 五、發明說明（6) 母次皆僅能测量一個極像圖。 雖然極像圖為連續函數， 3 ^ 完成。該設備與上述之量^二里係由一連串不連續步驟 用點偵測器需要大量連續掃描f:最：缺f在於’由於使 為了保持測量時間在一合理：；’所以相當緩慢。通常 是在位移（step)5。内掃;;里之^圍/卜極像圖在必幻之時 幾個小日寺。舉例言 <，在4時間也需要 置r在V二 置(在位移5。將為〇。〜36。。）及17X: 寺為°。〜85。）。假設每個位置需要 :間秒，則每個極像圖之資料收集之總 知广 4。而一個立方材料之〇DF計算，通 ^ ·小 總計需花費1 〇· 2小時於資料收集上。這而個時間還^則 之必須修正及計算0DF之電腦操作時間“而射 =^長串步驟，因此，單獨使用點偵測器而得極像圖泰 要過夕：測量時間為先前技藝之顯著缺點。而另一個顯j 之缺=來自於：對於高級表觀構造材料，位移為5。之掃 描會m漏重要資料5而此方法需要長測量時間。此類材料 在1〇 °之範圍改變劇烈，因此需要較高之解軒 一 f測量極像圖之方法是使用固定在2 6»位置之點掃描 ^ ^ 其心示繞射能量（光學，X —射線，電子等）之積 分強度。在近1 〇年，位置感應偵測器在表面結構分析有'〜 些應用限制（L· Weis lak，H· J· Bunge，使用位置感應偵 第11頁 89115227.ptd 477018

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值之一個範圍（因χ之範圍遠大於0之範圍），此與連 續地，集數個不完全極像圖相等，這比必須連續掃描相同 角度範圍之點偵測器需要的收集資料時間短得多。 八另一個使用面積位置感應偵測器之主要優點為完整的峰 分分圖及背景分布圖之記錄，而不是如從一點偵測器所得 =一個點之積分強度。因此強度可在完整峰寬作積分，而 月景散射可被去除。此致使大幅增進強度計算統計及降低 測量誤差。 、作為說明例但不作限定，一種適用於多晶材料表面結構 分析之面積X —射線偵測器為一多金屬絲比例計量器，例 如：該裝置係由Bruker AXS所製造（Madison, WI， 608-276-3 047 )，商品名為 HI-STAR aBruker 也製造一基於 Η I -STAR偵測器之完整X —射線繞射系統。其出售之產品名 為GADDS( —般面積偵測繞射系統）。此HI_STAR偵測器之特 欲為有極高之靈敏度及結合一半徑為丨丨· 5 cm之總偵測面 積。與其他型式之X —射線偵測器比較下，多金屬絲氣體 债測器具有較差之角解析度（目前為約丨5 〇 # m )，但對於結 構分析’尤其是多晶薄膜，靈敏度一般是比角解析度來得 重要。HI-STAR偵測器之大型2 — D面積容許在X角度和2 Θ 角度之大範圍下，同時收集繞射強度。圖4所示為使用 ΗI - STAR偵測器之銅箔上收集之X —射線繞射資料。 在面積偵測器上之2 0，X之確切範圍取決於其與樣本之 距^。隨者面積彳貞測器移近樣本上之輻照點，在面積偵測 器上之2 0 ，X，0之角度範圍增加。隨著面積偵測器遠離

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輻照點’在面積侧上之2Θ X ’ A之角度範 及Ϊί商iLiGADDS，X —射線繞射系統之結構分析協定 / 八美供如傳統繞射計般，一次僅一個反射作用 質上迫使使用者重回及重新=系 门:弟一或苐二次反射作用在分離步驟中來分析結構。 :ί:ί;Γ器可能在任一框架，，來收集數個繞射 峰貝Λ，该-貝料不是同時地被分析。 貫際上，從極像圖再製造之ODF僅能以數字解答（盥分解

的數學的解答對照）。為結構與幾何物質而發展出之分析 法，為歷史發展已充分使用於實驗極像圖之5。位移。對 於此5。位移之主要原因係在資料收集時間之實際限制及 電腦能源之限制。 提供給結構偵測器之商業上可利用之軟體（Bruker AXS，

Phillips, Rigaku’ Scintag，Seifert)或僅為一套裝軟 體’（PopLA {寧可順向度套裝—L〇s Alamos，U. F.

Kocks, J.S· Kallend，H.R. Wenk，A.D· R〇net，和 S· I. Wright，Los Alamos 國家實驗室丨，Beartex {Berkeley 構造套裝’在 Berkeiey 之 California 光學}，

LaboTexiLabosoft，Krakow，Poland})對於〇DF 分析， 使用5 °解析度來測量極像圖，自從不使用現代計算能力 之异法’或计异日守間為數分鐘，且速度亦不適宜。降低該 位移至1。將會增加1 2 5之因子之計算時間，對於今日許多 高度構造之工程/電子材料而言，並不切實際。這些材料

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五、發明說明（11) _ 為了保持晶圓排列，整體晶圓移動 係因除了支撐其他移動平台α、工制之饧格相當貴，其 供樣本X旋轉之大型歐拉搖架。1和/ )外，尚使用提 固定150釐米Χ—γ繪圖平台之 β、、可由現行之選擇配有 之高價位加以證實。將之对^ ruker 1/4圈歐拉搖架 …，綱髮米晶圓心大，一 苐二個缺點是在面積偵測器與樣品蔣。 之間需要大的間隙距離。而為^所 “ 口之預期組合 與平移自由度，該面積備= 測器太過於靠近移動平台、7相田遂。如果偵 運行之較遠範圍與面積偵測哭/動平台）將會在樣本 測量位置之間具有大距面2測器和在樣本上 獲得極小之她範圍。因:心任-位置 系統越來越像使用點仙」：:4仃/ j則量。本質上該 積偵測哭之#赴# +$丨 、圈掃描繞射儀，面 積之優點很少被利帛。如果 土 近測量點，在僧測器上之2 Θ及乂之、J 被置於極# 然而’在高級剖面極像圖中曰圓=將會相當大’ 限制的。 曰曰®之移動將會是嚴格受到 因此，本發明之一目的為提供一個結晶姓 導ϊ(色例為速，以高準確度測量結構：能放在乂型半 二“例如。董米)晶圓之完整表面二 太：日 不用特殊技能及訓練之操作者。 -日之另-個目的係、對在晶圓上m才料（例如： 第16頁 89115227.ptd 477018 一、發明說明（12) 在半f體晶圓上之金屬内接線），提供定量結構資訊，立 比先丽技蟄可能使用之結構繪圖系統更為快速。、 ’、 之ί:明目的係在於提供一具備非常快速構造測量 之系統，其在商業上半導體製程操控上， 品質管制i，容許構造分析之自動化使用。…及一 本發：之更深遠的目的在於提供測試 囡（如：200及300鰲半、夕. 虹王往人日日 本發明之#城a B 表面任一處之結構繪圖資料。 ui ^ ^冰遢目的在於提供一結構繪圖資料，其且有古 U ’更佳是在0及X方向!度或更小的位移。…、有- -個ΙΓίίίΐ目的在於提供-結構繪圖系、統，並可在 其他之目的及優點將會在隨德2作者。 中更完整的揭露。 後揭不及附加申請專利範圍 【發明之概述】 本發明經由使用一面積x〜射· 先前姑菽 、 射線偵測态’相較於借十 =技藝之獨特晶圓移動組件；—個介於 2在 關Γ广貞測器與測量下之晶圓間之特別固定iL， 目的。 表面結構分析協定來達成上述之 曰=些特點的結合可在更短的時間，整大 曰日圓之任何處提供了更多的構造次、^半導體 及價袼較低之設備，並且具有^ 較不複雜 分析設備更高的準確度。、 、又目 射線構造 相較於傳統使用於構造繪 477018 五、發明說明（13) 線偵測器之使用，大大地降低了在2 Θ方向及χ方向之 大範圍中資料獲得之時間。多重繞射弧可在單一偵 ς 架中獲得，可同時降低資料獲得時間及增加準確度 與一般之X —射線表觀結構分析設備相較下，本"發 用一不同的晶圓移動組件，其以不同次序排列以容&許面積 X—射。線偵測器接近樣本。此使2 β和义之大範圍能被面、 偵測裔所記錄而仍然可在完整晶圓表面上繪圖。 、 本發明另一特徵係在於Χ —射線光束源和θ面積χ _ 測器是排列在謹慎選擇之固定空間位置（2 0和义之固定、 離），其係為使用特別地晶圓移動組件之最佳 本發明系統使用分析之重要材料組之最佳積、。 ^ 2 Θ疋轉平D。去除這些移動平台大大地 顯地降低了其價格。 糸、，死明 &ίΓ二:為利用一可同時在债測器面積記錄所有 反射先而为析该繞射資訊之構造分析程序。此可使嗜 χ角:密：合及0 D F值和來自剖面極像圖之結構的體 數之计二。戎結構分析協定明顯地增加了2 —D面積X —射 線偵測器對半導體晶圓之結構繪製之效效 了”取得時間。其亦可在具有尖銳結構之 個疋里、纟D構分析。此新分析協定本身 射線面㈣測器之任何型式之結構分析，並 體晶圓繪圖。 儿个匈I艮於牛導 所有這些特徵以極特別方式結合於本發明之儀器及方法 第18頁 89115227.ptd

H//U10 五、發明說明（15) 有晶圓移動平台，亦在關鍵位置。曰 列次序由上至下排列·· 0旋轉，=0之移動平台係以下 動，及Υ線性移動。這些晶圓〃直的）移動，1線性移 得到極精密之晶圓移動， 動係以如此方式構成，而 點75。 该面積谓測器極接近晶圓測量 j然以下係、敘述關於本案之 動集合體係包含三個相互 乂佳八體例，其中樣本之移 連接至一個旋轉平台，本 2性平移之移動平台，有效 動方法來操作，例如樣^ y使用其他樣本之有效移 等，均可提供樣本在結構八 I、裔人，動態移動支撐結構 樣本之有效移動方法意^ ，自然而廣闊之移動。 移動。該樣本係以薄晶g 〇仃平面移動一在樣本之平面 一個相對的樣本平面。曰、他平面結構形式，而定義為 本平面，且該樣本不能於在表觀結構分析之移動係在樣 :太更佳的為，所有樣本移結構分析之樣本平 樣本移動集合體般 動句疋在平面上π移動，如同 '本發明之裝置少了 Θ — 2 <9測角器之歐拉冓造&分析系統之中提供χ旋轉及 為、置於距離測量點較$木。這些移動平台迫使面積偵測 動。這增加之距離^ ^距離，才能在晶圓上作完整之移 在每個偵測位置上，χ父慢的分析，較多之連續旋轉，及 平台也提高了晶圓移及2 0之極小之角度範圍。此增加之 在本發明的操作上之仏袼及複雜性。 在一固定幾何位置，石’ ~射線光源50及偵測器60排列 確貫降低2 0及X之總可視角範圍，因 89115227.ptd 第20頁 477018 五、發明說明（16) 為偵測器6 0無法移動。然而，其容許偵測器6 0放置於極靠 近測試晶圓7 0上之測量點7 5。此容充在偵測器面積中有較 大範圍之2 0及X，因此需要較少之連續偵測器旋轉。藉由 最適化此分析協定及限制此系統只分析某一特定類別之材 料，可獲得完整之結構資訊，而不需在2 0及X方向，有多 餘的偵測器旋轉。 在本發明中， 統係為最適化的 放置於極特有之 範圍上。 係可由一 得。此新 測器6 0得 移動之不 移動。此 結構部分 抓取一 新穎及 穎結構 到最有 足。結 分析可 之體積 2 Θ及X之 ，其係藉 固定位置 組所需之 較有效率 分析協定 效之使用 果導致較 從數個部 分率。 固定範圍，對 由將偵測器6 0 。藉由在每個 晶體反射作用 型式之結構分 為本發明之一. ’補償了現今 决之結構分析 分（剖面的）極 於一特別之材料系 及X —射線光源5 0 反射作用之較佳X 結構資料之最大量 析的測量過程而獲 部分。其使面積偵 設備未使用2 0及X 及較不複雜之晶圓 像圖來計算0DF及

此係由一可能包含 機’積體電路，計算機之組件微處理

:協定來測定及輸出結構資料射特徵之結構分 適當之形式具體化，如以一般：靦-構分析協定可以 2作軟體。或者該協定可以是— 式數位電腦之 $中之硬連線，具體例為韌體 計算機組件迴 如在樣本表觀結構特徵之連線 J &網站上的運算程式。

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89115227.ptd 第22頁 4//018 五、發明說明（18) 計，需要長的收集時間。 較為有利的情形是，面積X —射線偵測器6 〇儘可能地接 近在晶圓7 0上的偵測點7 5，同時維持有效角解析度，及直 晶圓移動平台在其最靠近偵測器位置之有效間隙。在所有 組件（晶圓70 ’偵測器60及X —射線光源5〇)排成一列之空 間中，測量點75固定在一個位置。此為樣本上真正的繞射 體積而移動平台以不同位置移動，測量點本身是不移動， 而是固定在空間中之一個位置。 晶圓之上表面之高度或” Z，’的位置總是固定在同一值， 所以晶圓只在X — Y平面（水平）上移動。z軸平台3〇僅用以 確定測量點75可一直維持在相同垂直位置，而不管晶圓之 厚度。對於銅（1 1 1 )( 20 0 )，及（220 )反射之最適當2 0範圍 是約38 ^到80。。從測量點75至偵測器60之最短距離係受 限於曰曰圓本身大小。舉例而言，2〇〇 mm晶圓會使^—^^偵 測器無，放置於更近於距晶圓中心〜丨2 cm之位置。如圖6、 所不，貝際上，面積偵測器6 〇之部分低於晶圓平面，因為 較佳反射發生在較低2 Θ角度，及债測器6〇之整個尺寸通 常比有效偵測面積65大得多（至少在1114以1^偵測器之例子 中）。 為了放置偵測器靠近測量點，晶圓移動平台的等級及選 擇足重要的’對該設備之此需求是能在測量點75，在晶圓 7 0之任何位置進行結構分析，且可在測量點以0方向旋 晶圓。0旋轉意即在晶圓平面上旋轉。藉由堆疊二個 地排列線性平台和旋轉平台，在晶圓上所有位置均可達到

477018 五、發明說明（19) 所有4旋轉。在工業上放置X和丫線性 台上俜為一般技蓺。c/)浐結1 ^ 移動在0疋轉移動平 :上係為般技0 0旋轉平台之旋轉中心通常直接排列 在測董點下。在如此組態下，晶圓上之任何 平台達到，且該位置將會在0旋轉期間保持在光：二:y (在晶測量點），0為’ 0旋轉移動之中心總是在測量點；。 積豎X及Υ平台於旋轉平台上之缺點為：需要大人 測器及測量點間之距離’此明顯地降低了㈣測哭 X及2 Θ範圍。Λ因延展線性平台而產生之大的搖擺‘：， 有效地加大了旋轉平台半徑。 卫 在本發明之操作上，係將旋轉平台4〇置於 为別為20及10)之上，而不是在他們的下方。總0旋： ，也限制到180。而非完整的3 60。。此構型容許：：： 裔6 〇儘可能地靠近測量點7 〇之位置，而依舊可達大、/Jj 之晶圓移動。此與最近實際使用之商業用χ _ 角度 構繪圖儀器相反。藉由放置旋轉平台於X —γ 規、、、口 5 ’搖擺半徑不會大於旋轉平台本身之尺寸， 放在罪近測量點75之位置。由於此種排列，0旋轉平二 之旋轉中心並非總足低於測量點75。因此， ° 40 匈 j 置琪丨j 曰 圓上特定位置之不同0角度，X和Y平移必須與每一必於曰曰 ” J。例如’在晶圓70上，除了其中心外之任何位J轉 母=入^ 0改變’晶圓位置將會平移離開測量點。—個特 之X及Y平移可使用於返回至測量點的位置，而不必改織 角度到樣本旋轉位置。 又 圖7描述在一晶圓之極限邊緣位置之1 80。0旋轉， 1示

89115227.ptd 第24頁 五、發明說明（20) ;=;6。靠近測量點75。藉由限制在晶圓上任-點之總 ^圍至18〇。，從測量點75之谓測器6〇之最大水平移 動略比晶圓半徑大（亦即；對於2 0 0 半徑晶圓，僅超過 1〇〇_)。若使用一個完整360。旋轉，自測量點75之摘 器60之水平移動將需略大於完整晶圓之直徑。因此，為了 保持摘測器60靠近樣本70，本發明限制必旋轉至18〇。。 ,^ ^ 甘个N牛徑位置會造成介於0和360。 (基於某些在晶圓上0之零位置）之0值之不同18〇。區帶 由於0之180。範圍，在晶圓7〇上之任一位置，至少一個 極像圖之完整四分圓（9〇。）將—直被記錄，對於具有4權 對稱之立方材料，0之最小需要範圍為9〇。。 在本發明之較佳具體例中，2 0和又之最佳範圍導致 H^TAR横測器60降至晶圓70平面下（如圖6)。為了保持偵 測斋6(M班可月b地罪近測量點75 ’ i由於偵測器6〇在晶圓 之平面下，故在晶圓任何位置（除了晶圓中心 =:=〇。。由於該依據本發明之分析演算法利 用樣本及曰曰體對稱性，所以，0旋轉為18〇。是足夠的。 本發明ΐI應用在—面積偵測器上，其係夠小型而可完 王置於日日°面上，且如此之大小使其能記錄相等之2 0 和X範圍。使用如此之偵測器，0旋轉36〇。是可能的。若 如此要求的話，若要將„σγ線性平台置於旋轉平台上也是 可此的^ ^明之肓料獲得方法及結構分析協定係可應用 在如此之面，偵測器上，其係保持在晶圓平面之上。現今 並無具有適當尺寸’形狀及擁有必須靈敏度之面積偵測器

五、發明說明（21) 存在。在兩個例子中（偵測器在晶圓移動平面上，或平面 :)^2 Θ和X移動是被排除的，χ —射線光源及偵測器設置 在固定位置，且使用相同的結構分析協定。 使用所述之移動平台（10、2〇、3〇及4〇)和固定位置之χ —射線光源50及面積X 一射線偵測器6〇之組合，對於⑽f 現之準讀度而言’特有晶體反射及X記錄之範圍可以被最 佳化。在銅之情況，Cu(lll)反射在20=43.3。，

Cu(g2 0 0 )反射在2 <9 =50· 4。及Cu( 2 20 )反射在2 0 =74· i。 ^提供一例證明在2〇0麵晶圓上，偵測器距離測量點丨2⑽ 犄，可由HI-STAR面積偵測器觀察到三個較 偵測器的中點係位在χ值非零位置，而不是在χ=〇。:位 置，μ如此以致對每個被觀察晶體平面而言，被偵測器覆蓋 圍是最大化的。若偵測器距離測量點75夠近，偵測 器X旦範。圍將會覆蓋整個85。X，而X是典型地使用於極像圖 =里然而’一個大型（如20〇腿）半導體晶圓會阻礙偵測 杰60放置太近，而使完整85。的X無法在一個偵測器位置 上被記錄。 产2距離1 2 cm時，面積偵測器覆蓋在每個極像圖上之χ角 ^ 制範圍’此造成截面極像圖，如圖8所示。在圖8 一 2個弧線代表在面積X —射線偵測器之一晶體反射的 每f 2射弧。對每一個（111)、（ 20 0 )及（ 220 )反射作用， 母 固读測器收集框架包含一個繞射弧。因這些部分極像 圖 5 0 D F 之 JB τα e 丹現疋不可能或具有低準確度及精密度。然 $復式半導體金屬化膜或圖案金屬化結構，典型地具

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第26頁

477018 五、發明說明一 " ' ------- 粒，ί %纖維（ACF)表觀結構，其中每個微晶體，或晶 之相^有平行於樣本特有方向（如垂直於纖維表面之方向） 砂曰=特有晶體順向度，且繞著軸不規則旋轉。在沈積在 α Π/上之銅毯覆式膜的例子，晶粒典型地具有一個 、（511)或（100)環狀纖維表觀結構。對一立方材 鋼，其ACF —〇DF包含約3〇00非等效1 —度微晶格子 Γ P 未知）。此3個不完全極像圖包含大約1 44微晶格子 的結^ i所以其實〇DF之再現性是一非鎖碎（n〇n_trivial) 在每一個極像圖上之區域（意即：微晶格子之數目及位 ▲贫继決於X _射線光源一樣本—偵測器之幾何位置。圖9 ^二成何位置，極性角^、久決定χ〜射線光源之位置； 又ad、0d決定偵測器之位置；d為偵測器到樣本距離， 而D為偵測器直徑。 此幾何學係以6個參數描述：X —射線準直儀的二個極性 角、债測器的二個極性角及偵測器半徑和至樣本之距離。 此6個參數使其範圍含蓋3個極像圖，提供〇DF之再現性之 必須及足夠資料，而達最佳化。 考慮兩個標準： MPDS(多層極性密度套組）是一必要之狀況，每單一順向 f必須是可決定的（K· Helming，「對定量表觀結構分析之 取小極像圖範圍」，結構與微觀構造，1( m。及u為此分析之例子。圖㈣示為—(個：二5為4)定 值橫截面（對纖維結構而言’所有的α〜橫截面均相同）。

89115227.ptd 第27頁 4/ /ins 五、發明說明（23) 母個/5 7座；^位置之數量，相當於來自每.朽後円 之特有位置的資訊總量ϋ貝無極像圖 兩個例子f-個二越问之數里表不越向之重要性。 佳幾何學。圖11為办、^何學’及一對銅膜最適化之較 性橫截面之立體ϋ、(2°0)、(22°)極像圖之線 (1 1 1 )、π 1 1 U Λ /圖’其極像圖具有相當於其上標記之 ψ m φ\ ^ ^ 0 )銥狀纖維結構之位置，及在立體投 置及圖1〇中之較佳方：：圖。圖11所不為對相同非理想位 ^ T〇DF ^ A ii ^ 位之面積X —射線偵測器之投影圖。 •I。圖10及11_ ，偵測器必須覆於必要結構組成之投影 可以：錄⑴;}不面=器？較佳位置是必需^^^ { 2 0 0 }及{ 5 1 1 }纖維的位置0 射角度U想例子及較佳例子，㈣器及X —射線光束入 〇。1 理想(σ，21·6。K，〜=21·6。，0d = 35較佳（m2。，0，〇。，〜=26.6。，0d = 介於真實與再製極像圖之誤差，必須不超過可接受限 否則所，之彳疋自截面極像圖產生〇])1?之方法將不會是有致 的。在薄金屬膜和不連接内接線之結構係以數組模型之姅 構來模擬，其變數為結構型態，、其體積分率以及清晰度、了 ，後，構模型ODFs及極像圖。接著，極像圖係以如模擬實 驗可得截面極像圖（如先前描述為一幾何測量函數）之方貝 法，係被π剖面的”。0DF及完整極像圖隨後被再計算，而

89115227.ptd 第28頁 477018 五、發明說明（24)

介於原始及再計算ODFs與極像圖之相對誤差之測定如下： 1 Ν \ cal ΓΜΓΛΙΓ moc* I RO{s)

N Σ I ODF :a丨- ODF r I ODF,' 100% 其中 ODFncal ODFnmc ^ .-1 K - PF; pp mod -100% 一自剖面極像圖再計算之ODF值。 一模型結構之0DF值。 一自0DFcal計算之極像圖值。 一模型結構之極像圖值。 I 一表示極像圖（I為開始0DF計算極像圖之數目，此例中， 1=3)。 j 一表示在極像圖上之點（J為開始計算時，〇DF上點的數 目）。 η —表示在順向空間中之點（N為〇1)1?計算點的數目）。 ε二表示各別R〇或RP計算得之〇DF4PF值上之數值水平。 這些誤差之最小值化係在X 一射線光源〜樣本—偵測哭 幾何學中，也就是在覆於每一極像圖上之面積，來進行％ 的 一個作為例證的結構，係由30%不規則、50%之 維、10%之（100)纖維及1〇%之（511) 、義=，=伤係以具有10。最大值半全幅之以⑽幻⑽函數來製 叶；1老二個5 π #輪嚙合係用以極像圖模擬及_ ί ^ Ϊ 測量幾何學（例1到例6)，其導致不同的實 驗極像圖之覆蓋範圍，其中一者所 、

PF

PF cal mod 477018 五、發明說明（25) 例1 搬 . 例3 備 例5 修— CUD 0°-60° 5°-65° 10〇-70〇 ί50-750 允。-80〇 25°-85° — (200) 50-55° 10°-60° 15°-65° 20°-70° Ι^β。 3〇°-8〇° ~ (220) 15°-50° . 20。- 550 25°-60° 30〇-65? 35°r7〇° ^10^75°^—' DF之相對誤差和極像圖測定如下： 相對誤差 例1 £112 例3 .· _ .例5 m RO(O.O) 11.8 12：7 15.1 13.9 ΊνΓ 19.5 一 RO(0.3) 11.6 12.8 15.0 13.8 13.6 2(Μ ' RP(O.O) 5.7 · 4.5 4.2 il 3.7 3.0 — .RP(0.3) 6.1 4.5 4.2 4.1 3/7 3.0 卜厂，7、^丄。川口π瓦〜竹我兴丹啕◦/〇 丘 < 裡 >]冢 圖再製之最佳測量幾何學。 結構測量之高準確度需要的是，具有最高可能準確度及

在^ ί ^中I ^度X和0之高解析度的極* _。GADDS面積X —射線偵測器具有夠高的9 θ β v 知 領Λ 第二極像圖坐標（0 )之角〜、干析度（大約0 · 15度）。 度。此刻度可藉由移動旋^二取，夬於樣本在0旋轉之刻 度）以0之解析度到達〇 ·丨5 / 〇具有〇 · 〇 0 2度之最小刻 於薄膜，1度之解析度係=之方式來作選擇。現今，對 高之解析度。 ' 夠但在未來，必須具有較 如··完整極像圖 與大部分使用者相關士 勹、、、構輸出資料，

89115227.ptd 477018 五、發明說明（26) 一線性圖（穿過極像圖之一維剖面圖）及表觀結構組成之體 積分率’無法從偵測器記錄之數個不完整極像圖予以直接 說明。首先，0DF必須由剖面極像圖計算得之。在多晶凝 集中晶粒之三堆分佈，可藉直接極像圖反轉或藉串聯膨脹 方法，由0DF (極像圖）二堆投影來計算得之。該串聯膨脹 方法{ (H· J· Bunge，材料科學中之結構分析 (Butterworths， London， 1982))， （R.J· R0e， 「多晶材 料中晶體順向度之敘述（Π )對極像圖反轉之一般解 法」）J. Appl· Phys· 36(1965)， 2024-2031 }}，使用 Causs —型式模型方程式之串聯膨脹方法（κ· Luke， J. Pospiech，及J· Jura， Z. Metallunde 77(1986)， 312)具 有固有的剖面誤差且不適用於清晰結構之分析（w·

Truszkowski， J· Pospiech， Τ· Pawlik， 「藉由Descrek 順向度分佈描述單晶銀之滾動表觀結構」，IC0T0M8，ed， J.S. Kallend & G. Gottsteln, TMS, P531-536, 1 9 9 8 )。此直接方法，包含向量方法（D. Ruer及R. Barro， Adv· X-ray Anal· 20 ( 1 977 ) 1 87)，Imhof 方法（J.

Imhof·，結構與微觀結構，4 ( 1 982 ) 1 89 )，WIMV方法（S.

Ma 11 i es，「直極像圖（鬼影現象）之結構樣本之順向度分佈 函數之再現性」，Phys. S tat. Sol· (b) 92 ( 1 979 )， K135-K138)，及 ADC 方法（κ· Pawlik，Phys· Stat· Sol. (b) 1 24 ( 1 98 6 )，477)導致誤差係涉及在極像圖中分離微晶 格子至在三堆順向空間之微晶格子之線性方程式組的下方 測量（under — determination)。在清晰表觀結構的例子

89115227.ptd 第31頁 477018 五、發明說明（27) 中，ADC及MIMV方法最佳（D· Raabe和K. Luke， 「藉由 Causs模型及標準方程式之使用直接計算0DF之ADC方法的 分析」材料科學討論會1 5 7- 1 62 ( 1 9 94 )41 3-4 1 8 )。 0DF計算協定係使用一任意刻度解析度（例如：1、2、3 及5度）且對環纖維結構之最佳化已經發展，且為本案之部 分。使用之方法有二種：改良式WIMV方法（S. Matthis及 G. W. V i ne 1「從降低極像圖使用有條件影像重疊修正之 構想於結構化樣本之順向度分佈方程式之再製」Phy s.

Stat· Sol. (b) 1 1 2 ( 1 982 )，Kill -120)和任意限制微晶格 子之方法（ADC)(K. Pawlik，Phys. Stat. (b) 1 24 ( 1 98 6 )，477)。圖 12 為ODF 計算之流程。 從ODF，任意常態化極像圖及直線圖可被計算。此外， 結構組成之體積分率是可估算的。一個順向度之體積分率 可由下式計算： 、 v

f 户（炉 ι，Φ，炉 2)* sin( Φ )d φ xd Φ d φ 其中^ 、 角（H. J· London, 構組成時 圖案結構 0及必2是以崩格標註（Bunge notation)之歐拉 Bunge，在材料科學中之結構分析（Butterw〇rths， 1 9 8 2 ) °當三個歐拉角之範圍相當於一特有之結 ’可用上述方程式計算總體積。圖丨3及丨4為對銅 ’使用此分析之例子。 本發明可應用在此所給的例子更大晶圓之例子中，如 300腿直技之晶圓。介於偵測器及測量點之最小固定距離 被j成較大距離，因此在每個偵測器外圍記錄之χ2 0及 Φ之總角度範圍將會較小。此將會在ODF再現上產生較

89115227.ptd 第32頁 咛/ /U丄ο

大口失差’但使用的方法學蔣Β 控制可使用相同移：ί:::;同的。極大型晶圓之移動 自商業供應者取得），/口^7合而完成（較大尺寸可輕易 在某些商業 的。有關特U向（例如平行可能是不需要 化之小角度移動將可提供具有最少資料 ，:構、交 矾。本發明也將同樣地應用此測定。 ” S之重要貧 雖然本發明己藉由具體例及特徵多方面揭露，但 是，上述之具體例及特徵並不打算限制本發明了 ^瞭解的 化、改良及代用交替具體例都可視為本案技藝之二他變 術。因而，本發明廣泛地推論，包含變化、改^ 般技 替具體都在隨後申請專利範圍的精神及範圍内^、代用交

89 ⑽ 27.ptd 第33頁 477018 圖式簡單說明 圖>1為順向度分佈函數之G—空間’即晶體結構定量分析 之間圖。 圖2係描述樣本旋轉方向及繞射向量之 極像圖測量之常數繞射向量。 關係，其係依知 器圖3為—四軸測角器，為先前技藝之典型結構測量儀 圖4為來自一面積χ —射線偵測器之單一 相對於鋼薄膜之三個結晶平面之繞射峰弧收集框采，顯示 3 $本發明裝置必要構成及空間排列之立 曰：為依據本發明具體例之X —射線面積福、目^回 曰曰，間的空間關係圖示。 積偵測器與200麵 4+ I 保持固定測量點而旋轉及移動之士別 射線偵測器限制 勒之大型晶圓與X — 圖8係描述之？，其空間關係之圖*。

線相對於—個射、：曰曰二平面之部分極像圖M，每 器收集框架中其中三個係在每-χ-射線偵： 圖9係為X 器之幾何關係Ϊ線光源，測量樣本及-面積X-射線㈣

圖1 0係描访、& 貝貝J 之例子，其^二型金屬化表觀結構之最小極點宓 何位置。 3 一非理想幾何位置及最適於銅^ 2 =分析 圖11為經過r J /較佳幾 其線性截面之★ 關於特有銅圈纖維結構位置之朽 旦〈〇 極像圖空間投影H，乃兮#罝之極像圖， 衫。 〜圖及该偵測器面積之机

89115227.ptd 苐34頁 477018 案號 89115227 年 月 曰 修正 90。ϊί· 一 9 圖式簡單說明 圖12係為計算0DF之流程圖，其係依據本發明之具體 例。 圖1 3為具有纖維結構之銅内接線，具有解析度1度時， 計算0DF之例子。 圖1 4為線性極點與結構之體積分率，及結合銅圖案結 構。 【元件編號說明】 10 Y- 平 台 20 X- 平 台 30 Z - 平 台 40 Φ 平 台 50 密 閉X- 射 線 光 束 源 51 單 色 儀 55 X- 射 線 準 直 儀 60 X- 射 線 面 積 偵 測 器 65 有 效 偵 測 面 積 70 晶 圓 75 晶 圓 測 量 點 80 視 頻 顯 微 鏡

89115227.ptc 第35頁

Claims (1)

1. 、申請專利範圍 面之—，結構繪圖系統，其係用以測量定義為处人 —_ ί平面樣本之晶體表面結構特性，而該ί:樣本平 量點Γ射能之準直光源，其係將輻射能指向樣本^ ^含： -個2維 ’則 繞射，> 面積偵測’其$錄來自樣本在測量點 定空間輻射能之準直光源及該2維面積偵測器係：能量 器的單二=存在，且足夠接近樣本之測量點，以在i固 弧； 貪料記錄框架（frame)内’記錄大多數之^亥射填測 - Km集其在樣本平面上平移樣本;及 的2繞::特，:構;建構及排列以產生來自❹ 其中 該輻 射能光：圍第1項之結構繪圖系統 3.如f射早色之X —輻射線。 其中 該單 色X〜幸5射月專利祀圍第2項之結構緣圖系统 能之準古I專利靶圍弟1項之結構繪圖系统，JL击 ，，以及旋轉移動平台 篆本移動集合體之相對 擇的’以利用該系統對直徑乂圍之程度’係可配合選 析。 〇咖之晶圓進行結構分 处5·如申請專利範圍第〗項之結構 此準直光源、2維面積偵測器和媒:’、、、、，其中，輻射 位置’以及旋轉移動平台之移。動’本移動集合體之相對 動乾圍之程度，係可配合選 _ι" ·· ‘ 89jJ5227.ptd 第36頁 六 申請專利範圍 :的’以利用該系統對直徑大至m_之晶圓進行、结構分 地結合在一起，且；：；互直角直線平移之移動平台有效 台，因此，當樣本結合於平移移動平台上的旋轉平 之任一點可&々说置放在旋轉平台上時，在樣本最高表面 上，直:Γ 置於具有任何旋轉順向度之該測量點 係在M36gK轉順向度之範圍，相對於參考旋轉順向度 移7動t卜ί利Ϊ圍第1項之結構繪圖系統，其中，旋轉 範圍、。口之動範圍的程度係限制在從0到1 80度或更低之 % ^申月專利範圍第1項之結構繪圖系統，其中’從2維 之結構資料之解射;b2〜V方Γ構 Λ機而得 外沒在」Θ及X方向，可測到1度或更佳 之解析度。 9·如申請專利範圍第丨項之結構繪圖系統，其中，從2維 面積偵^器圯錄的繞射能量資料，藉結構分析處理機而得 之結構資料之解析度，在2 Θ及X方向，可測到至少0.5度 之解析度。 1 0 ·如申請專利範圍第1項之結構繪圖系統，其中，該樣 本移動集合體係被建構及排列成僅能在樣本之平面上移 動0 11 ·如申請專利範圍第1項之結構繪圖系統，其中，該結

   89115227.ptd 第37頁 477018 年月 日 條正 ^0. 11 Q 六、申請專利範圍--"---—〜^±s9 ^刀析處理機係執行一結構分析，以 嚴袼剖面極像圖之_。 m…樣本的 12.包Ι=^ί^Αϋ〇Ι_^Μ_Ι^^^_ι_υ1^方 -ig機，以執行下列步驟 法 從實驗極像圖估算一順向度分佈s 從順向，分佈函數計算極像圖， 比較計算和實驗的極像圖， 估算誤差， 極函ίί:覆由”順向度分佈函數計算 止。 私序，及*估舁誤差在可接受範圍内時終 其不包括提 或任何θ〜 1 3.如申請專利範圍第丨項之 供X旋轉之任何歐.拔加π 1 . Ρ ^ ^ 人拉搖木（Eulerian cradle) 測角為之構成要素或裝置。 播1上Λ申:f專利範圍第1項之結構繪圖系統，其中，，姓 構分析處理機係刼r wt ’该結 及光源之固定空門：：1 “斤協定’以測量介於價測器 π ~間關係，及使固定角度最佳化。 . /J疋—結合樣本平面之一般平面多a槎士 體結構特性之方法，該方法包含. 夕日日樣本的晶 二照射在樣本上之測量點； 在單-資料記錄框架内_ ；、f足5近樣本之測量點以 射光源為固定办門。二夕數之k射弧，其係在對輻 在資料取；；關=测軌跡上； 传功間，僅在樣本平面上移動樣本；及 89115227.ptc 第38頁 477018

   自偵測繞射能量之繞射特性產生結構資料。 «·如申請專利範圍第15項之方法、 色X —輻射飨。 六、申請專利範圍 16 射單色X —輕射線 17.如申請專利範圍第16項之方法，其中，該單μ—輻 射線之波長範圍約為〇 · 5埃到3埃。 田 1 8.如申請專利範圍第i 5項之方法，其中，輻射能之準 直光源、2維面積偵測器和樣本移動集合體之相對位置， 以及旋轉移動平台的移動範圍之程度，係可配合選擇的， 以利用該系統對直徑至少20 0咖之晶圓進行結構分析。 1、9.、如申請專利範圍第15項之方法，其中，輻射能之準 直光源、二維面積偵測器和樣本移動集合體之相對位置， 以及旋轉移動平台的移動範圍之程度，係可配合選擇的， 以利用該系統對直徑大至3〇〇咖之晶圓進行結構分析。 20.如申請專利範圍第15項之方法，其中，該樣本在 Ϊ Ϊ:Ϊ Μ ’僅在樣本平面移動，其係藉由-包含三個相 妹入;^ j Ϊ平移之移動平台有效地結合在一起，且有效地 在旋轉平：之移動平台上之旋轉平台，因A，當樣本置放 且 〇上時’在樣本最高表面之任一點，可能被放置 声之=何軛轉順向度之該測量點上，其中，該旋轉順向 又21 1 ’相對於參考旋轉順向度，係在0到3 60度間。 台之移;1 專::範圍第2°項之方法’其中’旋轉移動平 22 士中圍的度係限制在從〇到18〇度或更低之範圍。 向，來0Λ晴專利範圍第15項之方法’其中’在2 θ和X方 Ά射能量之結構解析度，係可測量至1度或更佳

   六、申請專利範圍 之解析度。 其中，在2 0和X方 係可測量至至少〇 . 其中，該樣本移動 2 3.如申請專利範圍第15項之方法， σ來自繞射能量之表觀結構解析度 b度之解析度。 隹2^雕如.申請專利範圍第1 5項之方法，其中，兮 木口歧係被建構及排列成僅能在樣本之平面广樣；_ γ〜 能旦請專利範圍第15項之方法，” /多動。 =特性之產生結構資料的步驟係^ _一定，以量測來自樣本的嚴格剖= 26.如申請專利範圍第丨5項之方 ::的繞射特性之產生結構資料 :中’自偵測繞射 構”協定，*包括下列步驟：七係包含執行-結 :貫驗極像圖估算一順向度分佈函數， 攸順向度分佈函數計算極像圖， 比較計算和實驗之極像圖， 估算誤差， 改良順向度分佈函數及重覆由 極像圖開始之# 乂 ^产卜 新員向度分佈函數呼管 置任何歐拉搖架，或…—2Θ測角器之轉 At 28·如申請專利範圍第1 5項之方法，豆 月匕量的繞射特性之產生钍構f /、中，自偵測繞射 之屋生、’、.構貝枓的步驟，係包含執行一表 ^__ U326\2d-\89-l〇\89115227. Ptd 第40頁 477018 六、申請專利範圍 觀結構分析協定，以測量介於偵測器及光源之固定空間關 係，及使固定角度最佳化。 画_圓1 89115227.ptd 第41頁