通过同步辐射掠入射X射线拓扑成像技术，实现图案化硅晶圆中工艺诱导的晶格应变与宏观翘曲之间的定量解耦

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Quantitative decoupling of process-induced lattice strain and macroscopic warpage in patterned silicon wafers via synchrotron grazing-incidence X-ray topography

微观晶格应变与宏观曲率的同步定量分析及同步辐射掠入射X射线拓扑技术解决方案

　　

邱琦莫|赵长哲|周学通|程新红|李忠良|李正

中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料国家重点实验室，上海，200050，中国

摘要

在功率半导体器件的制造过程中，工艺引起的残余应力和晶圆宏观翘曲是影响器件产量和长期可靠性的关键因素。然而，传统的X射线衍射测量技术由于布拉格衍射的严格角度选择性，往往无法在高度翘曲的晶圆上获得连续的微观晶格应变分布，导致数据以不连续的“斑马纹”形式丢失。本研究提出了一种基于同步辐射掠入射X射线拓扑（GIXRT）的高保真测量框架，用于定量分离加工晶圆中的微观晶格应变和宏观曲率。通过利用光束扩展效应并实施多方位角度扫描策略，我们建立了从角度测量空间到物理参数空间的连续映射，有效克服了传统拓扑技术的采样限制。在200毫米IGBT硅晶圆上的实验验证表明，该系统实现了像素级别的定量重建，成功分辨了离子注入引起的晶格膨胀和相应变形。这项工作为先进的半导体工艺控制提供了一个稳健的无损评估框架，在应变灵敏度和空间连续性方面相比传统方法有显著改进。

引言

受电动汽车和可再生能源系统需求的推动，功率电子技术的快速发展对绝缘栅双极晶体管（IGBT）的性能提出了严格的要求[1,2]。为了降低导通电阻并提高散热性能，现代IGBT制造工艺转向了更薄的晶圆和更大的直径。然而，这一趋势加剧了晶圆翘曲的问题。过度的翘曲不仅会影响光刻对准精度，还可能导致晶圆在自动化传输过程中发生损坏甚至断裂[3]。除了宏观变形外，活性器件层内的微观晶格应力状态同样重要。特别是用于形成发射极和集电极区域的离子注入工艺，会引入显著的晶格损伤和残余应力[4]。虽然退火工艺可以恢复晶体质量，但残余的拉伸或压缩应力通常仍然存在[5]。这些局部应力场可以调节半导体带隙，改变载流子迁移率，并成为位错的成核点，从而降低击穿电压并增加漏电流。因此，能够定量绘制整个晶圆上的宏观翘曲和微观工艺引起的应变对于优化产量至关重要[[6], [7], [8]]。

当前的工业测量技术在同时表征这些耦合现象方面存在显著限制。激光扫描和电容传感器可以快速获得晶圆形状图（弓形/翘曲），但无法检测内部晶格应力和晶体缺陷[9,10]。微拉曼光谱具有应力敏感性，但由于点对点扫描速度慢，无法实现全晶圆映射[11,12]。透射电子显微镜具有原子级分辨率，但具有破坏性，且视野范围极小[13]。

对于近乎完美的晶体，X射线衍射（XRD）理论上应该是检测这种微小晶格扰动的最敏感方法。然而，当测试样品是经过复杂加工的半导体晶圆时，传统的X射线衍射测量系统面临严重的角度-空间采样瓶颈[[14], [15], [16]]。对于完美的单晶硅，固有摇摆曲线的半高宽（FWHM）大约为几个弧秒[17,18]。当晶圆发生宏观翘曲时，其表面法线向量在空间域内连续变化，导致局部入射角$\theta$迅速偏离布拉格角${\theta }_B$[19,20]。在这种情况下，X射线拓扑（XRT）有效地起到了角度过滤的作用，只捕获那些严格满足衍射条件的狭窄区域。这导致形成了被称为“斑马纹”的离散强度带[[21], [22], [23], [24]]。条纹之间的暗区域中的关键拓扑和角度信息丢失，使得物理场的连续重建变得不可能。尽管使用精细的点对点扫描的XRD映射似乎可以解决这个问题，但这种串行扫描机制严重限制了数据采集速度，对其实际应用造成了显著限制[8,25]。

为了解决这一测量缺口，本研究提出了一种基于同步辐射的掠入射X射线拓扑（GIXRT）系统。通过利用掠入射几何结构中的光束扩展效应，我们克服了传统方法的离散采样限制。我们提出了一种严格的解耦算法，将晶格倾斜（翘曲）和晶格应变（应力）的影响从衍射数据中分离出来。该方法在200毫米IGBT晶圆上得到了验证，揭示了与离子注入相关的特定晶格膨胀特征，并提供了晶圆机械状态的连续高分辨率地图。

方法概述

理论分析

为了充分理解本研究开发的方法论，有必要研究扭曲晶体中X射线衍射的物理原理以及传统方法的局限性，这些局限性促使我们采用GIXRT解决方案。

方法

实验方法经过精心设计，以实现高分辨率、无损的宏观形状和微观晶格状态的定量成像。

结果与讨论

利用所描述的GIXRT测量系统，我们对图案化的IGBT晶圆进行了角度扫描，并成功实现了从角度测量到物理参数的定量反演。结果表明，该方法不仅消除了传统XRT中固有的“斑马纹”欠采样问题，还对埋藏的晶格缺陷具有光学敏感性。

结论

总之，本研究确立了同步辐射掠入射X射线拓扑（GIXRT）作为一种强大的方法，可用于同时表征工业功率半导体晶圆的宏观翘曲和微观晶格应变。通过实施多方位摇摆曲线成像策略，我们成功解决了“斑马纹”欠采样问题，实现了200毫米翘曲IGBT晶圆的全场定量测量。

CRediT作者贡献声明

邱琦莫：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，研究，形式分析，数据管理，概念化。赵长哲：验证，形式分析。周学通：研究。程新红：监督，项目管理，资金获取。李忠良：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。李正：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了上海市科学技术委员会（14JD1406400）、国家自然科学基金（62504236）、东部人才计划重点项目（QNKJ2024057）、上海博士后优秀计划（2024697）、中国青年创新促进会以及集成电路材料国家重点实验室自主部署项目（SKLJC-Z2025-A02）的支持。