CN102506773B - 检测晶圆表面粗糙度的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测晶圆表面粗糙度的方法，包括：提供同一批次的多个晶圆；挑选连续n片作为待测晶圆，n是晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍；利用在线厚度测量设备，在每个所述待测晶圆表面上选择h个测试位置，得到实际反射光谱；根据实际反射光谱和预设的薄膜堆叠模型计算出每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的薄膜厚度，并根据薄膜厚度和薄膜堆叠模型得到理论反射光谱；计算实际反射光谱与理论反射光谱的拟合度；设定最小拟合度；对比拟合度和最小拟合度，判断粗糙度是否合格。通过本发明实施例提供的方法检测晶圆表面粗糙度，能及时发现表面粗糙度不合格的晶圆，灵敏度高，漏检率低，节省成本。

Description

检测晶圆表面粗糙度的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种检测晶圆表面粗糙度的方法。

背景技术

由于晶圆各层的表面粗糙度会影响最终产品的良率(Yield)，因此，在半导体制造领域中，及时、准确地发现表面粗糙度不合格的晶圆以及时改进工艺并避免不必要的后续流程所造成的浪费，对良率提升(YieldEnhancement；YE)和节省成本十分重要。

目前较为常见的检测表面粗糙度的方法有：比较法、光切法、印模法和触针法等。其中，触针法因其有测量迅速方便、精度高的特点，成为应用最广泛的测量表面粗糙度的方法。

参考申请号为200420082240.2的中国专利文件，其公布了一种“粗糙度轮廓仪”，包括立柱、驱动箱、底座、工作台、测量头、升降套。立柱垂直置于底座的一端，升降套置于立柱上，驱动箱置于升降套的侧面，可随升降套在立柱上垂直移动，工作台置于底座上，可水平左右移动，测量头由触针、电感式触头和光栅传感器组成，置于驱动箱一侧下端的测杆内，向着工作台，可水平左右移动。其利用了触针法的原理。当测量头(触针)在被测表面上轻轻划过时，由于被测表面的上下起伏，测量头也将上下移动并通过传感器产生相应的信号，通过与计算机相连，可将被测量物的形状及粗糙度测出，并能显示、打印、储存粗糙度的测量参数。

然而，使用上述方法，需要将晶圆逐个放到粗糙度检测仪器中测试，无法实现在线测量，增加了工序，耗时长，提高了生产成本。为实现在线测量，半导体制造工厂通常使用良率缺陷(YEDefect)检测设备检测晶圆表面粗糙度，其采用的方法随机抽出待测晶圆，通过光学成像的方法，对比待测晶圆表面不同测试位置的图像，如果图像不符合周期性(即相邻测试位置的图像不同)，则说明存在缺陷，再通过扫描电镜(SEM)等设备确认该缺陷的类型。然而，该方法的灵敏度不高，会出现漏检现象。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种检测晶圆表面粗糙度的方法，能够及时检测出表面粗糙度不合格的晶圆，并能提高灵敏度，降低漏检率，降低生产成本。

为解决上述问题，本发明提供一种检测晶圆表面粗糙度的方法，包括：提供同一批次的多个晶圆；在所述同一批次的多个晶圆中挑选连续n片作为待测晶圆，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍；利用在线厚度测量设备，在每个所述待测晶圆表面上选择h个测试位置，得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的实际反射光谱；根据所述实际反射光谱和预设的薄膜堆叠模型计算出每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的薄膜厚度，并根据每个所述薄膜厚度和所述薄膜堆叠模型得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的理论反射光谱；计算每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的所述实际反射光谱与所述理论反射光谱的拟合度；设定最小拟合度；对比所述拟合度和所述最小拟合度，若所述拟合度小于所述最小拟合度时，该拟合度对应的待测晶圆在对应测试位置上的的粗糙度不合格，若所述拟合度大于等于所述最小拟合度时，该拟合度对应的待测晶圆在所述测试位置上的粗糙度合格。

可选地，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的1～2倍。

可选地，在每个所述待测晶圆的表面上，每个所述测试位置至圆心的距离不同。

可选地，所述h大于等于9。

可选地，通过双光束分光计光路系统计算所述理论反射光谱。

可选地，所述在线厚度测量设备是利用反射光谱拟合进行透明及半透明薄膜厚度测量的设备。

可选地，所述利用反射光谱拟合进行透明及半透明薄膜厚度测量的设备包括NOVA2040测量机台或NANO测量机台。

可选地，所述在线厚度测量设备是NOVA2040测量机台。

可选地，所述最小拟合度大于等于0.9。

与现有技术相比，本发明实施例提供的检测晶圆表面粗糙度的方法具有以下优点：

首先，利用在晶圆生产线上普遍存在的在线厚度测量设备得到每个待测晶圆在每个所述待测位置上的所述实际反射光谱，不需要专门添加设备，节省成本，同时，利用在线厚度测量设备中的光路系统，计算得到每个待测晶圆在每个所述待测位置上的理论反射光谱并与其实际反射光谱的拟合度，从而判断晶圆表面粗糙度是否合格，精度高、误差小。

其次，通过对同一批次的连续n片晶圆进行检测，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍，避免漏检现象。

最后，由于在线厚度测量设备一般可以被设置于晶圆生产工艺流程的各个阶段中，利用在线厚度测量设备能够及时检测出表面粗糙度不合格的晶圆。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的检测晶圆表面粗糙度的方法的流程示意图；

图2是本发明的一个实施例的一个待测晶圆的剖面结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的晶圆序列排列图；

图4是本发明的一个实施例的晶圆表面测试位置分布图；

图5(a)是本发明的一个实施例的反射光谱拟合图；

图5(b)是本发明的另一个实施例的反射光谱拟合图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有的检测晶圆表面粗糙度的方法是，利用YEDefect检测设备随机抽出待测晶圆，对比待测晶圆表面各重复单元的图像，从而检测出表面粗糙度不合格的晶圆。

发明人发现，使用上述方法检测晶圆表面粗糙度，灵敏度低，漏检率高。在半导体制造工厂中，一般只有少数几台YEDefect检测设备负责检测整个工厂生产的所有晶圆，因此，YEDefect检测设备只能采用随机抽检的方式。现今的半导体工艺机台一般都有多个(3个或4个)腔室，在对同一批次(lot)的晶圆进行操作时，机台会按照某一特定的顺序将这些晶圆分别送入不同的腔室，使这些腔室能够同时运作，提高生产效率。例如，同一批次的晶圆被分别送入A、B和C三个腔室中进行沉积、刻蚀、抛光等工艺，一般在同一腔室加工的晶圆会有相同或类似的粗糙度。然而，现有的利用YEDefect检测设备检测晶圆粗糙度的方法，采用随机抽检的方式，很有可能漏检了在某一腔室中加工的晶圆，如，抽到的晶圆都来自于A和B腔室而漏掉了来自于C腔室的晶圆。如果增大YEDefect检测设备抽样率，则会造成生产成本的上升，生产效率的降低。

而且，由于待测晶圆来自于不同的生产线，其规格、要求都不相同，因此，YEDefect检测设备采取的是在被抽中的待测晶圆表面任意选择相邻的k个测试位置，对比这k个测试位置上的图像，如果其中某个测试位置上的图像与其他测试位置上的图像不符，则判定该位置存在缺陷，再利用SEM(扫描电镜)等设备确认该缺陷的种类。然而，晶圆表面上相邻测试位置极有可能具有相同或类似的粗糙度问题。也就是说，这k个测试位置的粗糙度很可能都不符合要求，但这k个位置上的图像却很有可能完全相同或相近，从而该晶圆会被YEDefect检测设备错误地判定为合格。因此，采用现有方法检测晶圆表面粗糙度，灵敏度低，漏检率高。

为及时检测出表面粗糙度不合格的晶圆，并降低漏检率，提高灵敏度，降低生产成本，本发明的实施例提供了一种检测晶圆表面粗糙度的方法，请参考图1，包括：步骤S1：提供同一批次的多个晶圆；步骤S2：在所述同一批次的多个晶圆中挑选连续n片作为待测晶圆，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍；步骤S3：利用在线厚度测量设备，在每个所述待测晶圆表面上选择h个测试位置，得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的实际反射光谱；步骤S4：根据所述实际反射光谱和预设的薄膜堆叠模型计算出每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的薄膜厚度，并根据每个所述薄膜厚度和所述薄膜堆叠模型得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的理论反射光谱；步骤S5：计算每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的所述实际反射光谱与所述理论反射光谱的拟合度；步骤S6：设定最小拟合度；以及步骤S7：对比所述拟合度和所述最小拟合度，若所述拟合度小于所述最小拟合度时，该拟合度对应的待测晶圆在对应测试位置上的粗糙度不合格，若所述拟合度大于等于所述最小拟合度时，该拟合度对应的待测晶圆在所述测试位置上的粗糙度合格。

采用本发明实施例提供的方法，通过测量得出每个所述待测晶圆在每个所述待测位置上的实际反射光谱，推算出薄膜厚度并由此得到每个所述待测位置上的理论反射光谱，将所述理论反射光谱与所述实际反射光谱对比，进而判断粗糙度是否合格，提高了检测的灵敏度高；通过挑选连续n片晶圆进行检测，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍，降低了漏检率；通过利用所述在线厚度测量设备进行晶圆表面粗糙度的检测，能够及时发现粗糙度不合格的晶圆；通过利用半导体生产流程中本就具有的所述在线厚度测量设备进行晶圆表面粗糙度的检测，不需要添加其他设备，简化工艺，降低了生产成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明。下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参考图1和图2，执行步骤S1，提供同一批次的多个晶圆1。

所述晶圆1的表面11是粗糙的，具有高低起伏。

参考图1和图3，执行步骤S2，在所述同一批次的多个晶圆中挑选连续n片作为待测晶圆。

如上所述，现今的半导体生产流程中，工艺机台会把同一批次的晶圆分别送入不同的腔室中进行沉积、刻蚀、抛光等工艺，以同时对多个晶圆进行加工，节省时间。一般在同一腔室加工的晶圆会有相同或类似的粗糙度，而在不同腔室加工的晶圆可能会有不同的粗糙度，因此，现有的随机抽样的检测方法很有可能会漏检在某几个腔室中加工的晶圆。然而，对所有晶圆进行粗糙度检测会增加耗时，提高成本。因此，需要提供一种检测方法，能降低漏检率，又不至于使所述待测晶圆数n过高。

在本发明的一个实施例中，在所述同一批次的多个晶圆中挑选连续n片作为待测晶圆，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍。可选地，为了防止漏检同时不增加工艺循环时间，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的1～2倍。

为了使所述腔室的利用率达到最大化，所述工艺机台总是会将所述晶圆按照某一特定的排布规律依次送入所述腔室中。以同一批次具有25片晶圆，被分别送入A、B、C三个腔室中进行加工为例。所述工艺机台会将前三片所述晶圆依次分别送入三个腔室中，如，将1号晶圆送入A腔室，将2号晶圆送入B腔室，将3号晶圆送入C腔室，待这三片晶圆分别在腔室中完成操作后，所述机台会分别将这三片晶圆从腔室中送出，并按照晶圆的编号顺序排列。然后，所述机台会按照同样的规律将后续的晶圆依次送入腔室中进行操作，并在完成操作后将晶圆依次送出并排列。因此，所述同一批次的多个晶圆所分别进入的腔室的情况满足ABC循环的排列。如图3所示，所述25片晶圆共有6种排列的方式。挑选连续n片晶圆作为待测晶圆，当所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍时，所述n个待测晶圆至少包括了一个在任意一个腔室中加工的晶圆。因此，通过采用本发明的实施例提供的方法检测晶圆表面的粗糙度，即能降低漏检率，又能减少耗时，降低成本。

参考图1和图4，执行步骤S3，利用在线厚度测量设备，在每个所述待测晶圆表面上选择h个测试位置2，得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置2上的实际反射光谱。

在半导体制造工厂中，随时需要测量晶圆的厚度，特别是在化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing；CMP)工艺中。因此，所述在线厚度测量设备被普遍地设置于晶圆生产流程的各个阶段中，如NOVA2040测量机台、或者NANO测量机台等。所述在线厚度测量设备中包含光路系统，如双光束分光计(Dual-BeamSpectrometer；DBS)光路系统，SWE(SingleWavelengthEllipsometry)光路系统，SE(SpectroscopicEllipsometry)光路系统等。

所述在线厚度测量设备一般是用于测量晶圆的厚度，其工作原理是利用反射光谱拟合进行透明及半透明薄膜厚度的测量，而晶圆上堆叠的薄膜通常是透明或半透明的薄膜。所述在线厚度测量设备通过其内置的所述光路系统，收集晶圆的反射光，测量晶圆对不同波长光线的反光度，得出反光度对应于波长分布的曲线图，即所述实际反射光谱，然后再通过所述实际反射光谱推算出晶圆的厚度。因此，利用所述在线厚度测量设备，能够很方便地得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置2上的实际反射光谱，不需要另外添加设备，节省了成本。

所述在线厚度测量设备在每个所述待测晶圆上选择h个所述测试位置2，并得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置2上的所述实际反射光谱。本领域的技术人员知道，在每个所述待测晶圆上，一般至晶圆圆心距离相同位置上的粗糙度会相同或相近，在至晶圆圆心距离不同位置上粗糙度会不同。在本发明的一个实施例中，每个所述测试位置2至圆心的距离都不同。可选地，所述h大于等于9。

在本发明的一个实施例中，采用包含所述DBS光路系统的NOVA2040测量机台作为所述在线厚度测量设备。所述NOVA2040测量机台是以色列半导体测量设备生产商NovaMeasuringInstruments公司生产的型号为NOVA2040的产品，可以集成在晶圆生产流水线的主机台上。

参考图1，执行步骤S4，根据所得的所述实际反射光谱和预设的薄膜堆叠(filmstack)模型计算出每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的薄膜厚度，并根据每个所述薄膜厚度和所述薄膜堆叠模型得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的理论反射光谱。

本领域的技术人员知道，不同材料、不同厚度的物质，对不同波长的色光的反射率、吸收率和折射率是不同的。晶圆上堆叠有多层薄膜，薄膜的层数以及每层薄膜的厚度、材料等因素都会影响该晶圆对不同波长光线的反光度。因此，将薄膜层数、厚度、材料对应不同波长光线的消光系数以及折射率等参数输入所述光路系统，通过其中包含的软件系统可以建立一个薄膜堆叠(filmstack)模型，反应上述各因素与反光度的对应关系。同一批次的晶圆的设计规格相同，工艺标准相同，因此，只需预设一个所述薄膜堆叠模型。根据在步骤S3中得到的所述实际反射光谱，结合所述薄膜堆叠模型，所述光路系统能够推算出每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的薄膜厚度。由于所述待测晶圆的表面具有一定的粗糙度，所述薄膜厚度是通过软件拟合的值，反应的是待测晶圆在待测位置上的薄膜厚度的平均值。

然后，所述光路系统根据每个所述薄膜厚度和所述薄膜堆叠模型计算得出每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的理论反射光谱。该理论反射光谱反应的是待测晶圆在某个待测位置上的薄膜厚度均匀，即该待测位置是完全平坦时对不同波长光线进行反射的情况。

参考图1和图5(a)及图5(b)，执行步骤S5，计算每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的所述实际反射光谱与所述理论反射光谱的拟合度。

如步骤S4中所述，所述薄膜厚度是根据所述实际反射光谱和所述薄膜堆叠模型，通过所述光路系统推算而成的，对应的是某个所述待测晶圆在某个所述待测位置上的薄膜厚度的平均值。然后，所述光路系统假设该待测位置上的所述待测晶圆是完全平坦的，其薄膜厚度就是该平均值，从而得出该待测位置上的理论反射光谱。因此，若该理论反射光谱与该实际反射光谱越接近，拟合度越大，就说明该待测位置上的所述待测晶圆越平坦，其薄膜厚度越接近与该平均值，粗糙度越小。反之，说明该待测位置上的所述待测晶圆的粗糙度越大。

图5(a)显示了本发明的一个实施例中，当所述待测晶圆在某个所述待测位置上的粗糙度较小时，所述实际反射光谱I与所述理论反射光谱II较接近，即所述拟合度较大的情况。图5(b)显示了本发明的有一个实施例中，当所述待测晶圆在某个所述待测位置上的粗糙度较大时，所述实际反射光谱III与所述理论反射光谱IV差别较大，即所述拟合度较小的情况。

参考图1，执行步骤S6，设定最小拟合度。

根据不同的工艺要求，设定可以接受的最大粗糙度所对应的最小拟合度。在本发明的一个实施例中，所述最小拟合度大于等于0.9。

参考图1，执行步骤S7，对比所述拟合度和所述最小拟合度，若所述拟合度小于所述最小拟合度时，说明该拟合度对应的所述测试位置上的所述待测晶圆的粗糙度不合格，若所述拟合度大于所述最小拟合度时，说明该拟合度对应的所述测试位置上的所述待测晶圆的粗糙度合格。

当所述拟合度小于所述最小拟合度时，所述待测晶圆的粗糙度是不合格的，所述在线厚度测量设备发出警报，能够及时提醒生产工艺出现异常，避免后续不必要工艺的进行，避免浪费，降低了生产成本。而且，每个所述待测晶圆在每个所述测试位置2上处对应了不同的所述拟合度，因此，可以推知具体哪个所述待测晶圆在具体哪个所述待测位置上的表面粗糙度不合格，从而及时、准确地改进工艺。

综上，本发明的实施例具有以下优点：

首先，首先，利用在晶圆生产线上普遍存在的在线厚度测量设备得到每个待测晶圆在每个所述待测位置上的所述实际反射光谱，不需要专门添加设备，节省成本，同时，利用在线厚度测量设备中的光路系统，计算得到每个待测晶圆在每个所述待测位置上的理论反射光谱并与其实际反射光谱的拟合度，从而判断晶圆表面粗糙度是否合格，精度高、误差小。

其次，通过对同一批次的连续n片晶圆进行检测，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍，避免漏检现象。

最后，由于在线厚度测量设备一般可以被设置于晶圆生产工艺流程的各个阶段中，利用在线厚度测量设备能够及时检测出表面粗糙度不合格的晶圆。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种检测晶圆表面粗糙度的方法，包括：

提供同一批次的多个晶圆；

在所述同一批次的多个晶圆中挑选连续n片作为待测晶圆，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的自然数倍；

利用在线厚度测量设备，在每个所述待测晶圆表面上选择h个测试位置，得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的实际反射光谱；

根据所述实际反射光谱和预设的薄膜堆叠模型计算出每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的薄膜厚度，并根据每个所述薄膜厚度和所述薄膜堆叠模型得到每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的理论反射光谱；

计算每个所述待测晶圆在每个所述测试位置上的所述实际反射光谱与所述理论反射光谱的拟合度；

设定最小拟合度；

对比所述拟合度和所述最小拟合度，若所述拟合度小于所述最小拟合度时，该拟合度对应的待测晶圆在对应测试位置上的粗糙度不合格，若所述拟合度大于等于所述最小拟合度时，该拟合度对应的待测晶圆在所述测试位置上的粗糙度合格。

2.根据权利要求1所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述n是所述同一批次的多个晶圆所分别进入的前一道工艺机台的腔室个数的1～2倍。

3.根据权利要求1所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，在每个所述待测晶圆的表面上，每个所述测试位置至圆心的距离不同。

4.根据权利要求3所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述h大于等于9。

5.根据权利要求1所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，通过双光束分光计光路系统计算所述理论反射光谱。

6.根据权利要求1所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述在线厚度测量设备是利用反射光谱拟合进行透明及半透明薄膜厚度测量的设备。

7.根据权利要求6所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述利用反射光谱拟合进行透明及半透明薄膜厚度测量的设备包括NOVA2040测量机台或NANO测量机台。

8.根据权利要求7所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述在线厚度测量设备是NOVA2040测量机台。

9.根据权利要求1所述的检测晶圆表面粗糙度的方法，其特征在于，所述最小拟合度大于等于0.9。