CN103018202B - 一种集成电路缺陷的光学检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种集成电路缺陷的光学检测方法和装置，其中，所述方法包括：在Fourier平面设置螺旋相位片，通过所述螺旋相位片，接收集成电路上缺陷的散射光和反射光，其中，所述散射光经过所述螺旋相位片，在图像接收平面形成圆圈形状图像；所述反射光经过所述螺旋相位片的中心，在图像接收平面形成同相位均匀背景光；所述圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，形成包含亮斑和暗斑的光斑图像；根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别。通过本发明实施例，能够提高集成电路中缺陷检测的精度。

Description

一种集成电路缺陷的光学检测方法和装置
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，更具体地说，涉及一种集成电路缺陷的光学检测方法和装置。
背景技术
电路缺陷存在于任何半导体制作的过程中，是量产前的工艺研发过程中所要面对的主要问题。缺陷不仅来自于芯片制作中由于环境中污染成分带来的随机缺陷，而且也来自于由于工艺的不完善所带来的系统缺陷。
作为电子产业的基础和核心，集成电路产业的设计工艺将进入22纳米及以下技术代。因此，如何在研发过程中不断完善制作工艺、将制作过程中出现的电路缺陷控制到最少是22纳米及以下是该工艺成功与否的关键所在。
由于特征尺寸的减小，电路图形的材料表面和边缘粗糙度逐渐成为科研人员关注的重点。虽然电路图形的材料表面和边缘粗糙度在22纳米以上的工艺中已经存在，但是直到22纳米工艺中才成为影响电路性能的重要因素。
边缘粗糙度是芯片制作过程中的必有现象，由光刻技术精度和光刻胶蚀刻工艺决定。由于光刻工艺的误差，线宽和边缘的误差可达到几个纳米。在22纳米工艺中，图形特征尺寸小，严重的边缘粗糙度会形成边缘突起，甚至形成短路断路，直接造成芯片的性能破坏。22纳米及以下工艺中缺陷出现可能性更高。因此，纳米量级的缺陷检测是集成电路制作过程中不可或缺的环节。
为避免在检测过程中对芯片造成污染，检测手段不应该接触芯片的表面。由此，光学检测技术已成为重要的缺陷检测方法。光学检测技术已打破了所谓的光学衍射极限，能够检测到20纳米的缺陷的存在和精确位置，并能通过检测信息判断缺陷的种类。
现有的光学检测设备中，波长一般在260纳米以上。这是由于260纳米以下的大功率激光成本高寿命短，在检测设备很难使用；而且，在200纳米波长以下，进入真空UV波段，即光被空气吸收衰减很快。除非光学检测在真空环境中完成，否则200纳米波长以下的检测仪也不能实现。在这样的情况下，加上数值孔径小于1的局限(通常检测系统不能使用immersion技术，否则容易损伤晶圆表面)，理想光学系统的分辨率大于0.35微米。随着芯片工艺向2x纳米或更小发展，芯片缺陷检测的尺寸要求远远小于光学系统的波长。集成电路上纳米量级的缺陷尺寸对光学缺陷检测系统精度提出了很高的要求，传统的光学明场成像技术已经很难达到工艺指标。
此外，传统光学系统中的检测信号是成像平面的空间分布的光强信息。现有技术通过调节参考光的强度来提高某些芯片部分的缺陷检测信号。然而，随着缺陷的尺寸减小至纳米量级，它的散射光的强度相比反射光很弱(在5×15微米大小光斑的掠射角照射下，一个20纳米直径的SiO2的颗粒在全方位角中的散射强度仅为0.01334ppm)，缺陷散射信号很容易淹没在反射光和CCD的背景噪音中。
然而，由于缺陷材料和周围材料性质不同，入射光在传播中遇到缺陷后发生散射，散射光的相位比直接透射或反射的光线有了很大的变化。因此，测量光波传播中的相位变化是光学缺陷检测增大检测精度的研究方向。由于CCD或其他摄影机只能直接测量光强的信息，光波相位的测量必须将缺陷散射光的相位变化转化为光强的变化，从而在CCD上检测出相位的变化。
现有技术还通过调节反射光和参考光之间的相位差来增强缺陷检测信号以及实际干涉图案的对比。在芯片的不同部分或针对芯片上的不同种类的缺陷，缺陷散射光的相位是不同的，反射光中的缺陷散射光部分的相位与参考光的相位差也会不同。所以在芯片的缺陷检测中，为了对不同位置的缺陷和不同种类的缺陷都达到好的检测信号，反射光和参考光之间的相位调节必须即时进行。由于缺陷在芯片上的位置是检测之前未知的，这种方向显然是不可行的。而且，在检测芯片的每一部分时，检测信号即包含缺陷检测信号，既缺陷散射光与参考光干涉后的信号，也包含芯片表面的形貌粗糙度和边缘粗糙度所引起的噪音。缺陷检测成功与否决定于检测图像中的缺陷信号和表面噪音的相比，既检测图像中的信噪比。然而，在检测芯片某些部分时选定的反射光与参考光之间的相位差既可能增强缺陷信号，也可能增强噪音信号。由于芯片表面的形貌粗糙度和边缘粗糙度是随机出现的，它的散射光的相位在0到2π之间可能随机出现。因此，任何选定的反射光与参考光之间的相位差都有可能增强一部分噪音的信号。可见，这样的方法会增加缺陷检测的失误率。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种集成电路缺陷的光学检测方法和装置，提高集成电路中缺陷检测的精度。
本发明实施例提供一种集成电路缺陷的光学检测方法，在Fourier平面设置螺旋相位片，包括：
通过所述螺旋相位片，接收集成电路上缺陷的散射光和反射光，其中，所述散射光经过所述螺旋相位片，在图像接收平面形成圆圈形状图像；所述反射光经过所述螺旋相位片的中心，在图像接收平面形成同相位均匀背景光；所述圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，形成包含亮斑和暗斑的光斑图像；
根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别。
优选的，所述螺旋相位片的螺旋相位范围为(0，2π)。
优选的，所述方法还包括：调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当。
优选的，所述调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当，包括：
在所述缺陷的反射光进入所述螺旋相位片之前的光路上设置可调节光衰减片，通过所述可调节光衰减片调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当。
优选的，所述根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别，包括：
根据所述光斑图像中亮斑和暗斑的分布属性，确定所述集成电路上缺陷的类别。
一种集成电路缺陷的光学检测装置，包括：沿光路设置的光信号采集单元、螺旋相位片、图像接收单元及缺陷确定单元；所述螺旋相位片设置在Fourier平面；所述光信号采集单元采集集成电路上缺陷的散射光和反射光，所述散射光和反射光通过所述螺旋相位片在图像接收单元中的接收平面形成圆圈形状图像；其中，所述反射光经过所述螺旋相位片的中心，在图像接收平面形成同相位均匀背景光；所述圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，形成包含亮斑和暗斑的光斑图像；所述缺陷确定单元根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别。
优选的，所述螺旋相位片的螺旋相位范围为(0，2π)。
优选的，还包括：
光强调节单元，用于调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当。
优选的，所述光强调节单元包括：设置在所述缺陷的反射光进入所述螺旋相位片之前的光路上的可调节光衰减片。
优选的，所述缺陷确定单元根据所述光斑图像中亮斑和暗斑的分布属性，确定所述集成电路上缺陷的类别。
同现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：
本发明实施例中，将螺旋相位技术应用于对于集成电路缺陷的检测中，在Fourier平面设置螺旋相位片，将采集到的集成电路上缺陷的散射光和反射光传输至螺旋相位片之后进行输出，其中，散射光经过螺旋相位片，因方向角的不同发生从0到2π的相位变化，在图像接收平面形成圆圈形状图像；反射光经过螺旋相位片的中心，相位基本不发生变化，在图像接收平面形成同相位均匀背景光，圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，在一定位置会完全干涉相加形成亮点，在相反的位置会完全抵消形成暗斑，从而使得最终的光斑图像产生最大程度的亮度对比，达到更高的缺陷检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种集成电路缺陷的光学检测方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中螺旋相位片的相位分布示意图；
图3为本发明实施例中螺旋相位4f成像系统的PSF示意图；
图4(a)为传统明视野显微镜下缺陷检测信号的对比度示意图；
图4(b)为本发明实施例中缺陷检测信号的对比度示意图；
图5为本发明实施例提供的附加不同螺旋相位对干涉图案影响的示意图；
图6为本发明实施例提供的短路缺陷对应的光斑图像；
图7为本发明实施例提供的断路缺陷对应的光斑图像；
图8为本发明实施例提供的一种应用螺旋相位技术进行集成电路缺陷检测的具体应用实例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在集成电路中，电路缺陷会影响甚至破坏芯片的正常功能，直接导致器件功能失败。因此，对于集成电路中缺陷的检测在集成电路制造工艺中至关重要。
本发明实施例将螺旋相位技术应用于对于集成电路缺陷的检测中，在光路上的Fourier平面设置螺旋相位片。下面首先对本发明实施例提供的一种集成电路缺陷的光学检测方法进行说明，参见图1所示，包括以下步骤：
步骤101、通过所述螺旋相位片，接收集成电路上缺陷的散射光和反射光，其中，所述散射光经过所述螺旋相位片，在图像接收平面形成圆圈形状图像；所述反射光经过所述螺旋相位片的中心，在图像接收平面形成同相位均匀背景光；所述圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，形成包含亮斑和暗斑的光斑图像；
步骤102、根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别。
上述实施例中，将螺旋相位技术应用于对于集成电路缺陷的检测中，在Fourier平面设置螺旋相位片，将采集到的集成电路上缺陷的散射光和反射光传输至螺旋相位片之后进行输出，其中，散射光经过螺旋相位片，因方向角的不同发生从0到2π的相位变化，在图像接收平面形成圆圈形状图像；反射光经过螺旋相位片的中心，相位基本不发生变化，在图像接收平面形成同相位均匀背景光，圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，在一定位置会完全干涉相加形成亮点，在相反的位置会完全抵消形成暗斑，从而使得最终的光斑图像产生最大程度的亮度对比，达到更高的缺陷检测精度。
为了便于对本发明进一步的理解，下面结合本发明的具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明实施例中，螺旋相位检测技术是基于近几年新兴的在显微镜系统中使用的螺旋相位技术。在成像系统中的Fourier平面上，视场的各个Fourier成分在空间上分开，从而可以被独立的处理。如图2所示，在螺旋相位技术中，螺旋相位片(spiral phase plate)设置于Fourier平面上，它的相位关系为exp(iφ)，其中，φ为垂直于光轴的Fourier平面中的方位角。
当光线通过螺旋相位片时，光线的相位发生了变化，相位变化范围为0到2π，数值与方位角成线性关系。如图3所示，在一个经典的4f光学成像系统中，一个点光源的成像是它与Fourier平面的通光孔径的卷积(convolution)的结果。在Fourier平面放螺旋相位片后，一个点光源的成像是它与螺旋相位片的卷积，即圆圈形状的像，这也就是螺旋相位系统的点扩散函数(point spread function，PSF)。沿着成像圆圈的圆周方向，螺旋相位系统的点成像PSF的相位从0到2π变化着。
通常，集成电路上的缺陷尺寸远小于光波长，可以是2x纳米或更小量级，因此，在成像系统中可视为点光源，该点光源的散射光分布在立体角中，散射光具体的分布角度由缺陷的特定形状、大小和入射光的性质等决定。缺陷的散射光透过螺旋相位片，因方位角的不同发生从0到2π的相位变化，再通过透镜系统成像在CCD上。集成电路表面的反射光同样透过螺旋相位片的中心，相位基本不变化，再通过透镜系统均匀照射在CCD上，形成均匀同相位的背景光强。
在CCD的图像接收平面上，由于缺陷散射后在CCD上成像圆圈形状，与周围的反射光背景发生相位干涉。由于缺陷散射光圈的相位从0到2π变化，所以在一定位置会与反射光背景发生完全干涉相加形成亮斑，在相反的位置会完全抵消形成暗斑。缺陷散射光圈的完全相加干涉和完全抵消干涉形成了最大程度的亮度对比。
如图4(b)所示，本发明实施例对于缺陷检测的信号对比度大大高于同等条件下的传统明视野显微镜下的信号对比度(参见图4(a))。这里以桥型短路缺陷为例，从图4可见，本发明实施例对于缺陷检测的信号对比度是明视野显微镜成像下信号对比度的近十倍。
可见，使用螺旋相位技术在缺陷检测中，能够大大增加缺陷的亮度对比，从而大大增加缺陷检测信号。
在本发明实施例中，无须调节缺陷反射光与散射光的相位差，因为任何缺陷散射光在成像中一定会形成0到2π的相位变化，在相同相位的反射光背景中，一定会形成完全加强的干涉和完全抵消的干涉，从而形成最大的图像对比。
需要说明的是，为了获得更好的干涉图案，即增加干涉图案中明暗光斑之间的对比度，通常需要调节缺陷反射光的强度。具体实现可以是：衰减缺陷反射光，通过衰减，调节缺陷的散射光和反射光的光强相当。具体实施时，可以在缺陷的反射光进入螺旋相位片之前的光路上设置可调节光衰减片，通过该可调节光衰减片调节缺陷的散射光和反射光的光强相当。
此外，通过研究发现，上述干涉图案具体成像与螺旋相位片的螺旋相位范围有关，即：干涉图案中光斑数与所加螺旋相位的π位成正比，如图5所示，所加螺旋相位分别为(0，π)、(0，2π)、(0，3π)及(0，4π)，可见，加2π相位更加容易看清楚光斑的旋转图形，从而进行缺陷类型的分辨。因此，优选的，可以选择螺旋相位片的螺旋相位范围为(0，2π)。
需要指出的是，缺陷散射经过螺旋相位片干涉形成的光斑形状与缺陷散射在立体角中的光强和相位分布紧密相关，而每一种缺陷的散射光强和相位分布都是不同的，反映了每种缺陷的形状、材料和大小的信息。因此，可以通过缺陷成像中亮斑和暗斑的分布属性来判断缺陷的种类。例如：当所述光斑图像为上明下暗的光斑时，所述缺陷为短路缺陷，如图6所示；当所述光斑图像为左明右暗的光斑时，所述缺陷为断路缺陷，如图7所示。
本发明实施例还提供了一种集成电路缺陷的光学检测装置，包括：沿光路设置的光信号采集单元、螺旋相位片、图像接收单元及缺陷确定单元；所述螺旋相位片设置在Fourier平面；所述光信号采集单元采集集成电路上缺陷的散射光和反射光，所述散射光和反射光通过所述螺旋相位片在图像接收单元中的接收平面形成圆圈形状图像；其中，所述反射光经过所述螺旋相位片的中心，在图像接收平面形成同相位均匀背景光；所述圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，形成包含亮斑和暗斑的光斑图像；所述缺陷确定单元根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别。
参考图8，示出了一种应用螺旋相位技术进行集成电路缺陷检测的具体应用实例。图8中，集成电路上的缺陷在成像系统中可视为点光源，缺陷的散射光被显微镜镜头采集，透过Fourier平面上设置的螺旋相位片，因方位角的不同发生从0到2π的相位变化，再通过透镜系统成像在CCD上。集成电路表面的反射光同样透过螺旋相位片的中心，相位基本不变化，再通过透镜系统均匀照射在CCD上，形成均匀同相位的背景光强。图6中，入射光由激光光源(例如：arc lamp)产生。在CCD的图像接收平面上，由于缺陷散射后在CCD上成像圆圈形状，与周围的反射光背景发生相位干涉。由于缺陷散射光圈的相位从0到2π变化，所以在一定位置会与反射光背景发生完全干涉相加形成亮斑，在相反的位置会完全抵消形成暗斑。缺陷散射光圈的完全相加干涉和完全抵消干涉形成了最大程度的亮度对比。可见，使用螺旋相位技术在缺陷检测中，能够大大增加缺陷的亮度对比，从而大大增加缺陷检测信号。
上述集成电路缺陷的光学检测装置中，无须调节缺陷反射光与散射光的相位差，因为任何缺陷散射光在成像中一定会形成0到2π的相位变化，在相同相位的反射光背景中，一定会形成完全加强的干涉和完全抵消的干涉，从而形成最大的图像对比。
需要说明的是，为了获得更好的干涉图案，即增加干涉图案中明暗光斑之间的对比度，通常需要调节缺陷反射光的强度。因此，上述装置中，还需设置光强调节单元，具体实现可以是：通过该光强调节单元衰减缺陷反射光，通过衰减，调节缺陷的散射光和反射光的光强相当。具体实施时，该光强调节单元可以是在缺陷的反射光进入螺旋相位片之前的光路上设置的可调节光衰减片，通过该可调节光衰减片调节缺陷的散射光和反射光的光强相当。
此外，优选的，可以选择螺旋相位片的螺旋相位范围为(0，2π)。这是由于，加2π相位更加容易看清楚光斑的旋转图形，从而进行缺陷类型的分辨。
缺陷散射经过螺旋相位片干涉形成的光斑形状与缺陷散射在立体角中的光强和相位分布紧密相关，而每一种缺陷的散射光强和相位分布都是不同的，反映了每种缺陷的形状、材料和大小的信息。因此，缺陷确定单元可以通过缺陷成像中亮斑和暗斑的分布属性来判断缺陷的种类。例如：当所述光斑图像为上明下暗的光斑时，所述缺陷为短路缺陷；当所述光斑图像为左明右暗的光斑时，所述缺陷为断路缺陷。
对于装置实施例而言，由于其基本相应于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种集成电路缺陷的光学检测方法，其特征在于，在Fourier平面设置螺旋相位片，包括：
通过所述螺旋相位片，接收集成电路上缺陷的散射光和反射光，其中，所述散射光经过所述螺旋相位片，在图像接收平面形成圆圈形状图像；所述反射光经过所述螺旋相位片的中心，在图像接收平面形成同相位均匀背景光；所述圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，形成包含亮斑和暗斑的光斑图像；
根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别。
2.根据权利要求1所述的集成电路缺陷的光学检测方法，其特征在于，所述螺旋相位片的螺旋相位范围为(0，2π)。
3.根据权利要求1所述的集成电路缺陷的光学检测方法，其特征在于，所述方法还包括：调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当。
4.根据权利要求3所述的集成电路缺陷的光学检测方法，其特征在于，所述调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当，包括：
在所述缺陷的反射光进入所述螺旋相位片之前的光路上设置可调节光衰减片，通过所述可调节光衰减片调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的集成电路缺陷的光学检测方法，其特征在于，所述根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别，包括：
根据所述光斑图像中亮斑和暗斑的分布属性，确定所述集成电路上缺陷的类别。
6.一种集成电路缺陷的光学检测装置，其特征在于，包括：沿光路设置的光信号采集单元、螺旋相位片、图像接收单元及缺陷确定单元；所述螺旋相位片设置在Fourier平面；所述光信号采集单元采集集成电路上缺陷的散射光和反射光，所述散射光通过所述螺旋相位片在图像接收单元中的接收平面形成圆圈形状图像；其中，所述反射光经过所述螺旋相位片的中心，在图像接收平面形成同相位均匀背景光；所述圆圈形状图像与同相位均匀背景光在图像接收平面发生相位干涉，形成包含亮斑和暗斑的光斑图像；所述缺陷确定单元根据所述光斑图像，确定所述集成电路上缺陷的类别。
7.根据权利要求6所述的集成电路缺陷的光学检测装置，其特征在于，所述螺旋相位片的螺旋相位范围为(0，2π)。
8.根据权利要求6所述的集成电路缺陷的光学检测装置，其特征在于，还包括：
光强调节单元，用于调节所述缺陷的散射光和反射光的光强相当。
9.根据权利要求8所述的集成电路缺陷的光学检测装置，其特征在于，所述光强调节单元包括：设置在所述缺陷的反射光进入所述螺旋相位片之前的光路上的可调节光衰减片。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的集成电路缺陷的光学检测装置，其特征在于，所述缺陷确定单元根据所述光斑图像中亮斑和暗斑的分布属性，确定所述集成电路上缺陷的类别。
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