CN107664476B - 一种用于半导体设备的光学检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于半导体设备的光学检测装置，能够监测刻蚀孔的开口尺寸或形貌变化。本发明光学检测装置包括一个腔体，腔体内包括一个基座，基座上固定有晶圆，晶圆上表面具有刻蚀形成的孔或槽，所述晶圆上方设置有一个参考光源用于发射参考光到所述晶圆，还包括一个接收器用于接收从晶圆上反射的参考光，其特征在于，所述参考光入射到晶圆表面的光束与晶圆平面的夹角小于45度，所述接收器位于参考光源同侧；一个控制器接收并处理所述接收器接收到的光信号。

Description

一种用于半导体设备的光学检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种刻蚀结果的光学检测装置和检测方法。

背景技术

等离子处理装置被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，其中等离子刻蚀被用来形成具有特定尺寸的刻蚀通孔(Via)或者刻蚀槽(trench)，这些刻蚀形成的孔或槽需要具有很精确的尺寸结构，如果发生了偏差会导致最终整个半导体器件的性能降低或者彻底报废。在刻蚀工艺调试阶段，经过大量调试获得了最佳的工艺参数，在这种最佳工艺参数下能够获得所需要的刻蚀孔结构，其中关键尺寸(critical dimension)和刻蚀孔侧壁形貌(profile)是其中最重要的两个反应刻蚀孔结构的参考数据。同样的刻蚀设备采用同样的刻蚀工艺对大量晶圆进行长期刻蚀过程中，由于各种环境因素如污染物沉积、温度偏移、硬件变形等均会使得刻蚀结果会发生偏移，偏移数值达到一定程度后，关键尺寸或侧壁形貌发生的变化量达到一个临界值，使得刻蚀形成的结构无法达到其功能设计要求，整个晶圆上的半导体器件无法正常工作。但是现阶段的关键尺寸已经达到了纳米级，常见的有14-45nm，在这么微小的尺度下，很难检测晶圆上的刻蚀孔的关键尺寸发生了少量(5-15％)的偏移。现有的方法是：将刻蚀后的晶圆取出，放入大型的专用放大仪器中检测刻蚀孔尺寸或形貌。但是这些专用的大型仪器不仅昂贵而且检测耗时很长，对于半导体生产线上源源不断的新生产的大量晶圆，不可能对每一片晶圆进行检测，而是采用隔段时间抽样检测的方式。一旦抽样检测发现刻蚀结果超出合理范围则停止当前半导体处理，重新调试当前处理工艺，或者检测等离子处理装置硬件状态。从前一次抽查到当前发现问题的时间内生产的大量晶圆需要重新检测，这些晶圆中有可能一样存在刻蚀结果偏移的问题导致整片晶圆报废，经过多个处理步骤后的晶圆成本很高，这样大批量的报废晶圆需要极力避免。

图1所示是现有技术的用于半导体设备的光学检测装置，该光学检测装置利用光学干涉原理检测刻蚀或者沉积膜厚度的结构，包括腔体100，腔体内包括基片安装台10，腔体顶部包括一个参考光源20，以接近垂直的角度(入射光和晶圆平面的夹角θ>80度)向下方完成处理工艺的晶圆上表面发送参考光A1，晶圆表面反射的光A2被同样位于腔体顶部的接收器31接收到，通过检测入射参考光和反射光干涉形成的波形的相位可以得知下方晶圆的厚度变化。这套光学系统无法有效用于刻蚀孔关键尺寸和形貌监测，因为现有刻蚀孔的尺寸已经只有几十纳米了，而现有普通可见光的干涉光源20在下方形成的光斑大小可以达到厘米级，即使采用波长最小的最昂贵的激光光源，其形成的光斑也在微米级，反射到达接收器31的光强度实际是晶圆表面光斑范围内所有刻蚀孔/槽以及其余平面区域向上反射光的合成，根本无法检测到有效的信息。用图1所示的硬件架构如要检测刻蚀结构尺寸和形貌，需要光源形成的光斑达越小越好，而且光源需要能够精确的水平移动，通过检测晶圆表面反射率的不同来辨别刻蚀结构尺寸。但是上述两个条件都不是现有成本和技术条件下能达到的。

所以业内需要寻求一种新的低成本的装置和方法，快速简便的识别刻蚀结构的尺寸和形貌。

发明内容

本发明公开一种用于半导体设备的光学检测装置，所述光学检测装置包括一个腔体，腔体内包括一个基座，基座上固定有晶圆，晶圆上表面具有刻蚀形成的孔或槽，所述晶圆上方设置有一个参考光源用于发射参考光到所述晶圆，还包括一个接收器用于接收从晶圆上反射的参考光，其特征在于，所述参考光入射到晶圆表面的光束与晶圆平面的夹角小于60度，所述接收器位于参考光源的入射侧，所述接收器与晶圆平面的夹角为15-50度；一个控制器接收并处理所述接收器接收到的光信号。

其中所述腔体选自半导体设备中的传输腔、真空锁之一。

其中所述刻蚀形成的孔或槽的开口尺寸小于100nm。

可选地，所述接收器位于参考光源下方或侧面。

可选地，还可以包括一个第二接收器位于所述参考光源入射侧，所述两个接收器用于接收晶圆上孔或槽反射的不同角度的光线。所述控制器比较来自两个接收器的光学信号强度，来自两个光学接收器的光学强度信号发生不同比例变化时判定刻蚀孔开口形貌发生变化。

本发明还提供一种用于半导体设备光学检测的方法，利用所述的光学检测装置进行检测，其特征在于，控制器存储有基准光学信号强度，所述控制器比较接收器接收到光学信号强度和基准光学信号强度，判断刻蚀孔或槽的尺寸是否偏移。

其中所述的用于半导体设备光学检测的方法包括步骤：将接收到的光学信号强度减去存储的背景信号强度以获得特征信号强度，所述背景信号强度是所述光学检测装置参考光照射到无刻蚀孔区域时接收的光学信号强度；比较所述特征信号强度与存储的基准光学信号强度，如果两者差值大于预设阀值则判断刻蚀形成的孔或槽的尺寸发生偏移。所述基准光学信号强度根据如下步骤获得：

照射参考光源到晶圆上无刻蚀孔的区域，接收器获得的背景信号强度存入控制器；

照射参考光源到晶圆上具有合格尺寸刻蚀孔的区域，接收器获得的第二光学信号强度；

第二光学信号强度减去所述背景信号强度获得基准光学信号强度。

附图说明

图1为现有技术用于半导体设备的光学检测装置示意图；

图2a为本发明用于半导体设备的光学检测装置示意图；

图2b为图2a所示本发明光学检测装置的光线入射反射线路示意图以及光斑覆盖区域表面放大图；

图3a、图3b是如图2b中光斑覆盖区域的剖面放大图；

图4是本发明用于半导体设备的光学检测装置第二实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图2-4，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种用于半导体设备的光学检测装置，用于检测刻蚀形成的孔或槽等刻蚀结构的尺寸和形貌。半导体设备包括多个腔室，常见的有真空锁(load lock)、传输腔用于晶圆传输、处理腔用于进行等离子刻蚀，这些腔室或者其它可以固定晶圆的装置都可以安装本发明的光学检测装置。如图2a所示，本发明包括一个腔体100，腔体内包括固定晶圆的基座10，完成刻蚀的晶圆12固定在基座10上。一个参考光源20设置在腔体一侧，倾斜向晶圆表面发射高强度的入射光束A1，光束A1经过晶圆表面反射形成反射光束A2向远离晶圆方向射出，其中入射光束A1和晶圆平面的夹角θ小于等于60度，最佳的小于30度。从参考光源20产生的光束A1从基片的入射侧入射并到达基片上的检测区22，经过基片检测区上表面反射后形成反射光束A2进入基片的反射侧。一个接收器31位于靠近参考光源20同一侧也就是基片上方参考光源20与检测区22之间的的入射侧，接收器31并不用于接收向远处射出的光束A2，而是接收入射光束A1在晶圆表面检测区内反射进入所述入射侧的反射光A3。

如图2b所示，入射光在晶圆上形成了一个光斑22覆盖基片上的检测区，光斑22的直径大小越小越能精确检测，但是不需要达到现有技术所需要的纳米级，微米甚至毫米级的光斑尺寸也能有效的检测光斑22范围内的刻蚀结构的尺寸和形貌。图2b中下部为晶圆上表面光斑22区域内的放大图，在光斑覆盖区域内包括大量的刻蚀孔91或刻蚀形成的槽92。如图3a所示为光斑覆盖区域的晶圆剖面放大图，入射参考光A1如果照射在晶圆上没有刻蚀孔/槽的平面区域则绝大部分光会被反射到远离光源20方向的反射侧，最终到达腔体侧壁经过多次折射减弱到无法被观测。其中接收器31与晶圆平面的夹角θ2与参考光源入射的夹角θ可以相同也可以不同。光束A1中也有部分入射光照射到多个刻蚀孔91开口侧壁上被反射回到入射光源方向的入射侧，形成光束A3。光束A3会被设置在靠近参考光源20的接收器31接收。由于入射光束A1是与晶圆平面呈大角度倾斜入射的，所以只有如图3a所示的分界线B1、B2之间的光束才会反射回到光源方向，其它在B1左侧的光线会被开口周围的平面区域反射到右侧远离光源方向，同样的照射到分界线B2区域右侧的光线也会反射远离光源。只有刻蚀孔顶部开口右侧侧壁部分区域会向光源方向大量反射光A3，这个区域可以作为入射光A1的返回反射区R。当然也有部分光A4入射到返回反射区R的光会反射向下进入刻蚀孔深处，经过多次反射后被侧壁材料吸收，不会被上方的接收器31接收到，这些光并不影响最终刻蚀孔尺寸和形貌偏移的判断。在入射光A1的入射能量和入射角度固定的前提下，各种反射光A2、A3、A4的比例固定，能够被接收器31接收到的反射光A3的强度与上述返回反射区R的面积成正比，而返回反射区R的面积又是与刻蚀孔开口的宽度D成正比的，当刻蚀孔开口宽度D变大时边界线B1、B2之间的返回反射区R的面积也相应的变大，反之亦然。所以通过检测接收器31接收到的光的强度变化幅度就可以推算出开口宽度D的变化幅度，从而能够检测到刻蚀开口的尺寸偏移，及时调整等离子处理参数或处理硬件故障，避免更大的损失发生。

图3b是与图3a所示实施例类似，主要区别在于接收器31设置的位置和角度不同，在图3b中接收器31与基片平面的夹角θ2小于入射光线与基片的夹角θ，所以接收器31接收的反射光线A3的区域也发生变化。如图3b所示能够反射到接收器31的光线的上下边界B2、B1发生变化。相对图3a中的边界线B1、B2，图3b中的上边界线B2与基片上表面的夹角也减小到θ2，但是下边界B1受刻蚀孔侧壁的遮挡会向上倾斜，所以夹角会大于θ2，相应的最终返回反射区R’的面积也会比图3a中的R的面积减小。所以接收器设置的位置越低，接收的反射光线A3与基片平面夹角θ2越小，相应的能够接收到的有效反射光线A3也会越弱。当接收的有效反射光线A3过小时，识别光学干扰信号和有效反射信号就很难实现，所以θ2不能太小。反之，当接收器与基片表面夹角θ2变大时，返回反射区R’的面积也会变大，更多反射光线进入接收器，但是也会有更多光线从基片上表面反射进入接收器31，所以有效信号在增加的同时干扰光线也在增加，所以θ2也不是越大越好，θ2的设置必须在合理范围内才能保证足够强度的有效反射光A3，同时减小各种干扰光进入接收器31形成干扰。其中θ2的角度范围较佳的在15-45度，最佳的在20-40度范围内能够很好的检测到有效的反射光A3同时减少干扰光接收。

现有技术由于检测的是全部从检测区域反射的反射或散射光线，为了减少噪音并最大可能的接收光学信号，所以入射角度都基本垂直于基片或者大角度入射到基片表面，最终通过接收器接收的也是光斑范围内刻蚀孔和平面区域整体的反射信号，由于晶圆表面的平面区域面积远大于刻蚀孔区域，而且平面区域的反射率也大于刻蚀孔区域，所以接收器接收到的光学信号强度基本只反映了下方光斑区域内平面区域的情况，无法有效分离代表刻蚀孔的光学信号。本发明提供的光学检测装置通过特殊的结构设计，可以分离照射到光斑内平面区域的信号和照射到刻蚀孔开口的信号，通过设置在参考光源同侧也就是入射侧的接收器只选择性的接收照射到刻蚀孔开口返回反射区R的信号，最终成功获得了代表刻蚀孔开口宽度数据的光学信号。接收器设置的角度也位于最佳范围(20-40度)，可以很好的检测到来自刻蚀孔开口的有效反射光同时减少干扰光接收。

在实际运行过程中接收器31除了能接收来自下方光斑区域内大量刻蚀孔的返回反射区R上的反射光，同时也会接收来自晶圆表面平面区域的少量反射光以及腔体100侧壁开口或者窗口照射进入腔体的背景光，为了减少这些背景噪音，本发明提出了一种刻蚀孔尺寸的检测方法，在调试完等离子刻蚀工艺，获得最佳的刻蚀形貌后，将本发明提出的光学检测装置设置到带有刻蚀结构的晶圆上，通过使参考光源选择性照射到晶圆表面没有刻蚀孔/槽的区域，这些区域内只有平面区域，绝大部分入射光束会被反射到远离光源方向，所以此时接收器能接收到的光学信号强度就代表了上述会干扰本发明检测的背景信号强度，将这些光学信号强度作为背景信号强度存入控制器。在后续正式开始大规模生产时，将本发明光学检测装置中参考光源20输出的光束照射到带有刻蚀结构的区域，此时接收器31接收到的信号被输送到控制器，由控制器将接收到的信号强度减去存入控制器的背景信号强度，就能得到来自刻蚀孔开口返回反射区R的反射光强度也就是特征光信号强度，通过持续监测这个光学强度信号，就可以监控在工艺不变情况下不同晶圆在处理过程中刻蚀孔的尺寸是否发生了偏移。

本发明由于监测的是光斑区域内所有刻蚀孔/槽的反射光的平均强度，所以光斑尺寸达到毫米甚至厘米级也不会对检测结果造成很大影响，只要选择的光斑区域内刻蚀孔的数量不是太少都能获得足够的反射光强度。因此本发明对光源的要求很低，对光源基本没有严格要求，只要亮度足够能够在接收器接收就可以。同时接收器在功能设计上只需要检测很小范围内的光强度，也是行业内常见需求，相关零部件也很常见无需特别设计。控制器也只需要简单的存储不需要复杂的程序运算，所以本发明的光学检测装置具有成本低，结构简单，安装方便等优点，无需复杂的精密的光学系统，可以大量安装在等离子处理设备各个腔体中，对完成等离子刻蚀的每一片晶圆及时进行初步检测，一旦发现数据偏差立即纠正避免更大的损失。

本发明通过接收器31来检测回射反射区R的光信号强度来推算出相应的刻蚀孔宽度D，但是当刻蚀孔91的开口形貌发生变化时，比如图3中回射反射区R的轮廓变为一个直角而不是倾斜的曲线时，即使开口宽度D仍保持不变，接收器31接收到的光学信号强度也会发生明显变化，此时就会发生误判。为了综合检测刻蚀孔开口的形貌和开口宽度，本发明提出了如图4所示的第二实施例。第二实施例与第一实施例基本相同，只是多设置了一个接收器33，而且接收器33和31是上下设置的。在长期刻蚀过程中如果刻蚀形貌发生了偏移，回射反射区R内不同部分反射光线的强度和方向均会发生变化。处于不同位置的接收器33和31接收到的光学信号也会发生变化，而且两者的变化不是同比例的，比如31接收到的光会增加，接收器33接收到的反而会减小。如果两个接收器同步同比例的发生了信号强度变大或变小，则说明刻蚀孔开口的形貌基本未变，信号强度的变化来自开口宽度D的变化。通过对两个或更多个接收器信号强度的比较判断就能够综合分析出刻蚀孔是发生了形貌变化或是开口宽度的变化。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于半导体设备的光学检测装置，所述光学检测装置包括一个腔体，腔体内包括一个基座，基座上固定有晶圆，晶圆上表面具有刻蚀形成的孔或槽，所述晶圆上方设置有一个参考光源用于发射参考光到所述晶圆，还包括一个接收器用于接收从晶圆上反射的参考光，其特征在于，

所述参考光入射到晶圆表面具有刻蚀形成的孔或槽的区域，所述参考光的光束与晶圆平面的夹角小于60度，所述接收器位于参考光源的入射侧，所述接收器与晶圆平面的夹角为15-50度；

一个控制器接收并处理所述接收器接收到的光信号，所述控制器存储有基准光学信号强度，所述控制器比较接收器接收到光学信号强度和基准光学信号强度，判断刻蚀孔或槽的尺寸是否偏移。

2.如权利要求1所述的用于半导体设备的光学检测装置，其特征在于，所述腔体选自半导体设备中的传输腔、真空锁之一。

3.如权利要求1所述的用于半导体设备的光学检测装置，其特征在于，所述刻蚀形成的孔或槽的开口尺寸小于100nm。

4.如权利要求1所述的用于半导体设备的光学检测装置，其特征在于，所述接收器位于参考光源下方或侧面。

5.如权利要求1所述的用于半导体设备的光学检测装置，其特征在于，还包括一个第二接收器位于所述参考光源入射侧，所述两个接收器用于接收晶圆上孔或槽反射的不同角度的光线。

6.一种如权利要求1所述的用于半导体设备光学检测装置的检测方法，其特征在于，包括步骤：

将接收到的光学信号强度减去存储的背景信号强度以获得特征信号强度，所述背景信号强度是所述光学检测装置参考光照射到无刻蚀孔区域时接收的光学信号强度；

比较所述特征信号强度与存储的基准光学信号强度，如果两者差值大于预设阀值则判断刻蚀形成的孔或槽的尺寸发生偏移。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述基准光学信号强度根据如下步骤获得：

照射参考光源到晶圆上无刻蚀孔的区域，接收器获得的背景信号强度存入控制器；

照射参考光源到晶圆上具有合格尺寸刻蚀孔的区域，接收器获得的第二光学信号强度；

第二光学信号强度减去所述背景信号强度获得基准光学信号强度。

8.一种用于半导体设备光学检测的方法，利用权利要求5所述的光学检测装置进行检测，所述控制器比较来自两个接收器的光学信号强度，来自两个光学接收器的光学强度信号发生不同比例变化时判定刻蚀孔开口形貌发生变化。

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