CN108780764A - 用于半导体晶片检验及计量的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种基于正规化信号及反射总强度来确定例如晶片上的层的厚度、表面粗糙度、材料浓度，及/或临界尺寸等值的系统。光源将光束引导于所述晶片的表面处。传感器接收经反射光束且提供至少一对偏振通道。通过控制器接收来自所述偏振通道的所述信号，所述控制器正规化一对所述信号之间的差异，以产生正规化结果。通过用所述系统的模型化分析所述信号来确定所述晶片的所述值。

Description

用于半导体晶片检验及计量的系统及方法
相关申请案的交叉参考
本申请案主张于2015年1月12日申请且让与第62/102,312号美国申请案的临时专利申请案的优先权，所述申请案的揭示内容特此以引用的方式并入。
技术领域
本发明涉及晶片检验及计量。
背景技术
半导体制造商将裸片印刷得尽可能接近晶片边缘以最大化每晶片装置的数目。然而，晶片边缘附近的裸片通常展示最低良率。为解决边缘良率问题，半导体制造商需要控制每一薄膜的边缘所搭边之处，例如在晶片的平坦前表面上或经过平坦表面到倾斜斜面中。半导体制造商还需要使每一薄膜的周边与在装置处理期间沉积于其之前及之后的薄膜的周边相匹配。
当前检验及计量工具用于过程控制，例如用于检验外延晶片，检验且测量光致抗蚀剂边缘珠粒移除(EBR)或检验薄膜在晶片边缘处的z-切割高度。这些当前检验及计量工具检测信号且产生样本的相位图像。然而，按照硬件构造及对准程序，这些信号不存在明确物理平均值。解译信号或将其链接到样本参数可成问题，这已限制进一步发展。此外，由于晶片边缘处的光学器件的收集效率可随晶片而不同，所以从计量要求的观点来看，从原始信号仅可推导出一个量，这限制可从信号提取的信息量。
因此，需要一种用于晶片检验及计量的新颖系统及方法。
发明内容
在第一实施例中，提供一种系统。所述系统包含：平台，其经配置以固持晶片；光源，其经配置以将光束引导于所述平台上的所述晶片的表面处；传感器，其经配置以接收经反射离开所述表面的所述光束且提供至少两个偏振通道；及控制器，其与所述传感器电子通信。所述偏振通道中的每一者提供信号。所述控制器经配置以：接收来自所述偏振通道中的每一者的所述信号；正规化一对所述信号之间的差异以产生正规化结果；及基于所述正规化结果及所述对所述信号的总强度确定所述晶片上的层的值。所述值是厚度、表面粗糙度、材料浓度或临界尺寸中的一者。所述偏振通道中的每一者可由偏振光束分离器产生。所述传感器可为偏振敏感检测器。
在例子中，所述传感器经配置以提供六个所述偏振通道。在此例子中，所述传感器包含：第一光束分离器；第二光束分离器，其经配置以接收来自所述第一光束分离器的光；第一偏振光束分离器，其经配置以接收来自所述第一光束分离器的光；第二偏振光束分离器，其经配置以接收来自所述第二光束分离器的光；及第三偏振光束分离器，其经配置以接收来自所述第二光束分离器的光。所述第一偏振光束分离器经配置以产生所述六个偏振通道的两个偏振通道。所述第二偏振光束分离器经配置以产生所述六个偏振通道的两个偏振通道。所述第三偏振光束分离器经配置以产生所述六个偏振通道的两个偏振通道。所述第一光束分离器可为30/70光束分离器。所述第二光束分离器可为50/50光束分离器。所述第二偏振光束分离器相对于入射平面可成45°且所述第三偏振光束分离器相对于所述入射平面可成0°。四分之一波片可安置于所述第一光束分离器与所述第一偏振光束分离器之间。所述控制器进一步可经配置以正规化所述信号的对以产生三个所述正规化结果且基于所述三个正规化结果确定所述值。
所述控制器可经配置以使用公式V＝(Pq-Sq)/(Pq+Sq)正规化所述对所述信号之间的所述差异，其中Pq及Sq是所述对所述信号，V是所述正规化结果，且Sp＝Pq+Sq是所述总强度。
所述传感器可经配置以提供经反射离开所述表面的所述光束的四个或更少偏振通道。
所述光源可经配置以引导在多个波长下的所述光束。所述光源可为可调激光或在不同波长下工作的多个激光的波长多路复用。
所述控制器可经配置以通过用非线性最小平方优化算法拟合所述对所述信号或所述正规化结果来确定所述层的所述值。
在第二实施例中，提供一种方法。方法包含：将光束从光源引导于晶片的表面处；用传感器接收经反射离开所述表面的所述光束；使用至少一个偏振光束分离器将所述传感器中的所述光束分离成多个偏振通道；从所述偏振通道中的每一者产生信号；正规化一对所述信号之间的差异以产生正规化结果；及基于所述正规化结果及所述对所述信号的总强度确定所述晶片上的层的值。所述值是厚度、表面粗糙度、材料浓度或临界尺寸中的一者。
所述正规化可使用公式V＝(Pq-Sq)/(Pq+Sq)，其中Pq及Sq是所述对所述信号，V是所述正规化结果，且Sp＝Pq+Sq是所述总强度。
所述分离可进一步包括使用三个所述偏振光束分离器将所述光束分离成六个所述偏振通道。所述正规化可进一步包括产生三个所述正规化结果。
所述方法可进一步包括使用模型来分析所述经测量信号以确定所述晶片上的层的所述值。
所述光束可在多个波长下。所述多个波长可由可调激光或由在不同波长下工作的多个激光的波长多路复用产生。
所述确定可包含以非线性最小平方优化算法拟合所述对所述信号或所述正规化结果。
附图说明
为更充分理解本发明的本质及目的，应参考结合附图进行的以下详细描述，在附图中：
图1是根据本发明的系统的实施例的示意图；
图2是根据本发明的图1的传感器的实施例的示意图；
图3是使用图2的传感器来比较信号与厚度的图表；
图4到6是针对具有不同量的锗的Si1-xGex外延层来比较信号与外延层厚度的图表；
图7是针对Pq及Sq来比较信号与厚度的图表；
图8是针对图7的Pq及Sq来比较相位与厚度的图表；及
图9是比较可从图3的六个信号的正规化结果推导出的来自表面的可测量的反射的图表。
具体实施方式
尽管将根据特定实施例来描述所主张的标的物，但其它实施例(包含未提供本文中所阐述的全部优点及特征的实施例)也在本发明的范围内。在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种结构、逻辑、过程步骤及电子改变。
本文中揭示的系统及方法的实施例实现对样本参数的定量监测，且提供经改进的检验能力。系统按波长产生晶片上每点更多个可靠且可测量的量。这增加可能应用且改进结果。从检验工具提取样本参数可帮助检测过程参数漂移，这将使半导体制造商能够采取预防或校正作为。
图1是系统100的实施例的示意图。光源101产生经引导于平台104上的晶片105的表面108处的光束102。光束102在出射到晶片105的表面108之前通过偏振控制器及聚焦机构103。在一个实施例中，光源101可为激光，例如蓝色波长半导体激光。在另一实施例中，光源101可为与波长多路复用技术组合以形成单一光束102的在不同波长下的多个半导体激光。在又一实施例中，光源101可为具有基于特定应用的配方参数设置的波长的可调波长半导体激光。通常以数mW到数百mW的范围内的功率来偏振光束102输出。光源101可经温度控制以改进其稳定性。
平台104可经配置以相对于光束102扫描晶片105。通过平台104的此扫描可在(例如)在x-y平面中。光源101还可经配置以用光束102跨表面108来扫描。独立于用平台104扫描或与其结合，光源101可用光束102来扫描。平台104可提供对晶片105的静电、机械或真空夹箝。
晶片105可为例如半导体晶片。半导体晶片可为150mm、200mm、300mm或450mm直径硅晶片。晶片105还可为其它类型的晶片，例如用以制造发光电二极管(LED)或太阳能电池的晶片。
晶片105包含层109。此层109可为例如外延生长或沉积的层。在例子中，层109是受顶部硅盖层保护的Si1-xGex外延层。层109可为除Si1-xGex外延层之外的其它类型的层。
在反射离开晶片105的表面108之前，光束102可经引导通过偏振控制器及聚焦机构103。在实例中，偏振控制器及聚焦机构103是设置为与入射平面成45°的偏光器。在另一实施例中，偏振控制器及聚焦机构103包含在偏光器后的四分之一波片，其中其光轴偏移达大约45°。偏振控制器及聚焦机构103还可包含控制投射于晶片105上的光束点大小的聚焦光学器件。
传感器106接收经反射离开晶片105的表面108的光束102且提供至少一对偏振通道。每一对偏振通道具有分别接收所述对的偏振状态的对的两个光电二极管(PD)检测器。每一对PD检测器提供对应于两个正交偏振状态的两个强度信号。在实例中，传感器106是偏振敏感检测器。传感器106可具有可由一对、两对、三对或更多对偏振检测器形成的两个、四个、六个或更多个偏振通道。传感器106可包含聚焦机构以准直从表面108出射的光。聚焦机构可改进传感器106的偏振控制准确度及光收集效率。
传感器106与控制器107电子通信。控制器107可包含处理器、与处理器电子通信的电子存储装置，及与处理器电子通信的通信端口。处理器可例如通过电子连接从传感器接收信号。在实例中，控制器107经配置以接收偏振通道中的每一者的信号。接着，控制器107正规化一对信号之间的差异，以产生正规化结果。基于正规化结果，控制器107确定晶片105上的层(例如层109)的值。所述值可为(例如)厚度、表面粗糙度、材料浓度(例如，Si1-xGex层的Ge百分比x)，及/或临界尺寸。
虽然图1中针对偏振控制器及聚焦机构103说明45°定向，但偏振方向及偏光器定向可经旋转以匹配偏光器方向，以优化系统性能或控制出射到表面108的光束102的总强度。偏振控制器及聚焦机构103中的偏光器的定向可为大于或小于45°的角度，以最大化经反射s-及p-偏振状态之间的干扰信号。然而，偏振方向及偏光器定向通常不设置为与入射平面成0°或90°，在所述入射平面处针对各向同性表面108不存在干扰。在例子中，偏振控制器及聚焦机构103包含在偏光器后的四分之一波片。波片及偏光器的光轴设置成45°，以形成出射到表面108的圆偏振光。对应偏振控制器及聚焦机构103的四分之一波片是任选的，且不包含于其它例子中。
图2是具有六个偏振通道的传感器106的实施例的示意图。传感器106具有第一光束分离器200及经配置以接收来自第一光束分离器200的光的第二光束分离器201。第一偏振光束分离器203经配置以接收来自第一光束分离器200的光，且产生六个偏振通道的两个偏振通道(D1、D2)。第二偏振光束分离器204经配置以接收来自第二光束分离器201的光，且产生六个偏振通道的两个偏振通道(D3、D4)。第三偏振光束分离器205经配置以接收来自第二光束分离器201的光，且产生六个偏振通道的两个偏振通道(D5、D6)。虽然图2中将传感器106说明为具有六个偏振通道，但传感器106可包含其它数目个偏振通道。
归因于光束分离器及偏振光束分离器的配置，图2中的三个偏振通道的每一对可测量一或多个不同光学性质。因此，每一对偏振通道可具有独有性质。在实例中，第一光束分离器200是30/70光束分离器，第二光束分离器201是50/50光束分离器，第二偏振光束分离器204及第三偏振光束分离器205相对于入射平面分别成45°及0°。传感器106包含第一光束分离器200与第一偏振光束分离器203之间的四分之一波片206。四分之一波片206及第一偏振光束分离器203的光轴可不同达大约45°。
图3是使用图2的传感器106来比较信号与厚度的图表。标绘来自每一偏振通道的六个信号D1到D6。来自一对偏振通道的信号(例如D1及D2)可用以确定晶片的值。这两个信号可称为Pq及Sq。Pq及Sq可经进一步分析以产生晶片边缘的相位图像。来自一对偏振通道的正规化结果还可提供在确定晶片的值(例如厚度)时的经改进的准确度或精度。
在实例中，使用方程式1来正规化来自所述对偏振通道的信号。
V＝(Pq-Sq)/(Pq+Sq)(方程式1)
Pq-Sq可称为Ph且Pq+Sq可称为Sp。Pq及Sq是所述对信号，V是正规化结果，且Sp是所述对的总强度。V还可称为可见性。在例子中，Pq及Sq是为实数的光子信号。
图4到6是针对具有不同量的锗(x)的Si1-xGex外延层来比较信号与外延层厚度的图表。图4到6中的每一者标绘Pq、Sq及使用方程式1计算的所得V。V相当于外延层厚度及锗浓度。如图5及6中所见，对于较高锗浓度，V对外延层厚度具有较高敏感度。在具有较低锗浓度的样本中(例如在图4中)，V还在薄外延层厚度处反转其正负号。
锗浓度归因于其光学性质而潜在地影响V。锗及硅具有不同折射率及光吸收特性。因此，随着Si1-xGex外延层中锗浓度的改变，从晶片的表面反射的光改变。关于锗浓度对V的影响的其它机制是可能的。除确定Si1-xGex外延层的厚度之外，随锗浓度的信号变化还提供通过分析经测量信号V及Sp而测量Ge浓度的可能性。
每点使用来自设备的额外合格数目可改进对晶片上的层的值的确定准确度。这可涉及更多波长，例如使用多个激光且使用波长多路复用技术预先组合经引导朝向晶片的入射光束路径。这可为检测器中的单独波长；可调制激光且同步对来自每一激光的信号的检测的时间多路复用；或使用波长解多路复用技术以将每一波长发送到多组传感器106(图1中所见)中的一者。可按波长使用每点的更多个可测量信号以改进对晶片上的层的值的确定精度。
图7是针对Pq及Sq比较信号与厚度的图表。图8是针对图7的Pq及Sq比较相位与厚度的图表。Pq及Sq可对应于例如D1及D2、D3及D4或D5及D6，然而图7及8中仅说明D1及D2。图3中针对与图7中的晶片相同的晶片展示来自传感器106的六个信号。
图9是比较来自表面108的可测量反射的图表，其中N、S及C可从图3的六个信号(D1到D6)的正规化结果推导出。N、S及C是根据当系统以特定方式配置时与每一对的不同信号成比例的表面108的偏振特性定义，且可线性组合。在例子中，N、S及C中的每一者与三对正规化差异信号(例如，D5及D6、D1及D2、D3及D4)中的一者成比例。这通过指出S具有与图8中说明的V结果类似的形状而经验证。N、S及C的组合提供比仅例如单独S所提供的信息更多的信息。使用N、S及C对于系统误差(例如晶片边缘的不规则性)更可靠。例如，如果表面108对于s-及p-偏振光的复反射比是Rs及Rp，那么N＝|Rp|-|Rs|；S＝2Im(Rp*conj(Rs))；且C＝2Re(Rp*conj(Rs))。
使用两个或更多个正规化结果可使系统能够测量在0nm到5nm范围内的厚度下的晶片上的层的厚度。归因于对应于两个不同厚度的一个信号电平的不定性(ambiguity)，单独S无法确定在0nm到5nm范围内的层厚度。例如，S及N、S及C或S、N及C可提供充足信息以确定在0nm到5nm范围内的厚度下的晶片上的层的厚度。N、S及C随厚度而不同。为确定厚度，以数学方法确定在所要厚度范围内的所测量的量(N、S及C的组合)。例如，按照图9，单独量S在范围0nm到3nm范围内的两个不同厚度处具有相同值，且单独N在6nm及18nm的厚度处具有相同值。因此，仅运用单独一个量无法确定厚度。
还可基于正规化结果及所述对信号(例如，Sp)的总强度确定晶片上的层的值。
由S、N及C提供的额外信息可确定额外参数。例如，除晶片上的层的层厚度之外，S、N及C的组合还可用以确定所述层中的Ge浓度。由S、N及C提供的额外信息可改进系统准确度及精度。例如，使用S、N及C多元确定(over-determine)晶片上的层的厚度。通过拟合经测量信号(D1到D6，或其经推导量N、S、C)与使用(例如)非线性最小平方优化算法的系统的模型来确定(例如)表面、厚度、浓度及/或粗糙度的值。
虽然揭示正规化结果S、N及C，但可使用更多或更少正规化结果来确定晶片上的层的值。例如，对于待监测的层的更简单结构或较小范围的厚度，则可使用仅S或S及N。对于层的更复杂结构，则可使用S、N、C及额外正规化结果(Sp)。
可在操作之前校准系统100。信号(例如，D1到D6)与样本光学性质(例如，N、S、C或Sp)之间的关系可取决于系统100的配置。随着例如偏振光束分离器的角度的改变，则D1到D6与N、S及C之间的关系也改变。因此，可在操作之前校准系统100。在例子中，测量一组测试晶片或具有已知特性的校准晶片上的一组测试结构以提供D1到D6与N、S及C之间的关系。在此校准过程之后，可从经测量正规化结果(D1到D6)计算样本光学特性(N、S及C)，因而确定D1到D6与N、S及C之间的关系。
可在系统100的操作之前执行光源及检测器波片对准程序。这可将光轴的角度设置为经设计值以使系统保持一致。
虽然揭示Si1-xGex外延层，但此系统可与其它层或其它类型的晶片一起使用。例如，系统可确定氮化物层、绝缘体上硅(SOI)晶片、晶片上的损伤层(例如，植入层)或使用其它类型的沉积形成的其它薄膜的厚度、临界尺寸及/或其它值。在另一实例中，可确定SOI晶片中的硅层的厚度。在又一实例中，可确定于晶片分离或分裂程序中使用的晶片中的硅层或植入区域(例如，氢植入区域)的厚度。在又一实例中，可确定晶片上生长的氧化物层的厚度。在又一实例中，可确定Si的外延层的表面粗糙度或晶体滑移线。在又一实例中，可在EBR程序之前及之后确定光致抗蚀剂厚度。
尽管已关于一或多个特定实施例描述本发明，但应了解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行本发明的其它实施例。因此，本发明被视为仅受限于所附权利要求书及其合理解释。

Claims (20)

1.一种系统，其包括：
平台，其经配置以固持晶片；
光源，其经配置以将光束引导于所述平台上的所述晶片的表面处；
传感器，其经配置以接收经反射离开所述表面的所述光束，且提供至少两个偏振通道，所述偏振通道中的每一者提供信号；及
控制器，其与所述传感器电子通信，其中所述控制器经配置以：
接收来自所述偏振通道中的每一者的所述信号；
正规化一对所述信号之间的差异，以产生正规化结果；及
基于所述正规化结果及所述对所述信号的总强度来确定所述晶片上的层的值，其中所述值是厚度、表面粗糙度、材料浓度，或临界尺寸中的一者。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器是偏振敏感检测器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器经配置以提供六个所述偏振通道，且其中所述传感器包含：
第一光束分离器；
第二光束分离器，其经配置以接收来自所述第一光束分离器的光；
第一偏振光束分离器，其经配置以接收来自所述第一光束分离器的光，其中所述第一偏振光束分离器经配置以产生所述六个偏振通道中的两个偏振通道；
第二偏振光束分离器，其经配置以接收来自所述第二光束分离器的光，其中所述第二偏振光束分离器经配置以产生所述六个偏振通道中的两个偏振通道；及
第三偏振光束分离器，其经配置以接收来自所述第二光束分离器的光，其中所述第三偏振光束分离器经配置以产生所述六个偏振通道中的两个偏振通道。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一光束分离器是30/70光束分离器。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二光束分离器是50/50光束分离器。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二偏振光束分离器相对于入射平面成45°，且所述第三偏振光束分离器相对于所述入射平面成0°。
7.根据权利要求3所述的系统，其进一步包括经安置于所述第一光束分离器与所述第一偏振光束分离器之间的四分之一波片。
8.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器进一步经配置以正规化所述信号的对，以产生三个所述正规化结果，且基于所述三个正规化结果来确定所述值。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以使用公式V＝(Pq-Sq)/(Pq+Sq)来正规化所述对所述信号之间的所述差异，其中Pq及Sq是所述对所述信号，V是所述正规化结果，且Sp＝Pq+Sq是所述总强度。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述偏振通道中的每一者由偏振光束分离器产生。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器经配置以提供经反射离开所述表面的所述光束的四个或更少个偏振通道。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源经配置以引导在多个波长下的所述光束，且其中所述光源是可调激光或在不同波长下工作的多个激光的波长多路复用。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器经配置以通过用非线性最小平方优化算法拟合所述对所述信号或所述正规化结果来确定所述层的所述值。
14.一种方法，其包括：
将光束从光源引导于晶片的表面处；
用传感器接收经反射离开所述表面的所述光束；
使用至少一个偏振光束分离器来将所述传感器中的所述光束分离成多个偏振通道；
从所述偏振通道中的每一者产生信号；
正规化一对所述信号之间的差异以产生正规化结果；及
基于所述正规化结果及所述对所述信号的总强度来确定所述晶片上的层的值，其中所述值是厚度、表面粗糙度、材料浓度，或临界尺寸中的一者。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述正规化使用公式V＝(Pq-Sq)/(Pq+Sq)，其中Pq及Sq是所述对所述信号，V是所述正规化结果，且Sp＝Pq+Sq是所述总强度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述分离进一步包括使用三个所述偏振光束分离器将所述光束分离成六个所述偏振通道。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述正规化进一步包括产生三个所述正规化结果。
18.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括使用模型分析经测量信号以确定所述晶片上的层的所述值。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述光束是在多个波长下，其中所述多个波长是由可调激光或由在不同波长下工作的多个激光的波长多路复用产生。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述确定包括用非线性最小平方优化算法来拟合所述对所述信号或所述正规化结果。
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