CN111065912A - 半导体器件的检查系统及其相关的检查方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件的检查系统包括用于产生光束的光源、包括至少一个超透镜的透镜模块、接收器以及处理器。在检查过程期间，从光源发射的光束被透镜模块的超透镜聚焦在目标对象上并且被目标对象反射以形成反射光。接收器用于接收反射光。处理器用于接收对应于反射光的电信号并且生成检查结果。

Description

半导体器件的检查系统及其相关的检查方法

技术领域

本发明涉及检查系统及其相关的检查方法，更具体而言涉及半导体器件的检查系统及其相关的检查方法。

背景技术

随着半导体技术的高速发展，半导体器件的集成在缩小半导体器件的特征尺寸的趋势中变得越来越强。因此，尤其重要的是检查具有更小尺寸的缺陷以便提高良率。在当前检查技术中，用于检查半导体器件缺陷的高级检查系统之一，例如KLA2930的最小像素尺寸为36纳米(nm)，从而其具有检查极限，即检查系统KLA2930不能发现尺寸小于20nm的缺陷。因此，仍然重要的问题是开发一种检查系统和相关方法，用于检查半导体器件上尺寸更小的缺陷。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种半导体器件的检查系统及相关的检查方法，其中在该检查系统中采用了至少一个超透镜。

根据本发明的实施例，提供了一种半导体器件的检查系统。该检查系统包括用于产生光束的光源、包括至少一个超透镜的透镜模块、接收器和处理器。在检查过程期间，从光源发射的光束被透镜模块的超透镜聚焦在目标对象上并且被目标对象反射以形成反射光。接收器用于接收反射光。处理器用于接收对应于反射光的电信号并且产生检查结果。

根据本发明的实施例，提供了一种半导体器件的检查方法。该检查方法包括如下步骤。(a)提供半导体器件的检查系统，其中该检查系统包括用于产生光束的光源；用于接收光束并包括至少一个超透镜的透镜模块；用于接收光束的反射光的接收器；以及用于接收对应于反射光的电信号并产生检查结果的处理器；(b)提供面向透镜模块的目标对象，其中目标对象包括至少一个半导体器件；(c)通过光源发射光束，使得穿过超透镜的光束被聚焦在半导体器件上并由半导体器件形成反射光；(d)在接收器接收反射光之后向处理器发送对应于反射光的电信号；以及(e)根据电信号由处理器产生检查图像以获得检查结果。

包括在透镜模块中的超透镜可以调节光束的振幅、相位、偏振，使得该光束可以被聚焦在目标对象上，突破传统透镜的光衍射极限。因此，半导体器件上缺陷的检查精确度可以达到纳米尺度级别。

在阅读各附图所示的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对于本领域的普通技术人员来说毫无疑问将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的半导体器件检查系统的示意图。

图2是根据本发明的超透镜示例的顶视图的示意图。

图3是根据本发明的超透镜光路的示意图。

图4是超透镜另一示例的顶视图的示意图。

图5是根据本发明第二实施例的半导体器件检查系统的示意图。

图6是根据本发明的半导体器件检查方法的工艺流程图。

具体实施方式

尽管对具体配置和布置进行了讨论，但应当理解，这只是出于示例性目的而进行的。相关领域中的技术人员将认识到，在不脱离本公开的实质和范围的情况下，可使用其他的配置和布置。对相关领域的技术人员显而易见的是，本公开还可用于多种其他应用。

要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定的特征、结构或特性。此外，这样的措辞用语未必是指相同的实施例。另外，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现此类特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围之内。

通常，可以至少部分从语境中的使用来理解术语。例如，至少部分根据语境，可以使用本文中使用的术语“一个或多个”描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。类似地，至少部分取决于语境，诸如“一”、“一个”或“该”的术语也可以被理解为传达单数使用或传达复数使用。

应当容易理解，本公开中的“在……上”、“在……上方”和“在……之上”的含义应当以最宽方式被解读，使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且包括在某物“上”且之间有居间特征或层，且“在……上方”或“在……之上”不仅表示“在”某物“上方”或“之上”的意思，而且还可以包括“在”某物“上方”或“之上”且之间没有居间特征或层(即，直接在某物上)的意思。

此外，空间相关术语，诸如“在……之下”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等等可以在本文中用于描述的方便来描述一个元件或特征与另外一个或多个元件或一个或多个特征的关系，如在附图中示出的。空间相对术语旨在涵盖除了在附图所示取向之外的设备使用或操作过程中的不同的取向。设备可以另外的方式取向(旋转90度或在其他的取向)，并且本文中使用的空间相对描述词可以类似被相应地解释。

如本文所用，术语“衬底”是指向其上增加后续材料层的材料。可以对衬底自身进行构图。在衬底顶部上增加的材料可以被构图或可以保持不被构图。此外，衬底可以包括宽范围的半导体材料，例如硅、锗、砷化镓、磷化铟等。或者，衬底可以由不导电材料，例如玻璃、塑料或蓝宝石晶圆制成。

如本文所用，术语“标称/标称地”是指在生产或处理的设计阶段期间设置的针对部件或工艺操作的特性或参数的期望值或目标值，以及高于和/或低于期望值的值的范围。该值的范围可能是由于制造工艺或容限中的轻微变化。如本文所用，术语“大约”表示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于该特定技术节点，术语“大约”可以表示给定量的值，该给定量的值例如在该值的10～30％之内变化(例如，该值的±10％、±20％或±30％)。

参考图1，图1是根据本发明第一实施例的半导体器件检查系统的示意图。如图1所示，半导体器件204可以指半导体晶圆或半导体衬底上充当目标对象200的任何元件。例如，半导体器件204可以指(但不限于)电路、晶体管、导电线、电容器、电感、天线等。半导体晶圆或半导体衬底可以包括要检查的多个半导体器件204。本发明的半导体器件检查系统可以用于检查半导体器件204的结构和/或图案的缺陷。在第一实施例中，用于检查半导体器件204的检查系统100包括光源102、透镜模块104、接收器106和处理器108。光源102可以产生光束L1。光束L1可以是具有任何适当波长的光，例如具有从390nm到700nm波长范围的可见光或具有从315nm到390nm波长范围的紫外线，但不限于此。在检查过程中，目标对象200可以被放置在检查系统100所包括的基板112上。

透镜模块104包括用于在检查过程期间调节光束L1的光路的一个或多个透镜。具体而言，透镜模块104包括至少一个超透镜ML1，其可以在检查过程期间将光源102发射的光束L1聚焦到目标对象200上。具体地，超透镜ML1包括透明衬底SB和设置在透明衬底SB的侧面SBa上的超表面MS。在本实施例中该侧面SBa面向目标对象200，这意味着在检查过程期间，超表面MS被设置在透明衬底SB和目标对象100之间，但本发明不限于此，并且透明衬底SB的设置超表面MS的侧面SBa在另一个实施例中可以面向光源102。稍后将详细介绍超透镜ML1的结构和属性。

如图1所示，在光束L1穿过透镜模块104的超透镜ML1时，光束的路径被调节，被示为光束L1’。在光束L1’被聚焦在目标对象200上的半导体器件204a上时，其被目标对象200的半导体器件204a反射形成反射光L2，并且反射光L2将进入接收器106。然后，处理器108可以接收对应于反射光L2的电信号并因此产生检查结果。例如，处理器108可以处理电信号以产生检查图像，例如灰度图像作为检查结果。在一些实施例中，可以将检查图像与预定设计图像比较以判断是否存在缺陷，并且可以输出比较结果以获得检查结果。

在执行检查过程时，光源102向对应于将被检查的半导体器件204(例如图1中的半导体器件204a)的位置移动，并且透镜模块104也可以向对应于将被检查的半导体器件204a的位置移动。例如，光源102和透镜模块104被配置为可以作为整体移动或可以一起移动的单元，但不限于此。

任选地，检查系统100还可以包括用于接收穿过接收器106的反射光L2的光电转换器110，其中该光电转换器110能够产生对应于反射光L2的电信号并向处理器108发送该电信号。具体地，接收器106可以包括能够调节反射光L2的路径的一个或多个透镜106a，以便形成对应于半导体器件204a的图像。具体而言，接收器106可以包括一个或多个超透镜(在接收器106的局部放大图片中被示出为超透镜ML2)，其可以调节反射光L2的路径并且聚焦反射光L2以向光电转换器110形成对应于半导体器件204a的高分辨率图像。然后，光电转换器110可以产生对应于高分辨率图像(或反射光L2)的电信号并将该电信号发送到电连接到光电转换器110的处理器108。在变体实施例中，光电转换器110可以被并入到接收器106中，并且该接收器106包括光电转换器110的功能且电连接到处理器108。在这种情况下，接收器106可以向处理器108发送对应于由接收器106接收的反射光L2的电信号。

在检查半导体器件204a之后，光源102和透镜模块104可以被移动到对应于目标对象200上的多个半导体器件204中的另一个半导体器件的位置，例如相邻半导体器件204b的位置。然后，可以重复检查步骤，例如由光源102产生穿过透镜模块104的光束L1，并且将光束L1’聚焦到要检查的半导体器件204b上，形成反射光L2以进入接收器106，向处理器108产生对应于反射光L2的电信号，以及由处理器108产生检查结果。本文将不再重复检查步骤的冗余描述。

参考图2和图3，图2是根据本发明的超透镜示例的顶视图的示意图，而图3是根据本发明的超透镜的光路的示意图。图2和图3中所示的超透镜ML可以是图1中的超透镜ML1的示例或超透镜ML2的示例。如图2中所示，超透镜ML包括透明衬底SB和设置在透明衬底SB的侧面SBa上的超表面MS。具体地，超表面MS包括由设置在透明衬底SB上的多个纳米结构NS构成的2维(2D)表面共振器。纳米结构NS包括具有特定电磁属性的金属材料并且被布置成特定布置或图案以形成2D结构。例如，纳米结构NS的尺寸小于入射光的波长。换言之，纳米结构NS的尺寸例如可以小于例如390nm甚至小于315nm。因此，通过设计纳米结构NS的形状、图案、尺寸和布置，具有特定设计的纳米结构NS的超表面MS可以与入射光或入射光的光子相互作用，以便阻挡、吸收、增强或折射进入超表面MS的光的光子并进一步将光聚焦到预定表面。在本示例中，纳米结构NS具有圆化的顶表面并且被布置为若干个同心圆。

应当指出，图1中所示的超透镜ML1和超透镜ML2可以采用具有不同布置、形状、顶表面和/或结构的纳米结构NS的各种类型的超透镜并且不限于图2。如图3所示，由于纳米结构NS的特定尺寸、结构和布置设计，在入射光Lin穿过超透镜ML时，可以以高清晰度或分辨率被聚焦在预定位置处，如出射光Lex所示。换言之，光场可以由纳米结构NS的设计控制。

图4是超透镜另一示例的顶视图的示意图。在图4中，纳米结构NS的顶表面是矩形，并且纳米结构NS的纵向轴线可以沿各方向延伸。应当指出，图2和图4中示出的超透镜ML的示例的图案和布置并非意在限制在本发明的检查系统100中使用的超透镜ML1和超透镜ML2(图1中所示)，并且超透镜ML1和超透镜ML2可以基于需要而各自采用不同类型的超透镜。

参考图5，图5是根据本发明第二实施例的半导体器件检查系统的示意图。在本实施例中，透镜模块104中的超透镜ML1的由纳米结构NS构成的超表面MS在检查过程期间被设置在透明衬底SB的面向光源102的侧面SBa上。换言之，在执行检查过程时，纳米结构NS被设置在透明衬底SB和光源102之间。此外，接收器106可以包括或不包括超透镜。

图6是根据本发明的半导体器件检查方法的工艺流程图。半导体器件的检查方法包括以下步骤：

步骤S100：提供检查系统，其中该检查系统包括用于产生光束的光源；用于接收光束并包括至少一个超透镜的透镜模块；用于接收光束的反射光的接收器；以及用于接收对应于反射光的电信号并产生检查结果的处理器。

步骤S102：提供面向透镜模块的目标对象，其中该目标对象包括至少一个半导体器件。

步骤S104：通过光源发射光束，使得穿过超透镜的光束被聚焦在半导体器件上并由半导体器件形成反射光。

步骤S106：在接收器接收反射光之后向处理器发送对应于反射光的电信号。

步骤S108：根据电信号由处理器产生检查图像以获得检查结果。

步骤S110：任选地输出检查结果。

如果需要检查多个半导体器件，所述方法可以包括将光源和透镜模块移动到对应于目标对象上的多个半导体器件中的另一个半导体器件的位置的步骤112，以及重复用于检查目标对象上的每个半导体器件的步骤104到步骤108。在步骤S108或步骤S110中，在处理器产生检查图像时，可以将其与预定设计图像比较以判断是否存在缺陷，并且可以输出比较结果以获得检查结果。或者，可以将通过不同检查过程中的过程而产生的检查图像进行彼此比较，以确定哪些半导体器件具有缺陷。

根据一些实施例，用于对光路成像的透镜都是超透镜。例如，透镜模块和接收器中的所有透镜都可以是超透镜，但不限于此。根据本发明，具有不同波长范围的各种类型的光都可以用于检查中，用于扫描半导体器件，例如可见光和紫外线。超透镜可以形成用于全频带可见光和紫外线的高分辨率图像。换言之，在执行检查过程时，由光源发射的光束可以具有宽波长范围。然而，在一些实施例中，可以采用具有特定波长的光以执行检查过程。可以基于要检查的半导体器件或层的材料来选择所采用的光。例如，在检查光致抗蚀剂层时，可以采用可见光作为用于扫描光致抗蚀剂层的光束，以便防止具有高能量的光对光致抗蚀剂层造成影响。

包括在透镜模块中的超透镜可以调节光束的振幅、相位、偏振，使得该光束可以被聚焦在目标对象上，突破传统透镜的光衍射极限。此外，接收器中的超透镜还具有控制光场的能力以使得反射光能够被聚焦在光电转换器上，以便形成高分辨率图像。因此，半导体器件上缺陷的检查精度可以达到纳米尺度(Xnm，其中X≤10)级别。可以检查出具有小于20nm尺寸的缺陷，从而能够改善制造半导体器件的良率。

本领域的技术人员将容易发现，可以对该装置和方法做出多种修改和更改同时保持本发明的教导。因此，应当将以上公开解释为仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (18)

1.一种半导体器件的检查系统，包括：

用于产生光束的光源；

包括至少一个超透镜的透镜模块，其中，在检查过程期间，从所述光源发射的所述光束被所述透镜模块的所述超透镜聚焦在目标对象上并且被所述目标对象反射以形成反射光；

用于接收所述反射光的接收器；以及

用于接收对应于所述反射光的电信号并且生成检查结果的处理器。

2.根据权利要求1所述的半导体器件的检查系统，其中，所述超透镜包括透明衬底和设置在所述透明衬底的侧面上的超表面。

3.根据权利要求2所述的半导体器件的检查系统，其中，所述超表面包括由设置在所述透明衬底上的多个纳米结构构成的2维(2D)表面共振器。

4.根据权利要求2所述的半导体器件的检查系统，其中，所述透明衬底的在其上设置所述超表面的所述侧面在所述检查过程期间面向所述光源。

5.根据权利要求2所述的半导体器件的检查系统，其中，所述透明衬底的在其上设置所述超表面的所述侧面在所述检查过程期间面向所述目标对象。

6.根据权利要求1所述的半导体器件的检查系统，其中，所述接收器包括至少一个超透镜，并且所述接收器的所述超透镜能够聚焦所述反射光以形成高分辨率图像。

7.根据权利要求1所述的半导体器件的检查系统，还包括用于接收穿过所述接收器的所述反射光的光电转换器，其中，所述光电转换器能够产生对应于所述反射光的所述电信号并且向所述处理器发送所述电信号。

8.根据权利要求1所述的半导体器件的检查系统，所述处理器能够处理所述电信号以产生检查图像作为所述检查结果。

9.根据权利要求1所述的半导体器件的检查系统，其中，所述目标对象是半导体晶圆或半导体衬底。

10.一种半导体器件的检查方法，包括以下步骤：

(a)提供半导体器件的检查系统，所述检查系统包括：

用于产生光束的光源；

用于接收所述光束的透镜模块，其中，所述透镜模块包括至少一个超透镜；

用于接收所述光束的反射光的接收器；以及

用于接收对应于所述反射光的电信号并且生成检查结果的处理器；

(b)提供面向所述透镜模块的目标对象，其中，所述目标对象包括至少一个半导体器件；

(c)通过所述光源发射所述光束，使得穿过所述超透镜的所述光束被聚焦在所述半导体器件上并且由所述半导体器件形成反射光；

(d)在所述接收器接收所述反射光之后向所述处理器发送对应于所述反射光的所述电信号；以及

(e)根据所述电信号由所述处理器产生检查图像，以获得检查结果。

11.根据权利要求10所述的半导体器件的检查方法，其中，所述超透镜包括透明衬底和设置在所述透明衬底的侧面上的超表面。

12.根据权利要求11所述的半导体器件的检查方法，其中，所述超表面包括由设置在所述透明衬底上的多个纳米结构构成的2维(2D)表面共振器。

13.根据权利要求11所述的半导体器件的检查方法，其中，所述透明衬底的在其上设置所述超表面的所述侧面在检查过程期间面向所述光源。

14.根据权利要求11所述的半导体器件的检查方法，其中，所述透明衬底的在其上设置所述超表面的所述侧面在检查过程期间面向所述目标对象。

15.根据权利要求10所述的半导体器件的检查方法，其中，所述接收器包括超透镜，并且所述超透镜能够聚焦所述反射光以形成高分辨率图像。

16.根据权利要求10所述的半导体器件的检查方法，其中，所述检查系统还包括用于接收穿过所述接收器的所述反射光的光电转换器，并且所述光电转换器能够产生对应于所述反射光的所述电信号并且向所述处理器发送所述电信号。

17.根据权利要求10所述的半导体器件的检查方法，其中，所述目标对象是半导体晶圆或半导体衬底。

18.根据权利要求10所述的半导体器件的检查方法，其中，所述目标对象包括多个半导体器件，并且所述检查方法包括步骤(f)：将所述光源和所述透镜模块移动到对应于所述目标对象上的所述多个半导体器件中的另一半导体器件的位置，以及重复所述步骤(c)到所述步骤(e)，以检查所述目标对象上的每个半导体器件。

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