CN111415875A - 半导体检测装置、检测方法及半导体工艺装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体检测装置、检测方法及半导体工艺装置，其中检测装置包括：晶圆承载装置，用于承载待检测晶圆；入射光系统，发射第一入射光；光束整形系统，将所述第一入射光整形成第一环形入射光，所述第一环形入射光经待检测晶圆的反射形成第一反射光；光学信号分拣系统，用于自所述第一反射光中分拣出非线性光学信号；控制系统，用于根据所述非线性光学信号获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。本发明用于实现制程中非破坏性的原子级缺陷检测，同时消除检测过程中非线性光学信号的各向异性。

Description

半导体检测装置、检测方法及半导体工艺装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体检测装置、检测方法及半导体工艺装置。

背景技术

在半导体制程中，容易因工艺或材料上的缺陷造成器件良率下降，并导致生产成本提高。现有的常规良率检测方式分为电学检测和线上量检测。

其中，电学检测能够用于发现影响器件电学性能的缺陷。然而，常规的电学检测仅能应用于后段(简称BEOL，Back End Of Line)或封装测试，无法在制程中实时发现问题并加以解决。即电学检测自问题出现至能够被检测的周期过长，容易造成无效制程的浪费，而且检测速度慢，无法实现批量化检测。

另一种传统线上量检测虽然能够实现制程中的实时检测，例如扫描电镜检测、光学明视野检测等，但其检测类型具有局限性。具体的，线上量检测通常适用于宏观物理性缺陷，例如颗粒(particles)和图案缺陷(pattern defects)等，一旦检测需求进入原子尺寸级缺陷时，线上量检测即无法满足检测需求。

综上，对于先进制程研发生产中由于采用新型材料及工艺流程所导致的原子级缺陷问题的实时检测，是目前半导体良率检测领域亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种半导体检测装置、检测方法及半导体工艺装置，用于实现制程中非破坏性的原子级缺陷检测，同时消除检测过程中非线性光学信号的各向异性。

为解决上述问题，本发明提供一种半导体检测装置，包括：晶圆承载装置，用于承载待检测晶圆；入射光系统，发射第一入射光；光束整形系统，将所述第一入射光整形成第一环形入射光，所述第一环形入射光经待检测晶圆的反射形成第一反射光；光学信号分拣系统，用于自所述第一反射光中分拣出非线性光学信号；控制系统，用于根据所述非线性光学信号获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。

可选的，所述光束整形系统包括：第一轴锥镜，用于会聚所述第一入射光形成第一会聚光；第二轴锥镜，用于发散所述第一会聚光形成所述第一环形入射光。

可选的，还包括聚焦单元，所述聚焦单元包括透镜。

可选的，所述透镜还包括通孔，所述通孔沿着所述透镜的中心轴贯穿所述透镜。

可选的，所述非线性光学信号包括二次谐波信号、三次谐波信号、和频响应信号以及差频响应信号。

可选的，还包括：晶圆对准对焦系统，所述晶圆对准对焦系统包括：成像单元，用于获取待检测晶圆表面不同位置的成像图案；传感器，用于获取所述待检测晶圆在第一方向上的位置信息，所述第一方向垂直于所述待检测晶圆表面。

可选的，所述控制系统包括：成像运算单元，用于根据所述待检测晶圆表面不同位置的成像图案获取所述待检测晶圆的位置信息；第一位置控制单元，用于根据所述位置信息沿着平行基准平面方向移动所述晶圆承载装置，以实现第一环形入射光在所述待检测晶圆表面对准，所述基准平面平行于所述待检测晶圆表面。

可选的，所述控制系统包括：第二位置控制单元，用于根据所述第一方向上的位置信息移动所述晶圆承载装置，以实现第一环形入射光在所述待检测晶圆表面对焦。

可选的，所述入射光系统包括：第一光源，用于发射第一初始入射光；第一入射光调制单元，用于对所述第一初始入射光进行调制，形成第一初始调制入射光；分光器，用于通过所述第一初始调制入射光，形成发射至待检测晶圆的所述第一入射光。

可选的，所述第一光源包括激光发射器。

可选的，还包括：光学准直单元：用于准直所述第一反射光，经过准直后的第一反射光入射至所述光学信号分拣系统。

可选的，还包括：光学准直单元：用于准直所述第一反射光，经过准直后的第一反射光分别经过所述光束整形系统、所述分光器后入射至所述光学信号分拣系统。

可选的，所述光学信号分拣系统包括：滤光器，用于通过具有预设波长范围的部分第一反射光，以形成第一过渡光学信号；偏振器，用于通过具有预设偏振参数的所述第一过渡光学信号，以形成所述非线性光学信号。

可选的，所述光学信号分拣系统包括：偏振器，用于通过具有预设偏振参数的部分第一反射光，以形成第二过渡光学信号；滤光器，用于通过具有预设波长范围的所述第二过渡光学信号，以形成所述非线性光学信号。

可选的，还包括：主信号采集系统，用于获取所述非线性光学信号，并将所述非线性光学信号传输至所述控制系统。

可选的，还包括：附加信号采集系统，用于自所述第一反射光中获取附加光学信号，并将所述附加光学信号传输至所述控制系统。

可选的，所述晶圆承载装置包括：承载盘，用于承载待检测晶圆；设置于所述承载盘的固定装置，用于将待检测晶圆固定于承载盘表面；机械移动组件，用于驱动所述承载盘沿着平行所述待检测晶圆的表面运动。

可选的，所述晶圆承载装置还包括旋转装置，用于驱动所述承载盘沿中心轴线自转。

可选的，所述固定装置为真空吸盘或固定于承载盘边缘的卡扣。

相应的，本发明还提供一种半导体工艺装置，包括：工艺腔，所述工艺腔上具有工艺窗口；上述的半导体检测装置，所述入射光系统、所述光束整形系统、所述光学信号分拣系统以及所述控制系统位于所述工艺腔外，且所述第一环形入射光通过所述工艺窗口垂直入射到所述待检测晶圆上。

相应的，本发明还提供一种采用上述半导体检测装置进行的检测方法，包括：提供待检测晶圆；发射第一入射光；将所述第一入射光整形成第一环形入射光，所述第一环形入射光经待检测晶圆的反射形成第一反射光；获取所述第一反射光，并从所述第一反射光中分拣出非线性光学信号；根据所述非线性光学信号获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。

可选的，所述待检测晶圆包括：基底、以及位于基底表面的介质层。

可选的，所述第一缺陷信息包括所述基底与介质层之间界面处的界面电学属性缺陷；所述界面电学属性缺陷包括：界面态电荷势阱缺陷、介质层固有电荷分布及缺陷以及基底半导体掺杂浓度。

可选的，所述待检测晶圆包括：基底、以及位于基底表面的半导体层；所述半导体层的材料为化合物半导体材料或单质半导体材料。

可选的，化合物半导体材料包括砷化镓、氮化镓或碳化硅；所述半导体层的形成工艺包括外延工艺。

可选的，所述第一缺陷信息包括：晶体结构缺陷、半导体层内部应力分布以及半导体层的外延厚度。

可选的，所述晶圆承载装置包括：承载盘，用于承载待检测晶圆；设置于所述承载盘的固定装置，用于将待检测晶圆固定于承载盘表面；机械移动组件，用于驱动所述承载盘运动；旋转装置，用于驱动所述承载盘沿中心轴线自转；所述检测方法包括：通过所述机械移动组件的驱动，使所述承载盘在平行于待检测晶圆表面方向作直线运动，使第一环形入射光的入射点沿承载盘的半径方向在承载盘的中心和边缘之间运动；在通过所述机械移动组件进行驱动时，通过旋转装置驱动所述承载盘沿所述承载盘的中心轴线自转。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

入射光系统发射出第一入射光，在光学整形系统的作用下将第一入射光整形成第一环形入射光，在向自待检测晶圆表面反射的第一环形入射光中，分拣出用于检测的非线性光学信号。一方面利用非线性光学信号能够用于表征界面态电荷势阱缺陷、介质层固有电荷及缺陷或者半导体晶体结构缺陷，实现半导体制程中实时进行非破坏的半导体器件原子级缺陷检测；另外，待检测晶圆的方位角的差异导致非线性信号的各向异性，而方位角取决与入射面与晶格取向的夹角，当采用第一环形入射光作为入射光时，方位角的差异变成若干方位角的差异叠加，消除了方位角的差异，由于方位角的差异得到消除，从而非线性信号的各向异性也得到消除。

附图说明

图1至图11是本发明各实施例的半导体检测装置以及半导体工艺装置的结构示意图；

图12是本发明实施例中第一环形入射光的扫描轨迹图；

图13是本发明实施例的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，实现制程中实时检测原子级缺陷检测，是目前半导体良率检测领域亟待解决的问题之一。

为了解决在半导体先进制程研发生产中由于新型材料与工艺流程中出现的原子级缺陷的实时检测问题，本发明实施例提供一种半导体检测装置及检测方法，利用向待检测晶圆表面入射环形光，不仅可以消除待检测晶圆在检测过程中的各项异性，同时能够自第一反射光中分拣出用于检测的非线性光学信号，以此表征界面态电荷势阱缺陷、介质层固有电荷及缺陷或者半导体晶体结构缺陷，从而实现非破坏性的半导体器件原子级缺陷检测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1至图9是本发明各实施例的半导体检测装置的结构示意图。

请参考图1，所述半导体检测装置的结构包括：

晶圆承载装置100，用于承载待检测晶圆101；

入射光系统200，发射第一入射光210；

光束整形系统300，将所述第一入射210光整形成第一环形入射光310，所述第一环形入射光310经待检测晶圆的反射形成第一反射光311；

光学信号分拣系统400，用于自所述第一反射光311中分拣出非线性光学信号312；

控制系统500，用于根据所述非线性光学信号312获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。

本实施例中，利用所述光束整形系统300将第一入射光210光整形成第一环形入射光310，可以消除非线性信号的各向异性。这是由于非线性光学信号的偏差来自于方位角的误差，第一环形入射光310垂直入射到所述待检测晶圆101的表面上，使得方位角的误差变成若干个方位角误差的叠加，消除了不同位置方位角误差的差异，而非线性光学信号的偏差也变成若干个方位角误差的叠加，从而消除了非线性光学信号的各向异性。

本实施例中，方位角是指入射平面与表示晶圆取向的任何特定方向(例如，晶圆缺口或特定晶轴方向)之间的相对角度。

以下将结合附图进行详细说明。

所述半导体检测装置能够通过非线性光学信号312表征所述待检测晶圆101内的原子级的缺陷，从而实现在工艺制程中，实时地非破坏性地获得晶圆内原子级缺陷或晶体缺陷。

具体的，通过以所述第一环形入射光310入射至所述待检测晶圆101表面的待测位置，使待检测晶圆101的材料与所述第一环形入射光310的光场发射相互作用而产生光学响应，而所述光学响应中的非线性光学信号312即能够用于表征待检测晶圆101内的原子级的缺陷。由于采用的是光学检测手段，因此无需对所述待检测晶圆101进行破坏性检测，而且，所述光学检测能够在工艺制程中的某些关键节点进行，从而实现缺陷的实时发现以及时对制程进行改进。

所述非线性光学信号312包括和频响应(SFG)、差频响应(DFG)、二次谐波信号(SHG)、三次谐波信号(THG)及更高阶的非线性光学信号。

本实施例中，请参考图2，所述待检测晶圆101包括：基底110、以及位于基底110表面的介质层111；在本实施例中，所述基底110的材料为单晶硅，所述介质层111的材料为氧化硅。在其它实施例中，所述基底110材料还能够为其它具有中心对称性的半导体材料；所述介质层111的材料为其它介质材料，例如氮化硅、氮氧化硅、高K介质材料(介电常数大于3.9)、低K介质材料(介电常数大于2.5小于3.9)或超低K介质材料(介电常数小于2.5)。

所述非线性光学信号312能够对介质层111与基底110之间界面处的界面态电荷势阱缺陷(Dit:interfacial trap density)以及介质层内的固有电荷及缺陷进行表征。其中，所述界面态电荷势阱缺陷分布于半导体与氧化膜的分界面处；所述介质层内的固有电荷及缺陷分布于所述介质层内部，所述介质层111固有电荷及缺陷是因介质层111在成膜过程中的工艺因素引入的固有缺陷，也可由后续工艺造成的材料损伤。所述界面态电荷势阱缺陷或介质层固有电荷及缺陷会引起介质层111和基底110之间的电学性能的劣化。

具体的，由于所述基底110的材料为单晶硅，而所述单晶硅为中心对称性材料，当所述介质层111与基底110界面处存在界面态电荷A，或者所述介质层111内部存在固有电荷B时，所述界面态电荷A或固有电荷B会诱导基底110内的空间电荷分布发生变化。一旦基底内的空间电荷分布发生变化，则会导致单晶硅材料因中心对称性遭到破坏而产生电场诱导信号。而所述非线性光学信号312与所述电场诱导信号发生耦合后，即能够反映所述基底110内的空间电荷分布变化，继而表征出介质层111与基底110界面处界面态电荷势阱缺陷分布，或者所述介质层111内部固有电荷及缺陷分布。

在一实施例中，所述介质层111经过图形化。在另一实施例中，所述介质层111未经过图形化。

在另一实施例中，请参考图3，所述待检测晶圆101包括：基底120、以及位于基底120表面的半导体层121；所述半导体层121的材料为化合物或单质半导体材料；化合物半导体材料包括砷化镓、氮化镓、碳化硅。所述非线性光学信号312能够对所述化合物半导体材料中的晶体结构缺陷作出响应，从而实现对所述半导体层121的晶体质量进行实时监控。

在该实施例中，所述半导体层以外延工艺形成在所述基底表面，当所述外延工艺引起所述半导体层内产生晶体结构缺陷时，所述晶体结构缺陷会与所述非线性光学信号312耦合，使得非线性光学信号312能够表征所述晶格缺陷或者晶体均匀性缺陷。其中，所述晶体结构缺陷包括晶格缺陷或者晶体均匀性缺陷，所述晶体均匀性缺陷指的是晶格的有序排列发生畸变处的缺陷。

在一实施例中，所述半导体层121经过图形化。在另一实施例中，所述半导体层121未经过图形化。

请继续参考图1，本实施例中，入射光系统200，包括；第一光源201，用于发射第一初始入射光；第一入射光调制单元202，用于对所述第一初始入射光进行调制，形成第一初始调制入射光；分光器203，用于通过所述第一初始调制入射光，形成发射至光束整形系统的所述第一入射光210。

本实施例中，所述第一光源201包括激光发射器。

参考图4，本实施例中，所述第一入射光调制单元202包括：调制装置220，用于改变第一初始入射光2011的光强、偏振参数和焦距中的一者或多者；监控装置221，用于监控所述第一初始调制入射光2012的入射光信息，并将所述入射光信息反馈至所述控制系统500。

其中，入射光信息包括：功率、光强、偏振参数和焦距等。

请参考图5，所述光束整形系统300，包括第一轴锥镜301，用于会聚所述第一入射光210形成第一会聚光211；第二轴锥镜302，用于发散所述第一会聚光211形成所述第一环形入射光310。

本实施例中，由于所述光束整形系统300将入射光整形成第一环形入射光310，使得在所述第一环形光入射到所述待检测晶圆101上时，所述非线性信号312的偏差不再是依赖部分方位角的误差，而是对依赖所有方位角的误差，使得所述非线性信号312的各向异性的得到消除。

继续参考图5，还包括所述聚焦单元303，所述聚焦单元303包括透镜304，所述聚焦单元303将所述第一环形入射光310聚焦到所述待检测晶圆101的表面。

本实施例中，所述透镜304为单独的透镜；其他实施例中，所述透镜305还可为透镜组或渐变折射率透镜或者其他曲面镜来实现相同功能。

另一实施例中，所述透镜304还包括通孔，所述通孔沿着所述透镜304的中心轴，贯穿所述透镜304。

本实施例中，所述通孔可以用于放置一些部件，从而节约空间。

本实施例中，通过所述光束整形系统300将准直高斯光光束整形呈第一环形光束310(贝塞尔)光束并聚焦到所述待检测晶圆101上。所述第一环形光束310虽然垂直入射到所述待检测晶圆101的表面上，但是入射角并非为零，而入射角是由直径与聚焦焦距决定的。因此聚焦光束入射角可以有第一环形入射光310直径调节。由于采用垂直入射的方式，所述光束整形系统300的集成度高，占用体积小，入射角的调节具有很好的灵活性。同时由于第一环形入射光310，聚焦的球面相差可以大幅度减小。

本实施例中，所述非线性信号312来自与聚焦的所述第一环形光束，由于所述第一环形入射光310呈环形状，来自所述待检测晶圆101的各向异性被自动消除，原因是信号是所有方位角上的积分，因此所有方位角依赖性消失。

同时信号由原来依赖方位角I(φ)∝∣P(φ)∣²，变成对所有方位角的相干叠加

其中φ表示：方位角；I表示：在所有方位角上积分后的总信号；P表示：每个方位角的信号，使得在所述待检测晶圆101旋转的时候，也不会对所述非线性信号312产生影响。

请参考图6，所述光学信号分拣系统400包括：滤光器401和偏振器402。在本实施例中，所述滤光器401用于通过具有预设波长范围的部分第一反射光311，以形成第一过渡光学信号；所述偏振器402用于通过具有预设偏振参数的所述第一过渡光学信号，以形成所述非线性光学信号312。即所述第一反射光311先经过滤光器401的滤波后，再通过所述偏振器402以过滤出具有预设偏振参数的非线性光学信号312。

请参考图7，在另一实施例中，所述偏振器402用于通过具有预设偏振参数的部分第一反射光311，以形成第二过渡光学信号；所述滤光器401用于通过具有预设波长范围的所述第二过渡光学信号，以形成所述非线性光学信号312。

请继续参考图1，本实施例中，所述控制系统500包括：成像运算单元501，用于根据待检测晶圆101表面不同位置的成像图案获取所述待检测晶圆的位置信息；第一位置控制单元502，用于根据所述位置信息沿平行基准平面XY的方向移动所述晶圆承载装置100，所述基准平面XY(即X坐标和Y坐标所构成的平面)平行于所述待检测晶圆101表面，以实现所述待检测晶圆101的对准。

请继续参考图1，本实施例中，半导体检测装置还包括晶圆对准对焦系统600，所述晶圆对准对焦系统600用于使第一环形入射光310在待检测晶圆101表面对准待检测位置并进行对焦。

所述晶圆对准对焦系统600包括：成像单元601，用于获取待检测晶圆101表面不同位置的成像图案；传感器602，用于获取所述待检测晶圆101在第一方向Z上的位置信息，所述第一方向Z垂直于所述待检测晶圆101表面。

当成像单元601获取待检测晶圆101表面不同位置的成像图案后，所述控制系统500能够通过所述成像图案获取待检测晶圆101的位置信息，进而控制晶圆承载装置100移动到所需位置以进行对准。

在本实施例中，所述控制系统500还包括：第二位置控制单元503，用于根据待检测晶圆101在第一方向Z上的位置信息移动所述晶圆承载装置100。

当所述传感器602获取所述待检测晶圆101在第一方向Z上的位置信息后，将所述位置信息发送至所述第二位置控制单元503，所述第二位置控制单元503则根据所述第一方向Z上的位置信息移动所述晶圆承载装置100，直至第一环形入射光310能够在待检测晶圆101表面指定高度对焦。

请继续参考图1及图4，所述调制装置220用于对初始入射光2011的光学参数进行调控。而所述监控装置221能够对初始入射光2011的参数进行实时监控，并将监控得到的入射光信息反馈给控制系统500，所述控制系统500能够根据所获取的入射光信息控制所述调制装置220对初始入射光2011的光学参数进行调整。

参考图8，半导体检测装置还包括光学准直单元305：用于准直所述第一反射光，经过准直后的第一反射光入射至所述光学信号分拣系统400。

另一实施例中，参考图9，半导体检测装置还包括光学准直单元305：用于准直所述第一反射光，经过准直后的第一反射光分别经过所述光束整形系统300、所述分光器203后入射至所述光学信号分拣系统400。

请继续参考图1，本实施例中，还包括：主信号采集系统320，用于获取所述非线性光学信号312，并将所述非线性光学信号传输至所述控制系统500。

本实施例中，所述第一环形入射光310在待检测晶圆101表面产生第一反射光311，所述光学信号分拣系统400用于自所述第一反射光中311分拣出非线性光学信号312，并将所述非线性光学信号312反馈中至所述主信号采集系统320，所述主信号采集系统320并将所述非线性光学信号传输至所述控制系统500。

请继续参考图1，在本实施例中，所述半导体检测装置还包括附加信号采集系统700。所述第一环形入射光310除了在待检测晶圆101表面产生第一反射光311之外，还产生附加反射光314；所述附加信号采集系统700用于自所述附加反射光314中获取附加光学信号315，并将所述附加光学信号315传输至所述控制系统500。所述附加光学信号315能够用于表征第二缺陷信息，通过所述第二缺陷信息实现与第一缺陷信息的互补，使检测结果更为全面。

在一实施例中，所述非线性光学信号312用于表征第一类型缺陷，所述附加光学信号315用于表征第二类型缺陷，因此所述非线性光学信号312与附加光学信号315能够实现检测结果的互补。

在另一实施例中，所述附加光学信号315对第三类型缺陷和第四类型缺陷均能够产生响应，然而，所述附加光学信号315无法对所述第三类型缺陷和第四类型缺陷进行区分。而非线性光学信号312能够对第三类型缺陷进行响应，而无法对第四类型缺陷进行响应，从而能够通过非线性光学信号312对附加光学信号315的检测结果进行分类，使检测结果的精确度提高。

请继续参考图1，本实施例中，所述附加信号采集系统700通过所述附加反射光314获取附加光学信号，即所述附加信号采集系统700与光学信号分拣系统400获取由同一光源提供的入射光发生反射或散射而成的反射或散射光。

在另一实施例中，所述附加信号采集系统700与光学信号分拣系统400获取由不同光源提供的入射光反射或散射而成的反射或散射光。

所述附加信号采集系统700可以安装在所述聚焦单元的所述透镜的通孔内，以减少系统的占有体积。

所述晶圆承载装置100包括：承载盘，用于承载待检测晶圆101；设置于所述承载盘的固定装置，用于将待检测晶圆101固定于承载盘表面；机械移动组件，用于驱动所述承载盘运动。其中，所述固定装置为真空吸盘或固定于承载盘边缘的卡扣。所述机械移动组件能够根据所述第一位置控制单元502(如图1所示)或第二位置控制单元503(如图1所示)提供的信号移动所述承载盘沿着平行待检测晶圆的表面运动至指定位置。

图10至图11是本发明各实施例的半导体工艺装置的结构示意图。

参考图10，所述晶圆承载装置100放置在工艺腔800中，所述工艺腔800上具有工艺窗口801，所述工艺窗口801与所述光束整形系统300对准，所述第一环形入射光310可以通过所述工艺窗口801垂直入射到所述待检测晶圆101上，从而实现对所述待检测晶圆101的实时检测。

再一实施例中，参考图11，所述工艺腔800上还具有反应开口802，所述反应开口802用于反应物流入到所述工艺腔800内，与所述待检测晶圆101的表面发生反应，比如外延生长等。

所述晶圆承载装置100还包括旋转装置，用于驱动所述承载盘进行自转。当所述介质层111经过图形化后，还可采用旋转装置，所述机械移动组件驱动所述承载盘运动时，所述旋转装置驱动所述承载盘沿中心轴线自转，实现对晶圆缺陷检测的目的。

参考图12，当所述晶圆承载装置100在旋转装置的作用下，沿着中心轴线进行自转，所述第一环形入射光310的扫描轨迹图。图12a中直线箭头表示所述第一环形入射光310的平移轨迹，曲线箭头表示所述晶圆承载装置100旋转的方向，所述第一环形入射光310沿着平移轨迹在所述承载盘的中心至所述承载盘的边缘之间往复扫描；图12b通过所述旋转装置驱动所述晶圆承载装置100沿着中心轴线自转，获得所述第一环形入射光310在待检测晶圆表面自承载盘中心向边缘延伸的螺旋形扫描轨迹图。

相应的，本发明实施例还提供一种采用上述半导体检测装置进行检测的方法。请参考图13，图13是本发明实施例的检测方法的流程示意图，包括：

步骤S1，提供待检测晶圆；步骤S2，发射第一入射光；

步骤S3，将所述第一入射光整形成第一环形入射光，所述第一环形入射光经待检测晶圆的反射形成第一反射光；

步骤S4，获取所述第一反射光，并从所述第一反射光中分拣出非线性光学信号；

步骤S5，根据所述非线性光学信号获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。

以下将结合附图进行详细说明。

请结合参考图1、图2和图6，提供待检测晶圆101。

在本实施例中，所述待检测晶圆101包括：基底110、以及位于基底110表面的介质层111；在本实施例中，所述基底110的材料为单晶硅，所述介质层111的材料为氧化硅。在其它实施例中，所述基底110材料还能够为其它具有中心对称性的半导体材料；所述介质层111的材料为其它介质材料，例如氮化硅、氮氧化硅、高K介质材料(介电常数大于3.9)、低K介质材料(介电常数大于2.5小于3.9)或超低K介质材料(介电常数小于2.5)。

其中，介质层111与基底110之间界面处具有界面态电荷势阱缺陷(Dit:interfacial trap density)；或者，所述介质层内具有固有电荷及缺陷。所述界面态电荷势阱缺陷分布于半导体与氧化膜的分界面处；所述介质层111内的固有电荷及缺陷分布于所述介质层111内部，所述介质层111固有电荷缺陷是因介质层111在成膜过程中的工艺因素引入的固有缺陷，也可由后续工艺造成的材料损伤。所述界面态电荷势阱缺陷或介质层111固有电荷及缺陷会引起介质层111和基底110之间的电学性能的劣化。

在另一实施例中，请结合参考图1、图3和图7，所述待检测晶圆101包括：基底120、以及位于基底120表面的半导体层121；所述半导体层121的材料为化合物或单质半导体材料；化合物半导体材料包括砷化镓、氮化镓、碳化硅；所述半导体层的形成工艺包括外延工艺。

结合参考图4和图1，发射第一入射光210。

结合参考图5和图1将所述第一入射光210整形成第一环形入射光310，所述第一环形入射光310经待检测晶圆101的反射形成第一反射光311。

结合参考图8和图1，获取所述第一反射光311，并从所述第一反射光311中分拣出非线性光学信号312。

另一实施例中，结合参考图9和图1，获取所述第一反射光311，并从所述第一反射光311中分拣出非线性光学信号312。

再一实施例中，结合参考图1和图10，将所述待检测晶圆101放置在所述工艺腔800内，所述工艺腔800上具有工艺窗口801，所述工艺窗口801与所述光束整形系统300对准，所述第一环形入射光310可以通过所述工艺窗口801垂直入射到所述待检测晶圆101上，获取所述第一反射光311，并从所述第一反射光311中分拣出非线性光学信号312，从而实现对所述待检测晶圆101的实时检测。

再一实施例中，结合参考图1和图11，所述工艺腔800上还具有反应开口802，所述反应开口802用于反应物流入到所述工艺腔800内，与所述待检测晶圆101的表面发生反应，比如外延生长等，所述工艺窗口801与所述光束整形系统300对准，所述第一环形入射光310可以通过所述工艺窗口801垂直入射到所述待检测晶圆101上，获取所述第一反射光311，并从所述第一反射光311中分拣出非线性光学信号312，从而实现对所述待检测晶圆101在外延生长时的实施监控。所述非线性光学信号312表征所述待检测晶圆101内的原子级的缺陷，从而实现在工艺制程中，实时地非破坏性地获得晶圆内原子级缺陷或晶体缺陷。

具体的，通过以所述第一环形入射光310入射至所述待检测晶圆101表面的待测位置，使待检测晶圆101的材料与所述第一环形入射光311的光场发射相互作用而产生光学响应，而所述光学响应中的非线性光学信号312即能够用于表征待检测晶圆101内的原子级的缺陷。由于采用的是光学检测手段，因此无需对所述待检测晶圆101进行破坏性检测，而且，所述光学检测能够在工艺制程中的关键节点进行，从而实现缺陷的实时发现以及时对制程进行改进。

本实施例中，请参考图2，所述待检测晶圆101包括：基底110、以及位于基底110表面的介质层111。

所述非线性光学信号312能够对介质层111与基底110之间界面处的界面态电荷势阱缺陷(Dit:interfacial trap density)以及介质层内的固有电荷及缺陷进行表征。其中，所述界面态电荷势阱缺陷分布于半导体与氧化膜的分界面处；所述介质层内的固有电荷及缺陷分布于所述介质层内部，所述介质层111固有电荷及缺陷是因介质层111在成膜过程中的工艺因素引入的固有缺陷，也可由后续工艺造成的材料损伤。所述界面态电荷势阱缺陷或介质层固有电荷及缺陷会引起介质层111和基底110之间的电学性能的劣化。

具体的，由于所述基底110的材料为单晶硅，而所述单晶硅为中心对称性材料，当所述介质层111与基底110界面处存在界面态电荷A，或者所述介质层111内部存在固有电荷B时，所述界面态电荷A或固有电荷B会诱导基底110内的空间电荷分布发生变化。一旦基底内的空间电荷分布发生变化，则会导致单晶硅材料因中心对称性遭到破坏而产生电场诱导信号。而所述非线性光学信号312与所述电场诱导信号发生耦合后，即能够反映所述基底110内的空间电荷分布变化，继而表征出介质层111与基底110界面处是否存在界面态电荷，或者所述介质层111内部是否存在固有电荷。

在另一实施例中，请参考图3，所述待检测晶圆101包括：基底120、以及位于基底120表面的半导体层121；所述半导体层121的材料为化合物或单质半导体材料；化合物半导体材料包括砷化镓、氮化镓、碳化硅。

所述非线性光学信号312能够对所述化合物半导体材料中的晶体结构缺陷作出响应，从而实现对所述半导体层121的晶体质量进行实时监控。

参考图12，通过所述机械移动组件的驱动，使所述承载盘在平行于待检测晶圆表面方向作直线运动，使第一环形入射光的入射点沿承载盘的半径方向在承载盘的中心和边缘之间运动；在通过所述机械移动组件进行驱动时，通过旋转装置驱动所述承载盘沿所述承载盘的中心轴线自转，获得所述第一环形入射光310的扫描轨迹图。图12a中直线箭头表示所述第一环形入射光310的平移轨迹，曲线箭头表示所述晶圆承载装置100旋转的方向，所述第一环形入射光310沿着平移轨迹在所述承载盘的中心至所述承载盘的边缘之间往复扫描；图12b通过所述旋转装置驱动所述晶圆承载装置100沿着中心轴线自转，获得所述第一环形入射光310在待检测晶圆表面自承载盘中心向边缘延伸的螺旋形扫描轨迹图。

在本实施例中，所述半导体层以外延工艺形成在所述基底表面，当所述外延工艺引起所述半导体层内产生晶体结构缺陷时，所述晶体结构缺陷会与所述非线性光学信号312耦合，使得非线性光学信号312能够表征所述晶格缺陷或者晶体均匀性缺陷。其中，所述晶体结构缺陷包括晶格缺陷或者晶体均匀性缺陷，所述晶体均匀性缺陷指的是晶格的有序排列发生畸变处的缺陷。

结合参考图6和图1，根据所述非线性光学信号312获取所述待检测晶圆101的第一缺陷信息。

在本实施例中，如图2所示，所述待检测晶圆101包括：基底110、以及位于基底110表面的介质层111；所述第一缺陷信息包括所述基底与介质层之间界面处的界面电学属性缺陷；所述界面电学属性缺陷包括：界面态电荷势阱缺陷、介质层固有电荷分布及缺陷、以及基底半导体掺杂浓度。

在另一实施例中，如图3所示，所述待检测晶圆101包括：基底120、以及位于基底120表面的半导体层121；所述第一缺陷信息包括：晶体结构缺陷、半导体层内部应力分布以及半导体层的外延厚度。

所述第一环形入射光310除了在待检测晶圆101表面产生第一反射光311之外，还产生附加反射光314；所述检测方法还包括：自所述附加反射光314中获取附加光学信号315，并根据所述附加光学信号315获取第二缺陷信息。通过所述第二缺陷信息实现与第一缺陷信息的互补，使检测结果更为全面。

在本实施例中，所述附加光学信号315与非线性光学信号312均来自第一光源201提供的第一环形入射光310反射而成。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (27)

1.一种半导体检测装置，其特征在于，包括：

晶圆承载装置，用于承载待检测晶圆；

入射光系统，发射第一入射光；

光束整形系统，将所述第一入射光整形成第一环形入射光，所述第一环形入射光经待检测晶圆的反射形成第一反射光；

光学信号分拣系统，用于自所述第一反射光中分拣出非线性光学信号；

控制系统，用于根据所述非线性光学信号获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。

2.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，所述光束整形系统包括：第一轴锥镜，用于会聚所述第一入射光形成第一会聚光；第二轴锥镜，用于发散所述第一会聚光形成所述第一环形入射光。

3.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括聚焦单元，所述聚焦单元包括透镜。

4.如权利要求3所述的半导体检测装置，其特征在于，所述透镜还包括通孔，所述通孔沿着所述透镜的中心轴贯穿所述透镜。

5.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，所述非线性光学信号包括二次谐波信号、三次谐波信号、和频响应信号以及差频响应信号。

6.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括：晶圆对准对焦系统，所述晶圆对准对焦系统包括：成像单元，用于获取待检测晶圆表面不同位置的成像图案；传感器，用于获取所述待检测晶圆在第一方向上的位置信息，所述第一方向垂直于所述待检测晶圆表面。

7.如权利要求6所述的半导体检测装置，其特征在于，所述控制系统包括：成像运算单元，用于根据所述待检测晶圆表面不同位置的成像图案获取所述待检测晶圆的位置信息；第一位置控制单元，用于根据所述位置信息沿着平行基准平面方向移动所述晶圆承载装置，以实现第一环形入射光在所述待检测晶圆表面对准，所述基准平面平行于所述待检测晶圆表面。

8.如权利要求6所述的半导体检测装置，其特征在于，所述控制系统包括：第二位置控制单元，用于根据所述第一方向上的位置信息移动所述晶圆承载装置，以实现第一环形入射光在所述待检测晶圆表面对焦。

9.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，所述入射光系统包括：第一光源，用于发射第一初始入射光；第一入射光调制单元，用于对所述第一初始入射光进行调制，形成第一初始调制入射光；分光器，用于通过所述第一初始调制入射光，形成发射至待检测晶圆的所述第一入射光。

10.如权利要求9所述的半导体检测装置，其特征在于，所述第一光源包括激光发射器。

11.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括：光学准直单元：用于准直所述第一反射光，经过准直后的第一反射光入射至所述光学信号分拣系统。

12.如权利要求9所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括：光学准直单元：用于准直所述第一反射光，经过准直后的第一反射光分别经过所述光束整形系统、所述分光器后入射至所述光学信号分拣系统。

13.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，所述光学信号分拣系统包括：滤光器，用于通过具有预设波长范围的部分第一反射光，以形成第一过渡光学信号；偏振器，用于通过具有预设偏振参数的所述第一过渡光学信号，以形成所述非线性光学信号。

14.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，所述光学信号分拣系统包括：偏振器，用于通过具有预设偏振参数的部分第一反射光，以形成第二过渡光学信号；滤光器，用于通过具有预设波长范围的所述第二过渡光学信号，以形成所述非线性光学信号。

15.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括：主信号采集系统，用于获取所述非线性光学信号，并将所述非线性光学信号传输至所述控制系统。

16.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括：附加信号采集系统，用于自所述第一反射光中获取附加光学信号，并将所述附加光学信号传输至所述控制系统。

17.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，所述晶圆承载装置包括：承载盘，用于承载待检测晶圆；设置于所述承载盘的固定装置，用于将待检测晶圆固定于承载盘表面；机械移动组件，用于驱动所述承载盘沿着平行所述待检测晶圆的表面运动。

18.如权利要求17所述的半导体检测装置，其特征在于，所述晶圆承载装置还包括：旋转装置，用于驱动所述承载盘沿所述承载盘的中心轴线自转。

19.如权利要求17所述的半导体检测装置，其特征在于，所述固定装置为真空吸盘或固定于承载盘边缘的卡扣。

20.一种半导体工艺装置，其特征在于，包括：

工艺腔，所述工艺腔上具有工艺窗口；

如权利要求1至19任一项所述的半导体检测装置，所述入射光系统、所述光束整形系统、所述光学信号分拣系统以及所述控制系统位于所述工艺腔外，且所述第一环形入射光通过所述工艺窗口垂直入射到所述待检测晶圆上。

21.一种采用如权利要求1至19任一项所述的半导体检测装置进行的检测方法，其特征在于，包括：

提供待检测晶圆；

发射第一入射光；

将所述第一入射光整形成第一环形入射光，所述第一环形入射光经待检测晶圆的反射形成第一反射光；

获取所述第一反射光，并从所述第一反射光中分拣出非线性光学信号；

根据所述非线性光学信号获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。

22.如权利要求21所述的检测方法，其特征在于，所述待检测晶圆包括：基底、以及位于基底表面的介质层。

23.如权利要求22所述的检测方法，其特征在于，所述第一缺陷信息包括所述基底与介质层之间界面处的界面电学属性缺陷；所述界面电学属性缺陷包括：界面态电荷势阱缺陷、介质层固有电荷分布及缺陷以及基底半导体掺杂浓度。

24.如权利要求21所述的检测方法，其特征在于，所述待检测晶圆包括：基底、以及位于基底表面的半导体层；所述半导体层的材料为化合物半导体材料或单质半导体材料。

25.如权利要求24所述的检测方法，其特征在于，所述化合物半导体材料包括砷化镓、氮化镓或碳化硅；所述半导体层的形成工艺包括外延工艺。

26.如权利要求24所述的检测方法，其特征在于，所述第一缺陷信息包括：晶体结构缺陷、半导体层内部应力分布以及半导体层的外延厚度。

27.如权利要求24所述的检测方法，其特征在于，所述晶圆承载装置包括：承载盘，用于承载待检测晶圆；设置于所述承载盘的固定装置，用于将待检测晶圆固定于承载盘表面；机械移动组件，用于驱动所述承载盘沿着平行所述待检测晶圆的表面运动；旋转装置，用于驱动所述承载盘沿中心轴线自转；所述检测方法包括：通过所述机械移动组件的驱动，使所述承载盘在平行于待检测晶圆表面方向作直线运动，使第一环形入射光的入射点沿承载盘的半径方向在承载盘的中心和边缘之间运动；在通过所述机械移动组件进行驱动时，通过旋转装置驱动所述承载盘沿所述承载盘的中心轴线自转。

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