CN111430258A - 半导体检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体检测装置及其检测方法，半导体检测装置包括：晶圆承载装置；电晕放电系统，用于对待检测晶圆表面进行电晕喷电；电荷检测系统，用于检测待检测晶圆表面沉积的正离子或负离子的电荷量；入射光系统，用于向待检测晶圆发射第一入射光，第一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，用于自第一反射光中分拣出非线性光学信号；控制系统，用于获取待检测晶圆的第一缺陷信息。采用电晕放电系统在待检测晶圆表面沉积电荷，对材料内电场实现可控的非接触式调制，从而更全面地测量材料电学属性，特别是对内电场或者能带弯曲敏感的属性。在某些特定条件，通过这种非接触式的外加电场调制，还可以增强表征材料属性的信号强度。

Description

半导体检测装置及其检测方法
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及其检测方法。
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，在半导体先进制程研发生产中，更全面地测量材料电学属性，增强表征材料属性的信号强度，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及检测方法，采用电晕放电系统在所述待检测晶圆表面沉积电荷，有助于更全面地测量材料电学属性，还可以增强表征材料属性的信号强度。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体检测装置，所述半导体检测装置包括：晶圆承载装置，用于承载待检测晶圆；电晕放电系统，用于对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电；电荷检测系统，用于检测所述待检测晶圆表面沉积的正离子或者负离子的电荷量；入射光系统，用于向所述待检测晶圆发射第一入射光，所述第一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，所述电晕放电系统包括：电晕枪，所述电晕枪具有针状电晕电极，所述针状电晕电极放电，使所述待检测晶圆周围空气产生电离作用而形成正负离子，正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆表面；电晕驱动部，用于为所述针状电晕电极放电施加电压。
可选的，所述控制系统包括：电晕放电控制部，用于接收所述电荷检测系统检测的电荷量信息，并根据所述电荷量信息，控制所述电晕驱动部的启闭。
可选的，所述电荷检测系统包括：传感器，用于获取所述待检测晶圆表面的瞬时位移电流信息；探测部，用于根据所述传感器获取的所述瞬时位移电流信息，探测所述待检测晶圆表面沉积的正离子或者负离子的电荷量。
可选的，所述传感器位于所述晶圆承载装置上。
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，形成发射至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，所述第一入射光调制单元包括：调制装置，用于改变所述第一初始入射光的光强、偏振参数和焦距中的一者或多者；监控装置，用于监控所述第一入射光的入射光信息，并将所述入射光信息反馈至所述控制系统。
可选的，所述入射光信息包括：功率、光强、偏振参数和光脉冲参数。
可选的，所述半导体检测装置还包括：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所述第一反射光。
可选的，所述半导体检测装置还包括：第一聚焦单元，用于将所述第一环形入射光聚焦至所述待检测晶圆表面。
可选的，所述电晕枪位于所述光束整形系统与所述待检测晶圆之间。
可选的，所述电晕枪位于所述光束整形系统的一侧，且所述电晕枪与所述光束整形系统朝向所述待检测晶圆的投影具有间隔。
可选的，所述入射光系统还用于向所述待检测晶圆表面发射第二入射光，所述第二入射光经待检测晶圆的反射形成第二反射光，所述第一入射光和所述第二入射光在相同时间、相同入射点入射所述待检测晶圆表面。
可选的，所述入射光系统还包括：第二光源，用于发射第二初始入射光；第二入射光调制单元，用于对所述第二初始入射光进行调制，形成发射至待检测晶圆的所述第二入射光；脉冲延迟单元，用于延迟所述第一入射光，使得所述第一入射光和所述第二入射光在相同时间入射到待检测晶圆的表面。
可选的，所述入射光系统还包括：第二聚焦单元：用于将所述第一入射光和所述第二入射光聚焦于所述待检测晶圆的相同入射点。
可选的，所述针状电晕电极对准所述第一入射光和所述第二入射光聚焦的相同入射点。
可选的，所述半导体检测装置还包括：附加信号采集系统，用于根据所述第二反射光获取附加光学信号，并将所述附加光学信号传输至所述控制系统。
可选的，所述半导体检测装置还包括：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，所述半导体检测装置还包括：晶圆对准对焦系统，包括：成像单元，用于获取待测晶圆表面不同位置的成像图案；变换器，用于获取所述待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，用于根据待测晶圆表面不同位置的成像图案获取所述待测晶圆的位置信息；第一位置控制单元，用于根据所述位置信息沿平行基准平面的方向移动所述晶圆承载装置，所述基准平面平行于所述待测晶圆表面。
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，以实现第一入射光在所述待测晶圆表面对焦。
可选的，所述半导体检测装置还包括：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，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，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。
可选的，所述半导体检测装置还包括：光学准直单元：用于准直所述第一反射光，并使准直后的第一反射光入射至所述光学信号分拣系统。
相应的，本发明还提供一种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；对所述待检测晶圆表面进行第一电晕喷电；向所述待检测晶圆发射第一子入射光，所述第一子入射光经待检测晶圆的反射形成第一子反射光；获取所述第一子反射光，并从所述第一子反射光中分拣出第一非线性光学信号，测量所述第一非线性光学信号强度作为第一信号强度；对所述待检测晶圆表面进行第二电晕喷电；检测所述第二电晕喷电在待检测晶圆表面沉积的正离子或者负离子的电荷量，作为第二电荷量；所述第二电荷量与所述第一电荷量累积求和作为当前总电荷量；向所述待检测晶圆发射第二子入射光，所述第二子入射光经待检测晶圆的反射形成第二子反射光；获取所述第二子反射光，并从所述第二子反射光中分拣出第二非线性光学信号，测量所述第二非线性光学信号强度作为第二信号强度；循环多次对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电，并对当前总电荷量进行更新，且测量与当前总电荷量相对应的非线性光学信号强度，直至当前总电荷量达到预设总电荷量；获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。
可选的，所述电晕喷电包括：利用电晕枪的针状电晕电极放电，使所述待检测晶圆周围空气产生电离作用而形成正负离子，正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆表面。
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，所述介质层的材料为铁电材料或者非铁电材料。
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，当所述介质层的材料为铁电材料时，还包括：根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层的剩余极化强度值及矫顽电场值。
可选的，当所述介质层的材料为非铁电材料时，还包括：根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层的本征电荷密度及界面态密度值。
可选的，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高K介质材料、低K介质材料或超低K介质材料。
可选的，当所述介质层的材料为高K介质材料时，所述介质层的材料为氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
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。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的半导体检测装置的技术方案中，所述电晕放电系统能够对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电，从而在所述待检测晶圆表面沉积正离子或者负离子。所述正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆表面，对材料内电场实现可控的非接触式调制，从而有助于更全面地测量材料电学属性，特别是对内电场或者能带弯曲敏感的属性。在某些特定条件，通过这种非接触式的外加电场调制，还可以增强表征材料属性的信号强度。此外，所述电晕放电系统无需碰触所述待检测晶圆表面，有利于保护所述待检测晶圆表面，避免所述待检测晶圆表面受到损伤。
本发明的检测方法中，对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电，在所述待检测晶圆表面沉积正离子或者负离子。所述正离子或者负离子会对材料内电场实现可控的非接触式调制，从而有助于更全面地测量材料电学属性，特别是对内电场或者能带弯曲敏感的属性。在某些特定条件，通过这种非接触式的外加电场调制，还可以增强表征材料属性的信号强度。再者，对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电，无需碰触所述待检测晶圆表面，有利于保证所述待检测晶圆的质量。
附图说明
图1至图6是本发明实施例的半导体检测装置的结构示意图；
图7及图8是本发明另一实施例的半导体检测装置的结构示意图；
图9是本发明其他实施例的半导体检测装置的结构示意图；
图10是本发明再一实施例的半导体检测装置的结构示意图
图11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，提高原子级缺陷问题实时检测的检测质量，是目前半导体良率检测领域亟待解决的问题之一。
在半导体先进制程研发生产中，为了提高针对新型材料与工艺流程导致的原子级缺陷的实时检测的检测质量，本发明实施例提供一种半导体检测装置及检测方法。在所述半导体检测装置中，利用电晕放电系统对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电，有助于更全面地测量材料电学属性，增强表征材料属性的信号强度。
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6是本发明实施例的半导体检测装置的结构示意图。
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；
电晕放电系统200，用于对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电；
电荷检测系统210，用于检测所述待检测晶圆101表面沉积的正离子或者负离子的电荷量；
入射光系统300，用于向所述待检测晶圆101发射第一入射光310，所述第一入射光310经待检测晶圆101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101的第一缺陷信息。
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101内原子级缺陷或晶体缺陷。
所述电晕放电系统200能够对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电，从而在所述待检测晶圆101表面沉积正离子或者负离子。所述正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆101表面，会对材料内电场实现可控的非接触式调制，从而更全面地测量材料电学属性，特别是对内电场或者能带弯曲敏感的属性。在某些特定条件，通过这种非接触式的外加电场调制，还可以增强表征材料属性的信号强度。
所述电晕放电系统200无需碰触所述待检测晶圆101表面，从而可非破坏性地改变所述待检测晶圆101材料内电场及能带结构，有利于保护所述待检测晶圆101表面，避免所述待检测晶圆101表面受到损伤。
本实施例中，所述电晕放电系统200包括：电晕枪201，所述电晕枪201具有针状电晕电极，所述针状电晕电极放电，使所述待检测晶圆101周围空气产生电离作用而形成正负离子，正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆101表面；电晕驱动部202，用于为所述针状电晕电极放电施加电压。
本实施例中，所述电荷检测系统210包括：传感器211，位于所述晶圆承载装置100上，用于获取当电晕电荷沉积到所述待检测晶圆101表面时从晶圆101流向表面的瞬时位移电流信息；探测部212，用于根据所述传感器211获取的所述位移电流信息，探测所述待检测晶圆101表面沉积的正离子或者负离子的电荷量。
本实施例中，所述控制系统500包括：电晕放电控制部420，用于接收所述电荷检测系统210实时检测的电荷量信息，并根据所述电荷量信息，控制所述电晕驱动部202的启闭。
本实施例中，首先，利用所述电晕枪201对所述待检测晶圆101表面进行第一电晕喷电；所述电荷检测系统210实时检测所述第一电晕喷电在待检测晶圆101表面沉积的正离子或者负离子的电荷量，作为第一电荷量；从与所述第一电晕喷电相对应的所述第一反射光311中分拣出第一非线性光学信号，测量所述第一非线性光学信号强度作为第一信号强度；然后，利用所述电晕枪201对所述待检测晶圆101表面进行第二电晕喷电；所述电荷检测系统210实时检测所述第二电晕喷电在待检测晶圆101表面沉积的正离子或者负离子的电荷量，作为第二电荷量；所述第二电荷量与所述第一电荷量累积求和作为当前总电荷量；从与所述第二电晕喷电相对应的所述第一反射光311中分拣出第二非线性光学信号，测量所述第二非线性光学信号强度作为第二信号强度；接着，循环多次对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电，并对当前总电荷量进行更新，且测量与当前总电荷量相对应的非线性光学信号强度，直至当前总电荷量达到预设总电荷量，所述电晕放电控制部420控制所述电晕驱动部202关闭，所述电晕枪201停止对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电。
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。
参考图2，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。
参考图3，在其他实施例中，所述待检测晶圆101还包括：位于介质层111上的半透明金属层112，所述半透明金属层112用于稳定铁电相。
本实施例中，所述第一缺陷信息包括所述基底110与介质层111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。
所述介质层111的材料为铁电材料或者非铁电材料。本实施例中，所述介质层111的材料为铁电材料，具体的，所述介质层111的材料为铁电相氧化铪。
在其他实施例中，如图3所示，当所述介质层111的材料为铁电相氧化铪时，在铁电相氧化铪上可能有一层很薄的半透明金属层112用于稳定铁电相，所述金属层112材料为TiN。由于所述金属层112很薄，第一入射光310可以穿过所述金属层112到达介质层111，同时第一反射光311亦可逃逸出金属层112被探测到。
本实施例中，采用铁电材料作为所述介质层111的材料，可根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层111的剩余极化强度值及矫顽电场值。
在其他实施例中，采用非铁电材料作为所述介质层111的材料，可根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层111的本征电荷密度及界面态密度值。
从另一方面讲，所述介质层111的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高K介质材料、低K介质材料或超低K介质材料。
其中，当所述介质层111的材料为高K介质材料时，所述介质层111的材料为氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
本实施例中，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110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能级分布，或者所述介质层111内部固有电荷。
参考图4，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。
参考图5，在其他实施例中，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，在本实施例中，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用于使第一入射光310在待测晶圆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，用于获取待测晶圆101表面不同位置的成像图案；变换器602，用于获取所述待测晶圆101在第一方向Z上的位置信息，所述第一方向Z垂直于所述待测晶圆101表面。
本实施例中，所述控制系统500还包括：成像运算单元501，用于根据待测晶圆101表面不同位置的成像图案获取所述待测晶圆101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(即X坐标和Y坐标所构成的平面)的方向移动所述晶圆承载装置100，所述基准平面XY平行于所述待测晶圆101表面，以实现所述待测晶圆101的对准。
当成像单元601获取待测晶圆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。
所述控制系统500还包括：第二位置控制单元503，用于根据所述第一方向Z上的位置信息移动所述晶圆承载装置100，以实现第一入射光310在所述待测晶圆101表面对焦。
当所述变换器602获取所述待测晶圆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，直至第一入射光310能够在待检测晶圆101表面指定高度对焦。
结合参考图1及图6，本实施例中，所述入射光系统300包括：第一光源301，用于发射第一初始入射光351；第一入射光调制单元302，用于对所述第一初始入射光351进行调制，形成发射至晶圆101的所述第一入射光310。
本实施例中，所述第一光源301包括激光发射器。
参考图6，本实施例中，所述第一入射光调制单元302包括：调制装置320，用于改变所述第一初始入射光351的光强、偏振参数和焦距中的一者或多者；监控装置321，用于监控所述第一入射光310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。
通过所述监控装置321对第一入射光310的参数进行实时监控，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320对第一入射光310的光学参数进行调整。
图7及图8是本发明另一实施例的半导体检测装置的结构示意图。
参考图7，另一实施例中，所述半导体检测装置还包括：光束整形系统800，将所述第一入射光310整形成第一环形入射光317，所述第一环形入射光317经待检测晶圆101的反射形成所述第一反射光311。
本实施例中，利用所述光束整形系统800将所述第一入射光310整形成第一环形入射光317，有助于消除非线性信号312的各向异性。
本实施例中，所述第一入射光调制单元302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。所述入射光系统300还包括：分光器360，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800的所述第一入射光310。
本实施例中，所述电晕枪201位于所述光束整形系统800与所述待检测晶圆101之间，以减少置放所述电晕枪201对空间位置的占用。
参考图8，本实施例中，所述半导体检测装置还包括：第一聚焦单元331，用于将所述第一环形入射光317聚焦至所述待检测晶圆101表面。
所述半导体检测装置还包括：光学准直单元333：用于准直所述第一反射光311，并使准直后的第一反射光311入射至所述光学信号分拣系统400。
本实施例中，所述电晕枪201位于所述光束整形系统800与所述待检测晶圆101之间，所述第一环形入射光317与第一反射光311光路基本重合，所述第一聚焦单元331及所述光学准直单元333可通过同一个光学器件实现。
参考图7，本实施例中，所述半导体检测装置还包括：主信号采集系统410，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312传输至所述控制系统500。
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，所述第一入射光310除了在待测晶圆101表面产生第一反射光311之外，还产生附加反射光313；所述附加信号采集系统700用于自所述附加反射光313中获取附加光学信号314，并将所述附加光学信号314传输至所述控制系统500。所述附加光学信号314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。
所述承载装置包括：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或第二位置控制单元503提供的信号移动所述承载盘至指定位置。
图9是本发明其他实施例的半导体检测装置的结构示意图。
参考图9，在其他实施例中，所述电晕枪201位于所述光束整形系统800的一侧，且所述电晕枪201与所述光束整形系统800朝向所述待检测晶圆101的投影具有间隔。
图10是本发明再一实施例的半导体检测装置的结构示意图。
参考图10，在再一实施例中，所述入射光系统300还用于向所述待检测晶圆101表面发射第二入射光315，所述第二入射光315经待检测晶圆101的反射形成第二反射光，所述第一入射光310和所述第二入射光315在相同时间、相同入射点入射所述待检测晶圆101表面。
具体的，所述入射光系统300还包括：第二光源303，用于发射第二初始入射光；第二入射光调制单元304，用于对所述第二初始入射光进行调制，形成发射至待检测晶圆101的所述第二入射光315；脉冲延迟单元334，用于延迟所述第一入射光310，使得所述第一入射光310和所述第二入射光315在相同时间入射到待检测晶圆101的表面。
再者，在该实施例中，所述入射光系统300还包括：第二聚焦单元332：用于将所述第一入射光310和所述第二入射光315聚焦于所述待检测晶圆101的相同入射点。
通过以所述第一入射光310和所述第二入射光315在相同的时间、到达所述待检测晶圆101表面相同的待检测位置，使得所述待检测晶圆101的材料分子基团与所述第一入射光310相互作用而产生共振，进而与所述第二入射光315发生耦合，而形成的所述非线性光学信号312即能够用于表征待测晶圆101内的分子级的缺陷。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。
本实施例中，所述针状电晕电极对准所述第一入射光310和所述第二入射光315聚焦的相同入射点，从而在所述第一入射光310和所述第二入射光315聚焦的相同入射点处沉积正离子或者负离子。
此外，在该实施例中，附加信号采集系统700还可以根据所述第二反射光获取附加光学信号，并将所述附加光学信号传输至所述控制系统500。
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。
所述检测方法包括：提供待检测晶圆101；对所述待检测晶圆101表面进行第一电晕喷电；向所述待检测晶圆101发射第一子入射光，所述第一子入射光经待检测晶圆101的反射形成第一子反射光；获取所述第一子反射光，并从所述第一子反射光中分拣出第一非线性光学信号，测量所述第一非线性光学信号强度作为第一信号强度；对所述待检测晶圆101表面进行第二电晕喷电；检测所述第二电晕喷电在待检测晶圆101表面沉积的正离子或者负离子的电荷量，作为第二电荷量；所述第二电荷量与所述第一电荷量累积求和作为当前总电荷量；向所述待检测晶圆101发射第二子入射光，所述第二子入射光经待检测晶圆101的反射形成第二子反射光；获取所述第二子反射光，并从所述第二子反射光中分拣出第二非线性光学信号，测量所述第二非线性光学信号强度作为第二信号强度；循环多次对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电，并对当前总电荷量进行更新，且测量与当前总电荷量相对应的非线性光学信号强度，直至当前总电荷量达到预设总电荷量；获取所述待检测晶圆101的第一缺陷信息。
请参考图11，图11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101；
步骤S2，设定预设总电荷量；
步骤S3，对所述待检测晶圆101表面进行第N电晕喷电；
步骤S4，对当前总电荷量进行更新，即对前N次电晕喷电的电荷量进行累计求和；
步骤S5，向所述待检测晶圆101发射第N子入射光，所述第N子入射光经待检测晶圆101的反射形成第N子反射光；
步骤S6，获取所述第N子反射光，并从所述第N子反射光中分拣出第N非线性光学信号，测量所述第N非线性光学信号强度；
步骤S7，判断当前总电荷量是否达到预设总电荷量；
若当前总电荷量未达到预设总电荷量，重复进行上述步骤S3、S4、S5、S6及S7。若当前总电荷量未达到预设总电荷量，进行步骤S8，停止电晕喷电；下一步，进行步骤S9，获取所述待检测晶圆101的第一缺陷信息。
本实施例中，采用周期步进方式测量所述非线性光学信号312，能够得到多个离散的数据点(QN，IN)，进而能够得到多个离散的数据点(DN，IN)；其中，QN表示与第N电晕喷电相对应的当前总电荷量，DN表示与第N电晕喷电相对应的当前总电荷密度，IN表示与第N电晕喷电相对应的所述第N非线性光学信号强度。当数据点足够多时，可近似获得连续的测量曲线，有助于获取所述待检测晶圆101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及图3，提供待检测晶圆101。
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。
参考图3，在其他实施例中，所述待检测晶圆101还包括：位于介质层111上的半透明金属层112，所述半透明金属层112用于稳定铁电相。
所述介质层111的材料为铁电材料或者非铁电材料。本实施例中，所述介质层111的材料为铁电材料，具体的，所述介质层111的材料为铁电相氧化铪。
在其他实施例中，如图3所示，当所述介质层111的材料为铁电相氧化铪时，在铁电相氧化铪上可能有一层很薄的半透明金属层112用于稳定铁电相，所述金属层112材料为TiN。由于所述金属层112很薄，入射光可以穿过所述金属层112到达介质层111，同时反射信号亦可逃逸出金属层112被探测到。
从另一方面讲，所述介质层111的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高K介质材料、低K介质材料或超低K介质材料。
其中，当所述介质层111的材料为高K介质材料时，所述介质层111的材料为氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
请结合参考图1，对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电。
对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电，在所述待检测晶圆101表面沉积正离子或者负离子。所述正离子或者负离子会对材料内电场实现可控的非接触式调制，从而有助于更全面地测量材料电学属性，特别是对内电场或者能带弯曲敏感的属性。在某些特定条件，通过这种非接触式的外加电场调制，还可以增强表征材料属性的信号强度。再者，对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电，无需碰触所述待检测晶圆101表面，有利于保证所述待检测晶圆101的质量。
所述电晕喷电包括：利用电晕枪201的针状电晕电极放电，使所述待检测晶圆101周围空气产生电离作用而形成正负离子，正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆101表面。
本实施例中，通过所述电晕驱动部202为所述电晕枪201的针状电晕电极放电施加电压。
再者，利用所述电荷检测系统210实时检测所述待检测晶圆101表面沉积的正离子或者负离子的电荷量。具体的，采用位于所述晶圆承载装置100上的传感器211获取所述待检测晶圆101表面电位信息，然后根据所述传感器211获取的所述电位信息，通过探测部212探测所述待检测晶圆101表面沉积的正离子或者负离子的电荷量。
此外，利用所述电晕放电控制部420接收所述电荷检测系统210实时检测的电荷量信息，并根据所述电荷量信息，控制所述电晕驱动部202的启闭。
当所述当前总电荷量达到预设总电荷量时，所述电晕放电控制部420控制所述电晕驱动部202关闭，所述电晕枪201停止对所述待检测晶圆101表面进行电晕喷电。
所述非线性光学信号312能够用于表征材料分子级的缺陷，实现半导体制程中实时进行非破坏的半导体器件原子级和分子级缺陷检测。
本实施例中，所述非线性光学信号312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。
本实施例中，根据所述非线性光学信号312可获取所述待检测晶圆101的第一缺陷信息。
所述第一缺陷信息包括所述基底110与介质层111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111固有电荷分布及缺陷以及基底110半导体掺杂浓度。
本实施例中，采用铁电材料作为所述介质层111材料，所述检测方法还包括：可根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层111的剩余极化强度值及矫顽电场值。
在其他实施例中，采用非铁电材料作为所述介质层111材料，所述检测方法还包括：可根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层111的本征电荷密度及界面态密度值。
结合参考图7，在另一实施例中，所述检测方法还包括：利用所述光束整形系统800将所述第一入射光310整形成第一环形入射光317，所述第一环形入射光317经待检测晶圆101的反射形成第一反射光311。
其中，所述电晕枪201位于所述光束整形系统800与所述待检测晶圆101之间，从而在所述第一环形入射光317入射的待检测晶圆101的表面上沉积正离子或者负离子。
当如图7所示，所述电晕枪201位于所述第一环形入射光317聚焦位置正上方时，一般在每次进行电晕喷电后，无需移动待检测晶圆101，即能实现在所述待检测晶圆101表面，电晕喷电以及所述第一环形入射光317入射位置相同。出于应用的考量，也有可能在每次进行电晕喷电后，需适当移动待检测晶圆101。
结合参考图9，在其他实施例中，所述电晕枪201位于所述光束整形系统800的一侧，且所述电晕枪201与所述光束整形系统800朝向所述待检测晶圆101的投影具有间隔。
当如图9所示，所述电晕枪201位于所述光束整形系统800的一侧时，难以在待检测晶圆101同一位置处且同时实现电晕喷电以及所述第一环形入射光317入射，因而在每次进行电晕喷电后，需要移动待检测晶圆101，以保证在所述待检测晶圆101表面，电晕喷电以及所述第一环形入射光317入射于同一位置处。
结合参考图10，在再一实施例中，所述检测方法还包括：向所述待检测晶圆101发射第二入射光315，所述第一入射光310和所述第二入射光315在相同时间、相同入射点经待检测晶圆101的反射形成和频反射光。
形成所述和频反射光后，所述检测方法还包括：获取所述和频反射光，并从所述和频反射光中分拣出非线性光学信号312。
其中，所述电晕枪201的针状电晕电极对准所述第一入射光310和所述第二入射光315聚焦的相同入射点，从而在所述第一入射光310和所述第二入射光315聚焦的相同入射点处沉积正离子或者负离子。
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 (38)

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；
电晕放电系统，用于对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电；
电荷检测系统，用于检测所述待检测晶圆表面沉积的正离子或者负离子的电荷量；
入射光系统，用于向所述待检测晶圆发射第一入射光，所述第一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，所述电晕放电系统包括：
电晕枪，所述电晕枪具有针状电晕电极，所述针状电晕电极放电，使所述待检测晶圆周围空气产生电离作用而形成正负离子，正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆表面；
电晕驱动部，用于为所述针状电晕电极放电施加电压。
3.如权利要求2所述的半导体检测装置，其特征在于，所述控制系统包括：
电晕放电控制部，用于接收所述电荷检测系统检测的电荷量信息，并根据所述电荷量信息，控制所述电晕驱动部的启闭。
4.如权利要求1所述的半导体检测装置，其特征在于，所述电荷检测系统包括：
传感器，用于获取所述待检测晶圆表面的瞬时位移电流信息；
探测部，用于根据所述传感器获取的所述瞬时位移电流信息，探测所述待检测晶圆表面沉积的正离子或者负离子的电荷量。
5.如权利要求4所述的半导体检测装置，其特征在于，所述传感器位于所述晶圆承载装置上。
6.如权利要求2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，形成发射至所述待检测晶圆的所述第一入射光。
7.如权利要求6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。
8.如权利要求6所述的半导体检测装置，其特征在于，所述第一入射光调制单元包括：调制装置，用于改变所述第一初始入射光的光强、偏振参数和焦距中的一者或多者；监控装置，用于监控所述第一入射光的入射光信息，并将所述入射光信息反馈至所述控制系统。
9.如权利要求8所述的半导体检测装置，其特征在于，所述入射光信息包括：功率、光强、偏振参数和光脉冲参数。
10.如权利要求6所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括：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所述第一反射光。
11.如权利要求10所述的半导体检测装置，其特征在于，还包括：第一聚焦单元，用于将所述第一环形入射光聚焦至所述待检测晶圆表面。
12.如权利要求11所述的半导体检测装置，其特征在于，所述电晕枪位于所述光束整形系统与所述待检测晶圆之间。
13.如权利要求11所述的半导体检测装置，其特征在于，所述电晕枪位于所述光束整形系统的一侧，且所述电晕枪与所述光束整形系统朝向所述待检测晶圆的投影具有间隔。
14.如权利要求6所述的半导体检测装置，其特征在于，所述入射光系统还用于向所述待检测晶圆表面发射第二入射光，所述第二入射光经待检测晶圆的反射形成第二反射光，所述第一入射光和所述第二入射光在相同时间、相同入射点入射所述待检测晶圆表面。
15.如权利要求14所述的半导体检测装置，其特征在于，所述入射光系统还包括：第二光源，用于发射第二初始入射光；第二入射光调制单元，用于对所述第二初始入射光进行调制，形成发射至待检测晶圆的所述第二入射光；脉冲延迟单元，用于延迟所述第一入射光，使得所述第一入射光和所述第二入射光在相同时间入射到待检测晶圆的表面。
16.如权利要求15所述的半导体检测装置，其特征在于，所述入射光系统还包括：第二聚焦单元：用于将所述第一入射光和所述第二入射光聚焦于所述待检测晶圆的相同入射点。
17.如权利要求16所述的半导体检测装置，其特征在于，所述针状电晕电极对准所述第一入射光和所述第二入射光聚焦的相同入射点。
18.如权利要求15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，用于根据所述第二反射光获取附加光学信号，并将所述附加光学信号传输至所述控制系统。
19.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。
20.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。
21.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，包括：成像单元，用于获取待测晶圆表面不同位置的成像图案；变换器，用于获取所述待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测晶圆表面。
22.如权利要求21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，用于根据待测晶圆表面不同位置的成像图案获取所述待测晶圆的位置信息；第一位置控制单元，用于根据所述位置信息沿平行基准平面的方向移动所述晶圆承载装置，所述基准平面平行于所述待测晶圆表面。
23.如权利要求22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，以实现第一入射光在所述待测晶圆表面对焦。
24.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。
25.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。
26.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。
27.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运动。
28.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，并使准直后的第一反射光入射至所述光学信号分拣系统。
29.一种采用如权利要求1至28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；
对所述待检测晶圆表面进行第一电晕喷电；
向所述待检测晶圆发射第一子入射光，所述第一子入射光经待检测晶圆的反射形成第一子反射光；
获取所述第一子反射光，并从所述第一子反射光中分拣出第一非线性光学信号，测量所述第一非线性光学信号强度作为第一信号强度；
对所述待检测晶圆表面进行第二电晕喷电；
检测所述第二电晕喷电在待检测晶圆表面沉积的正离子或者负离子的电荷量，作为第二电荷量；
所述第二电荷量与所述第一电荷量累积求和作为当前总电荷量；
向所述待检测晶圆发射第二子入射光，所述第二子入射光经待检测晶圆的反射形成第二子反射光；
获取所述第二子反射光，并从所述第二子反射光中分拣出第二非线性光学信号，测量所述第二非线性光学信号强度作为第二信号强度；
循环多次对所述待检测晶圆表面进行电晕喷电，并对当前总电荷量进行更新，且测量与当前总电荷量相对应的非线性光学信号强度，直至当前总电荷量达到预设总电荷量；
获取所述待检测晶圆的第一缺陷信息。
30.如权利要求29所述的检测方法，其特征在于，所述电晕喷电包括：利用电晕枪的针状电晕电极放电，使所述待检测晶圆周围空气产生电离作用而形成正负离子，正离子或者负离子沉积于所述待检测晶圆表面。
31.如权利要求29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。
32.如权利要求31所述的检测方法，其特征在于，所述介质层的材料为铁电材料或者非铁电材料。
33.如权利要求32所述的检测方法，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。
34.如权利要求33所述的检测方法，其特征在于，当所述介质层的材料为铁电材料时，还包括：根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层的剩余极化强度值及矫顽电场值。
35.如权利要求33所述的检测方法，其特征在于，当所述介质层的材料为非铁电材料时，还包括：根据不同电晕强度下所述二次谐波信号值获取所述介质层的本征电荷密度及界面态密度值。
36.如权利要求31所述的检测方法，其特征在于，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高K介质材料、低K介质材料或超低K介质材料。
37.如权利要求36所述的检测方法，其特征在于，当所述介质层的材料为高K介质材料时，所述介质层的材料为氧化铪、氧化锆、氧化铪硅、氧化镧、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛或氧化铝。
38.如权利要求31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。
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CN112556905A (zh) * 2021-02-23 2021-03-26 紫创(南京)科技有限公司 基于光学干涉的应力检测装置及检测方法
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