CN113048921A - 一种晶圆表面粗糙度的测量方法和测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆表面粗糙度的测量方法，包括以下步骤：根据试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到粗糙度和光散色值的关联曲线；通过光学测量机台获取待测晶圆表面颗粒的光散色值分布；根据所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。本发明的晶圆表面粗糙度的测量方法，可以快速且完整的获取晶圆表面的粗糙度的值。

Description

一种晶圆表面粗糙度的测量方法和测量系统

技术领域

本发明主要涉及半导体技术，尤其涉及一种晶圆表面粗糙度的测量方法和测量系统。

背景技术

在半导体工艺技术中，晶圆表面的粗糙程度对制造工艺而言是很重要的参数，随着三维制造工艺的发展，三维存储器的堆叠层数越来越高，晶圆表面的粗糙度参数对产品的制作、性能和质量控制也起到重要的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种晶圆表面粗糙度的测量方法和测量系统，实现晶圆表面粗糙度的快速和有效测量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种晶圆表面粗糙度的测量方法，包括以下步骤：根据试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到粗糙度和光散色值的关联曲线；通过光学测量机台获取待测晶圆表面颗粒的光散色值分布；根据所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。

在本发明的一实施例中，所述光散色值为晶圆表面颗粒散射的散射光的光强和接收的入射光的光强的比值。

在本发明的一实施例中，所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值为对应选定点位粗糙度的均方根值。

在本发明的一实施例中，得到所述关联曲线时使用的所述得到关联曲线的方式为二元拟合。

在本发明的一实施例中，所述光学测量机台扫描晶圆的方式包括整片晶圆扫描和线性扫描。

在本发明的另一实施例中，本发明的晶圆表面粗糙度的测量方法，在得到粗糙度和光散色值的关联曲线之前，还包括以下步骤：通过光学测量机台获取试验晶圆表面颗粒的光散色值分布；通过晶圆粗糙度测量机台获取所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值。

本发明还提供一种晶圆表面粗糙度测量系统，包括：

光学测量机台，用于获取试验晶圆和待测晶圆表面颗粒的光散色值分布；

数据处理模块，被配置为执行如下操作：根据所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到关联曲线；根据所述待测晶圆表面颗粒的光散色值分布和所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本申请的晶圆表面粗糙度的测量方法，可以快速且完整的获取晶圆表面的粗糙度的值，具体为各个晶圆格栅内的粗糙度的平均值，并可快速得到反映晶圆表面的粗糙度的变化趋势的图示，利于半导体工艺制作流程的快速监测与改进。

附图说明

附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1是本申请一实施例的晶圆表面粗糙度的测量方法的流程图。

图2是本申请一实施例的粗糙度测量机台在晶圆表面选定点位的示意图。

图3A是本申请一实施例的光学测量机台对晶圆作整体扫描方式的示意图。

图3B是本申请一实施例的光学测量机台对晶圆作线性扫描方式的示意图。

图4是本申请一实施例的二元拟合形成的关联曲线的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

本申请的实施例描述一种晶圆表面粗糙度的测量方法和测量系统。

图1是本申请一实施例的晶圆表面粗糙度的测量方法的流程图。如图1所述，晶圆表面粗糙度的测量方法可包括步骤101，通过光学测量机台获取试验晶圆表面颗粒的光散色值分布；步骤102，通过晶圆粗糙度测量机台获取所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值；步骤103，根据所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到关联曲线；步骤104，通过光学测量机台获取待测晶圆表面颗粒的光散色值分布；以及步骤105，根据所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。

具体地，在步骤101，通过光学测量机台获取试验晶圆表面颗粒的光散色值分布。这里的光学测量机台是专门用于晶圆表面颗粒分布状况测量的机台，具体例如KLA-Tencor(科天公司)的KLA-Tencor Metrology SPX Classic Particle counter系列的机台，其中的X即为系列编号，机台具体可为KLA-Tencor Metrology SP1 Classic Particlecounter、KLA-Tencor Metrology SP2 Classic Particle counter、KLA-TencorMetrology SP7 Classic Particle counter等类型。

在一实施例中，光散色值为晶圆表面颗粒(Surface Particle)散射的散射光和接收的入射光的比值，其单位为nppm(百万分之一)。

光学测量机台扫描晶圆的方式包括整片晶圆扫描和线性扫描。

在步骤102，通过晶圆粗糙度测量机台获取所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值。

目前晶圆粗糙度测量普遍使用AFM(Atomic Force Microscopy，原子力显微镜)机台测量，其扫描模式为利用探针与待测物表面之原子间作用力的等位而在垂直于样品的表面方向起伏运动；利用光学检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

在一实施例中，选定点位可位于试验晶圆表面的中心(Center)区域、中部(Middle)区域和/或边缘(Edge)区域，具体例如图2中的C、M、E标记所例示。图2中的十字性标记可为点位选择标记。

在步骤103，根据所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到关联曲线。

在一些实施例中，得到所述关联曲线时使用的试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值为对应选定点位粗糙度的均方根值(Root Mean Square Value，RMS Value)。得到关联曲线的方式可为二元拟合。在一些情形中，对试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和试验晶圆表面选定点位的光散色值进行二元拟合得到关联曲线之前，还可对拟合曲线所用的参数值进行筛选，即试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和试验晶圆表面选定点位的光散色值进行筛选，去掉一些偏离幅度较大的参数点，以提高二元拟合得到的关联曲线的适用性。关联曲线例如可通过一个二元一次关系式来表征。关联曲线例如图4中的L所例示。

在步骤104，通过光学测量机台获取待测晶圆表面颗粒的光散色值分布。如前述，在一实施例中，光散色值为晶圆表面颗粒(Surface Particle)散射的散射光和接收的入射光的比值，光散色值的衡量单位可为nppm(百万分之一)。光学测量机台例如通过光学测量工具形成入射光，从各个角度对晶圆表面颗粒进行照射，而后，通过散射光收集工具对晶圆表面颗粒的散射光进行收集和测量。在此基础上，通过散射的散射光的光强和接收的入射光的光强的比值得到光散色值。光散色值与晶圆表面颗粒的形态、大小和分布存在相关关系。光学测量机台扫描晶圆的方式包括整片晶圆扫描和线性扫描。

当采用整片晶圆扫描方式时，可得到晶圆表面多个晶圆格栅(Grid)的光散色值分布。每个晶圆格栅的大小可为3000*3000μm(微米)。整片晶圆扫描方式可完整扫描晶圆。全局扫描得到的以晶圆格栅形式展示晶圆表面的粗糙度变化的图示如图3A所例示。图3A中的晶圆格栅内的颜色的深浅度标示粗糙度的变化，可通过比例合适的图例对与颜色深浅度对应的粗糙度的数值进行表示。

当采用线性扫描方式时，每次扫描可经过晶圆的中心区域，也可不经过晶圆的中心区域。采用线性扫描时，可任意选择X、Y方向，任意长短进行扫描。采用线性扫描时，分辨率可达到200μm(微米)。故采用线性扫描时，可形成反映粗糙度变化的趋势图，如图3B所例示。图3B中的两种趋势图可配置相应的横坐标与纵坐标的数值，便于更直观的展示扫描结果。图3B中晶圆上的箭头是扫描方向的例示。

在步骤105，根据所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。具体例如为将光散色值带入关联曲线，具体为带入表征关联曲线的关系式，得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的值，此粗糙度的值亦为晶圆格栅内的粗糙度的平均值，该粗糙度值为纳米级。

在一些方案中，也可通过晶圆粗糙度测量机台，具体例如原子力显微镜(AtomicForce Microscope，AFM)机台对晶圆表面进行扫描，获取晶圆表面粗糙度的数值；但通过该方式获取晶圆表面粗糙度的值，效率极低且应用较为不便。

具体地，例如AFM(原子力显微镜)机台只能对面积约为2*2μm(微米)的局部区域进行扫描，对于直径为8英寸或12英寸的晶圆而言，若要进行完整扫描或较多的点位的扫描，则扫描速度极慢，亦可因机台资源有限而导致产能紧张。同时每次扫描只能覆盖较小区域，从而使获取到的信息有限。

换言之，AFM(原子力显微镜)机台每次观测不能显示整片晶圆粗糙度状态，只能显示局部区域(2*2μm)粗糙程度值。

在本申请的技术方案中，通过光学测量机台获取试验晶圆表面颗粒的光散色值分布。如前述，光学测量机台扫描晶圆的方式包括整片晶圆扫描和线性扫描。在采用整片晶圆扫描方式进行扫描时，其扫描速度可达到平均一分钟一片晶圆，并可以得到整个晶圆粗糙度状态以及晶圆上每个晶圆格栅(面积约为3000*3000μm)区域内的粗糙平均值。具体的实现方式如前述步骤101至步骤105所记载。

其中，在步骤102，通过晶圆粗糙度测量机台获取所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值，选定点位可位于试验晶圆表面的中心(Center)区域、中部(Middle)区域和/或边缘(Edge)区域，每个区域可选择若干个不同的测量点，每个测量点覆盖的区域例如为2*2μm。在一实施例中，例如选取3片试验晶圆，在每片试验晶圆的中心(Center)区域、中部(Middle)区域和边缘(Edge)区域各选5个不同的点位，这样就得到45个不同的点位，对45个点位通过晶圆粗糙度测量机台进行粗糙度的测量。

在步骤101通过光学测量机台获取试验晶圆表面颗粒的光散色值分布时，每一晶圆格栅区域的大小约为3000*3000μm。在步骤103得到关联曲线的步骤中，可将在步骤102中得到的对应于2*2μm的区域的粗糙度的值近似为相应的晶圆格栅区域(3000*3000μm)的粗糙度的值。如有需求，也可进行多次测量取RMS值作为相应的晶圆格栅区域的粗糙度的值。对于前述的45个点位，例如获取到45个点位对应的晶圆格栅区域的光散色值，再根据二元拟合得到例如图4所示的关联曲线L。对于关联曲线L，也可引入特定的评价参数，以评估该关联曲线的适用性。对于晶圆表面经过不同工艺或用不同材料形成的半导体层，光散色值观测的结果也会有相应的差异，拟合形成的关联曲线亦有不同。

经过步骤104和步骤105，得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的值，可以将晶圆上不同区域粗糙度的值上传到功能软件中进行查看，快速地获知晶圆表面整体的粗糙度的分布和变化。功能软件例如为KLA(科磊)公司的klarity软件。同时，还可根据对整体的粗糙度的观察，确定需要重点关注的区域。如有需要，可对需要重点观测的区域进行进一步的检查与分析。

本申请的技术方案在快速获取晶圆的整体粗糙度值的分布的同时，还可以用于检验制作晶圆的机台在维护或清洗之后，其工艺性能是否仍保持稳定，通过本申请的技术方案，可快速对其进行检验。

在另一些实施例中，本申请的晶圆表面粗糙度的测量方法包括，步骤201，根据试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到关联曲线。步骤202，通过光学测量机台获取待测晶圆表面颗粒的光散色值分布。步骤203，根据所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。其中，所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值可通过晶圆粗糙度测量机台获取，具体例如原子力显微镜(AFM)机台。

本发明还提供一种晶圆表面粗糙度测量系统。

在一些实施例中，晶圆表面粗糙度测量系统包括光学测量机台和数据处理模块。

光学测量机台用于获取试验晶圆表面颗粒的光散色值分布和待测表面颗粒的光散色值分布。数据处理模块可被配置为执行如下操作：首先根据试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到关联曲线；然后根据待测晶圆表面颗粒的光散色值分布和所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。

数据处理模块具体的实施方式例如包括上位机和服务器，上位机和服务器通过网络与机台连接。上位机中包括存储器和处理器，还可包括显示模块和交互模块，以便于数据的展示与查看。

本申请的晶圆表面粗糙度的测量方法和测量系统，可以快速且完整的获取晶圆表面的粗糙度的值，具体为各个晶圆格栅内的粗糙度的平均值，并可快速反映晶圆表面的粗糙度的变化趋势，利于工艺流程的监测与改进。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘CD、数字多功能盘DVD……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。

计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种晶圆表面粗糙度的测量方法，包括以下步骤：

根据试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到粗糙度和光散色值的关联曲线；

通过光学测量机台获取待测晶圆表面颗粒的光散色值分布；

根据所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。

2.根据权利要求1所述的晶圆表面粗糙度的测量方法，其特征在于，所述光散色值为晶圆表面颗粒散射的散射光的光强和接收的入射光的光强的比值。

3.根据权利要求1所述的晶圆表面粗糙度的测量方法，其特征在于，得到所述关联曲线时使用的所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值为对应选定点位粗糙度的均方根值。

4.根据权利要求1所述的晶圆表面粗糙度的测量方法，其特征在于，所述得到关联曲线的方式为二元拟合。

5.根据权利要求1所述的晶圆表面粗糙度的测量方法，其特征在于，所述光学测量机台扫描晶圆的方式包括整片晶圆扫描和线性扫描。

6.根据权利要求1所述的晶圆表面粗糙度的测量方法，其特征在于，在得到粗糙度和光散色值的关联曲线之前，还包括以下步骤：

通过光学测量机台获取试验晶圆表面颗粒的光散色值分布；

通过晶圆粗糙度测量机台获取所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值。

7.一种晶圆表面粗糙度测量系统，包括：

光学测量机台，用于获取试验晶圆和待测晶圆表面颗粒的光散色值分布；

数据处理模块，被配置为执行如下操作：

根据所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值和所述试验晶圆表面选定点位的光散色值，得到关联曲线；

根据所述待测晶圆表面颗粒的光散色值分布和所述关联曲线得到待测晶圆表面的晶圆格栅内粗糙度的平均值。

8.根据权利要求7所述的晶圆表面粗糙度测量系统，其特征在于，所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值通过晶圆粗糙度测量机台获取。

9.根据权利要求7所述的晶圆表面粗糙度测量系统，其特征在于，所述光散色值为晶圆表面颗粒散射的散射光的光强和接收的入射光的光强的比值。

10.根据权利要求7所述的晶圆表面粗糙度测量系统，其特征在于，得到所述关联曲线时使用所述试验晶圆表面选定点位的粗糙度的值为对应选定点位粗糙度的均方根值。

11.根据权利要求7所述的晶圆表面粗糙度测量系统，其特征在于，所述得到关联曲线的方式为二元拟合。

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