CN115754358A - 一种检测晶圆表面金属污染的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测晶圆表面金属污染的装置及方法，所述方法包括：在工艺前后测量待测晶圆与导电探针之间的接触电势差，得到接触电势差变化量，判断待测晶圆是否受到污染。本发明通过测量待测晶圆与导电探针之间的接触电势差在工艺前后的变化量判断晶圆表面是否受到金属污染，在对晶圆不产生损伤的情况下迅速简便地得到检测结果，成本低且检测限低，可用于对痕量金属污染的定性检测；同时利用多次测量同一晶圆的不同位置或多个晶圆相同位置的功函数，提高了对晶圆表面金属污染判断准确度；另外，配合全反射X射线荧光谱和电感耦合等离子体质谱，建立功函数与金属污染量的对应关系数据库，实现对晶圆表面金属污染的定量检测。
Description
技术领域
本发明属于半导体检验技术领域，特别是涉及一种检测晶圆表面金属污染的装置及方法。
背景技术
金属污染是芯片制造行业需要重点关注的问题，由于金属离子非常容易在半导体材料及薄膜中发生扩散，因此即使痕量（小于0.01%的物质组分含量）的金属离子附着在表面，这类具有电性的污染物也会极大地改变器件的电学性能。上述原因的存在导致对于金属污染的防控和检测对于器件性能和良率控制具有至关重要的意义。
目前晶圆厂对于产品金属污染的检测通常需要依靠全反射X射线荧光谱(TotalReflection X-Ray Fluorescence, TXRF)或者电感耦合等离子体质谱(InductivityCoupled Plasma Mass Spectrometry,ICP-MS)技术实现。虽然两种技术都可以定量分析晶圆表面金属污染的种类和浓度，然而也各自存在不足。TXRF测试虽然可在晶圆厂内直接通过专用机台完成，但是检测限较高，无法测定痕量金属污染，并且测试时间较长；ICP-MS测试则必须将晶圆报废后从晶圆厂取出，送去专门的实验室进行，测试周期较长、成本很高。因此，目前业界亟待开发一种快速无损的晶圆表面金属离子污染测试方法。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种检测晶圆表面金属污染的装置及方法，用于解决现有技术中晶圆表面金属污染检测时间长、检测限高的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种检测晶圆表面金属污染的方法，所述方法包括：提供预设的导电探针和待测晶圆；
第一次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第一接触电势差a；
在对所述待测晶圆进行预设工艺后，第二次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第二接触电势差b；
计算第一次测量和第二次测量的接触电势差变化量X=b-a；
依据所述接触电势差变化量得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
可选地，所述方法还包括：还提供一功函数为k的标样；进行第一次测量前，测量所述标样与所述导电探针之间的第三接触电势差c；进行第一次测量后，计算得到所述待测晶圆在第一次测量时的功函数为X1=k-ce+ae；进行第二次测量后，计算得到所述待测晶圆在第二次测量时的功函数为X2=k-ce+be，e为单位电子的电荷量。
可选地，所述标样为高定向热解石墨。
可选地，所述方法还包括：使用全反射X射线荧光谱或/和电感耦合等离子体质谱测量所述待测晶圆的表面金属污染量，得到所述待测晶圆的接触电势差变化量与所述表面金属污染量的对应关系数据库；建立所述对应关系数据库后，测量得到的所述待测晶圆的接触电势差变化量即可得到对应的所述待测晶圆的表面金属污染量。
可选地，提供开尔文探针力显微镜，所述导电探针设置在所述开尔文探针力显微镜上，所述开尔文探针力显微镜通过所述导电探针测量所述第一接触电势差a、所述第二接触电势差b。
可选地，所述方法还包括：测量单个所述待测晶圆的多个位置在所述预设工艺前后的接触电势差变化量；得到所述多个位置的接触电势差变化量的最大值；依据所述接触电势差变化量的最大值得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
可选地，所述方法还包括：测量多个所述待测晶圆的相同位置在所述预设工艺前后的接触电势差变化量；得到多个所述待测晶圆的接触电势差变化量的最大值；依据所述接触电势差变化量的最大值得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
可选地，判断所述待测晶圆是否受到污染的方法为：设置判断阈值，所述接触电势差变化量大于等于所述判断阈值时，判断结果为所述待测晶圆受到污染；所述接触电势差变化量小于所述判断阈值时，判断结果为所述待测晶圆未受到污染。
可选地，所述判断阈值为10-1000mV。
本发明还提供一种检测晶圆表面金属污染的装置，所述装置使用上述任意一种方法进行测量，所述装置包括开尔文探针力显微镜、导电探针、标样、数据处理系统；所述导电探针设置在所述开尔文探针力显微镜上，所述开尔文探针力显微镜通过所述导电探针测量一待测晶圆与所述导电探针的接触电势差；所述数据处理系统用于接收、计算、处理测量数据，得到所述待测晶圆是否受到污染的判断结果。
如上，本发明的检测晶圆表面金属污染的装置及方法，具有以下有益效果：
本发明通过测量待测晶圆与导电探针之间的接触电势差在工艺前后的变化量判断晶圆表面是否受到金属污染，在对晶圆不产生损伤的情况下迅速简便地得到检测结果，成本低且检测限低，可用于对痕量金属污染的定性检测；
本发明利用多次测量同一晶圆的不同位置或多个晶圆相同位置的功函数，提高了对晶圆表面金属污染判断准确度；
本发明配合全反射X射线荧光谱和电感耦合等离子体质谱，建立功函数与金属污染量的对应关系数据库，实现对晶圆表面金属污染的定量检测。
附图说明
图1显示为本发明测量功函数时形成接触电势差前的费米能级示意图。
图2显示为本发明测量功函数时形成接触电势差后的费米能级示意图。
图3显示为本发明测量功函数时补偿接触电势差后的费米能级示意图。
图4显示为本发明检测晶圆表面金属污染方法的逻辑流程示意图。
元件标号说明
1、第一半导体材料；2、第二半导体材料；EF1、第一费米能级；EF2、第二费米能级；E0、真空费米能级；Φ1、第一功函数；Φ2、第二功函数；VCPD、接触电势差；VDC、补偿电压；
Φtip、导电探针功函数。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
目前存在的测量晶圆表面金属污染情况的方法包括全反射X射线荧光谱(TotalReflection X-Ray Fluorescence，TXRF)、电感耦合等离子体质谱(Inductivity CoupledPlasma Mass Spectrometry，ICP-MS)，且这两种方法可以对晶圆表面的金属污染进行定量测量。但是TXRF的检测限较高，无法测量痕量金属污染，并且测试时间较长；ICP-MS测试则必须将晶圆报废后送到专门的实验室进行，测试周期较长、成本很高。
实施例一：
为解决上述问题，本发明提供一种检测晶圆表面金属污染的方法，所述方法包括：
步骤1：提供预设的导电探针和待测晶圆；
步骤2：第一次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第一接触电势差a；
步骤3：在对所述待测晶圆进行预设工艺后，第二次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第二接触电势差b；
步骤4：计算第一次测量和第二次测量的接触电势差变化量X=b-a；
步骤5：依据所述接触电势差变化量得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
下面将结合附图详细说明本发明的检测晶圆表面金属污染的方法，其中，需要说明的是，上述顺序并不严格代表本发明所保护的检测晶圆表面金属污染的方法顺序，本领域技术人员可以依据实际制备步骤进行改变。
首先，进行步骤1，提供预设的导电探针和待测晶圆。
在一个实施例中，所述导电探针为MESP型探针（磁力探针）。
然后，进行步骤2，第一次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第一接触电势差a。
接着，进行步骤3，在对所述待测晶圆进行预设工艺后，第二次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第二接触电势差b。
然后，进行步骤4，计算第一次测量和第二次测量的接触电势差变化量X=b-a。
接着，进行步骤5，依据所述接触电势差变化量得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
当待测晶圆表面被金属离子污染后，硅等晶圆半导体材料的导电性会发生变化，这种变化可以视作金属离子对硅等半导体材料掺杂而引起半导体材料的载流子浓度发生了变化。根据能带理论，载流子浓度与材料费米能级位置直接相关，将一个电子从材料费米能级移动至真空费米能级E0所需要的最小能量被定义为材料的功函数。如图1所示，测量功函数时，当第一半导体材料1与第二半导体材料2相互接触时，由于二者具有不同的费米能级EF1和EF2，第一半导体材料1的第一费米能级位置EF1高于第二半导体材料2的第二费米能级位置EF2，因此电子会自发地从费米能级位置高（即第二功函数Φ2低）的第二半导体材料2流向费米能级位置低（即第一功函数Φ1高）的第一半导体材料1，使两者的费米能级位置被逐渐拉平，如图2所示，第一半导体材料1与第二半导体材料2相互接触的过程导致得到电子的第一半导体材料1带负电，而失去电子的第二半导体材料2带正电，两种材料间产生了一个电场，这个电场即被称为接触电势差VCPD。如图3所示，如果在两种材料之间施加一个额外的直流补偿电压VDC来抵消上述接触电势差，当VDC=VCPD时，两种材料之间的电势差将被完全抵消。在此状态下，如果已知第一半导体材料1的功函数Φ1，即可得到第二半导体材料2的功函数Φ2，其中Φ2=Φ1-eVCPD，e为单位电子的电荷量。
具体地，在本发明中，第一次测量时得到待测晶圆与导电探针的第一接触电势差a，第二次测量时得到待测晶圆与导电探针的第二接触电势差b，由于导电探针的功函数没有改变，因此仅通过第一接触电势差a和第二接触电势差b的接触电势差变化量，即可得到第一次测量和第二次测量之间待测晶圆的功函数变化量X=b-a，从而定性地分析材料费米能级的变化情况，从而得到晶圆是否被存在金属污染的信息。
本发明通过测量待测晶圆与导电探针之间的接触电势差实现对待测晶圆是否存在金属污染的情况进行定性判断，由于测量功函数对晶圆表面金属量变化更为敏感相比现有的TXRF而言检测限降低，可以检测到痕量的金属污染，同时大大降低了检测时间；相比现有的ICP-MS方法而言，可以现场测试，简便快速；由于不需要破损待测晶圆，检测成本大大降低。具体地，本发明的技术方案主要适用于TXRF和ICP-MS不便实施或仅需要快速定性分析时的情况。
作为示例，提供开尔文探针力显微镜，所述导电探针设置在所述开尔文探针力显微镜上，所述开尔文探针力显微镜通过所述导电探针测量所述第一接触电势差a、所述第二接触电势差b。
具体地，本发明通过开尔文探针力显微镜中包含的测量表面电势的功能模块测量所述第一接触电势差a、所述第二接触电势差b。在一个实施例中，可以通过在AFM（原子力显微镜）的基础上进行功能模块的升级得到开尔文探针力显微镜的功能，由于AFM为常用设备，在此基础上的升级更方便，可以降低成本。
作为示例，提供一功函数为k的标样；进行第一次测量前，测量所述标样与所述导电探针之间的第三接触电势差c；进行第一次测量后，计算得到所述待测晶圆在第一次测量时的功函数为X1=k-ce+ae；进行第二次测量后，计算得到所述待测晶圆在第二次测量时的功函数为X2=k-ce+be，e为单位电子的电荷量。
作为示例，所述标样为高定向热解石墨。具体地，所述标样的功函数为4.65eV，为行业标准数值，也可以根据需求进行其他设置，在此不做具体限制。
具体地，如图4所示，本发明通过测量已知功函数为k的所述标样与所述导电探针之间的第三接触电势差c，可以得到所述导电探针功函数Φtip为k-ce；第一次测量在晶圆表面特定区域测量此时待测晶圆表面与导电探针之间的第一接触电势差a，代入已知的Φtip计算得到此时的功函数X1=k-ce+ae；经过一定工艺条件后，再次对同样表面做与上一步相同的测试，计算此时的功函数X2=k-ce+be；对比同一表面的X1与X2，可知前后同一材料费米能级EF位置变化，定性判断是否受到金属污染。
作为示例，所述方法还包括：使用全反射X射线荧光谱或/和电感耦合等离子体质谱测量所述待测晶圆的表面金属污染量，得到所述待测晶圆的接触电势差变化量与所述表面金属污染量的对应关系数据库；建立所述对应关系数据库后，测量得到的所述待测晶圆的接触电势差变化量即可得到对应的所述待测晶圆的表面金属污染量。
由于本发明的功函数用于定性的金属污染检测，当结合用于定量分析的全反射X射线荧光谱或/和电感耦合等离子体质谱得到的金属污染量的测量数据时，通过得到的待测晶圆的接触电势差变化量和全反射X射线荧光谱或/和电感耦合等离子体质谱得到的金属污染量进行函数对应，得到其对应关系数据库，从而在后续实际测量中可以通过数据库中的对应关系，得到接触电势差变化量对应的精确的金属污染量，从而可以得到定量检测结果，同时保证了测量过程的简便快捷、低成本、高敏感度。
在一个实施例中，也可以通过所述标样得到每次测量的所述待测晶圆的功函数具体数值，从而将所述待测晶圆的功函数直接与全反射X射线荧光谱或/和电感耦合等离子体质谱测量的表面金属污染量进行匹配建立数据库，对应关系更为紧密，可以通过单次接触电势差的测量即可对应表面金属污染量。
作为示例，所述方法还包括：测量单个所述待测晶圆的多个位置在所述预设工艺前后的接触电势差变化量；得到所述多个位置的接触电势差变化量的最大值；依据所述接触电势差变化量的最大值得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
作为示例，所述方法还包括：测量多个所述待测晶圆的相同位置在所述预设工艺前后的接触电势差变化量；得到多个所述待测晶圆的接触电势差变化量的最大值；依据所述接触电势差变化量的最大值得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
由于单个位置点得到的检测结果代表性不强，容易出现检测点没有受到污染但未检测区域受到污染，从而导致判断结果有误，因此本发明通过测量单个晶圆上多个不同位置或多个晶圆上相同位置的接触电势差变化值，其样本量更大，得到的最大值更能反映晶圆表面受金属污染的情况，用于定性测量中的检测结果有效性更强。
作为示例，判断所述待测晶圆是否受到污染的方法为：设置判断阈值，所述接触电势差变化量大于等于所述判断阈值时，判断结果为所述待测晶圆受到污染；所述接触电势差变化量小于所述判断阈值时，判断结果为所述待测晶圆未受到污染。
作为示例，所述判断阈值为10-1000mV，该数值范围用于痕量金属污染的测量。在一个实施例中，本领域人员可以根据实际需要的检测限对所述判断阈值进行设置。
实施例二：
本发明提供一种检测晶圆表面金属污染的装置，所述装置使用实施例一中的任意一种方法进行测量，所述装置包括开尔文探针力显微镜、导电探针、标样、数据处理系统；所述导电探针设置在所述开尔文探针力显微镜上，所述开尔文探针力显微镜通过所述导电探针测量一待测晶圆与所述导电探针的接触电势差；所述数据处理系统用于接收、计算、处理测量数据，得到所述待测晶圆是否受到污染的判断结果。
具体地，所述开尔文探针力显微镜中包含的测量表面电势的功能模块可以测量所述第一接触电势差a、所述第二接触电势差b。
综上，本发明的检测晶圆表面金属污染的装置及方法，可以通过测量待测晶圆与导电探针之间的接触电势差在工艺前后的变化量判断晶圆表面是否受到金属污染，在对晶圆不产生损伤的情况下迅速简便地得到检测结果，成本低且检测限低，可用于对痕量金属污染的定性检测；同时利用多次测量同一晶圆的不同位置或多个晶圆相同位置的功函数，提高了对晶圆表面金属污染判断准确度；另外，配合全反射X射线荧光谱和电感耦合等离子体质谱，建立功函数与金属污染量的对应关系数据库，实现对晶圆表面金属污染的定量检测。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供预设的导电探针和待测晶圆；
第一次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第一接触电势差a；
在对所述待测晶圆进行预设工艺后，第二次测量所述待测晶圆与所述导电探针之间的第二接触电势差b；
计算第一次测量和第二次测量的接触电势差变化量X=b-a；
依据所述接触电势差变化量得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
2.根据权利要求1所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，所述方法还包括：还提供一功函数为k的标样；进行第一次测量前，测量所述标样与所述导电探针之间的第三接触电势差c；进行第一次测量后，计算得到所述待测晶圆在第一次测量时的功函数为X1=k-ce+ae；进行第二次测量后，计算得到所述待测晶圆在第二次测量时的功函数为X2=k-ce+be，e为单位电子的电荷量。
3.根据权利要求2所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，所述标样为高定向热解石墨。
4.根据权利要求2所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，所述方法还包括：使用全反射X射线荧光谱或/和电感耦合等离子体质谱测量所述待测晶圆的表面金属污染量，得到所述待测晶圆的接触电势差变化量与所述表面金属污染量的对应关系数据库；建立所述对应关系数据库后，测量得到的所述待测晶圆的接触电势差变化量即可得到对应的所述待测晶圆的表面金属污染量。
5.根据权利要求1所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，提供开尔文探针力显微镜，所述导电探针设置在所述开尔文探针力显微镜上，所述开尔文探针力显微镜通过所述导电探针测量所述第一接触电势差a、所述第二接触电势差b。
6.根据权利要求1所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，所述方法还包括：测量单个所述待测晶圆的多个位置在所述预设工艺前后的接触电势差变化量；得到所述多个位置的接触电势差变化量的最大值；依据所述接触电势差变化量的最大值得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
7.根据权利要求1所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，所述方法还包括：测量多个所述待测晶圆的相同位置在所述预设工艺前后的接触电势差变化量；得到多个所述待测晶圆的接触电势差变化量的最大值；依据所述接触电势差变化量的最大值得出所述待测晶圆在所述预设工艺前后的费米能级的位置变化，根据所述费米能级的位置变化判断所述待测晶圆是否受到污染。
8.根据权利要求1、6、7中任意一项所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，判断所述待测晶圆是否受到污染的方法为：设置判断阈值，所述接触电势差变化量大于等于所述判断阈值时，判断结果为所述待测晶圆受到污染；所述接触电势差变化量小于所述判断阈值时，判断结果为所述待测晶圆未受到污染。
9.根据权利要求8所述的检测晶圆表面金属污染的方法，其特征在于，所述判断阈值为10-1000mV。
10.一种检测晶圆表面金属污染的装置，所述装置使用上述权利要求1-9中任意一项所述的方法进行测量，其特征在于，所述装置包括开尔文探针力显微镜、导电探针、标样、数据处理系统；所述导电探针设置在所述开尔文探针力显微镜上，所述开尔文探针力显微镜通过所述导电探针测量一待测晶圆与所述导电探针的接触电势差；所述数据处理系统用于接收、计算、处理测量数据，得到所述待测晶圆是否受到污染的判断结果。
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| CN202310015181.4A CN115754358A (zh) | 2023-01-06 | 2023-01-06 | 一种检测晶圆表面金属污染的装置及方法 |
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| CN202310015181.4A CN115754358A (zh) | 2023-01-06 | 2023-01-06 | 一种检测晶圆表面金属污染的装置及方法 |
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| CN115754358A true CN115754358A (zh) | 2023-03-07 |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN102292804A (zh) * | 2009-02-03 | 2011-12-21 | Q概念技术公司 | 利用非振动接触势差传感器的图案化晶片检查系统 |
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2023
- 2023-01-06 CN CN202310015181.4A patent/CN115754358A/zh active Pending
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