TW202121524A - 製備半導體晶圓的方法 - Google Patents
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Abstract
一種製備半導體晶圓的方法，包括：製備單晶；分割該單晶成晶體片；用於製造半導體晶圓的一系列製造步驟，以及在每種情況下提供與位置相關之測量結果的後續測量，其中製造步驟和測量的可區分組合數量大於一；儲存該半導體晶圓與位置相關之測量結果；以及決定該半導體晶圓是否用於積體電路加工，其中在實施該製造步驟和測量後，將所有測量結果用於該決定。
Description
本發明涉及一種製備半導體晶圓的方法。
單晶半導體晶圓（或「切片」）是現代電子應用的基礎。在半導體晶圓上製備積體電路的期間，半導體晶圓經歷熱加工及高度複雜的塗佈加工。
單晶半導體晶圓的製備本身非常複雜，且由多個高度發展的製造步驟組成。
半導體晶圓，特別是矽半導體晶圓，通常係首先藉由浮區法（FZ）或切克勞斯基法（CZ）提拉單晶棒來製備。因此，所製備的棒係藉由適合於該目的的鋸（諸如線鋸、內徑鋸或帶鋸）而被分成晶體片，然後通常在線鋸或內徑鋸中將這些片加工成半導體晶圓。
在進一步的機械、化學機械、及／或化學步驟之後，可視需要藉由CVD來施加磊晶層。
然後將這些由此製備的半導體晶圓用於建造積體電路（IC）。
適當的品質保證要求計量技術（metrology technique）的密集部署，該計量技術決定了所實施的製造步驟的成功與否。因此，通常在各自製造步驟之後使用不同的測量技術，以便監控製備過程，以及挑出被認為不可用的半導體晶圓。在此，通常僅使用單一測量方法的結果或一個測量參數來評估半導體晶圓。
挑出半導體晶圓的理由是，如果僅在半導體晶圓在積體電路製造中進行加工時才檢測到半導體晶圓之不合適或有缺陷的本質，則會產生相當大的成本。另一方面，如果將材料錯誤地分類為不適合用於積體電路應用，則對半導體晶圓的製造商會不可避免地造成經濟損失。
由於這個原因，有價值的目標是，一方面僅對在積體電路製造期間缺陷風險最小的那些半導體晶圓進行積體電路加工，而另一方面使被錯誤丟棄的半導體晶圓的數量最小化。
半導體晶圓可能有各種缺陷。根據積體電路加工的不同，缺陷類型及其外觀（外觀的位置和形狀）都決定了就積體電路加工而言，該缺陷是被分類為有害的還是不重要的。
例如，在半導體晶圓的內部（即，遠離表面）中可存在小孔（稱為針孔），而對於積體電路加工沒有任何可觀察到的後果。然而，如果針孔位於表面上或表面附近，則確實會在積體電路加工中產生不利的影響。
因此，特別要求僅提供沒有嚴重缺陷的材料用於積體電路加工。一個清楚的要求是，必須盡可能明確地識別出缺陷，並基於這種分類對材料進行分類。
實際上，每次測量都有誤差和不足之處。因此，缺陷的檢測或甚至識別可能是錯誤的或正確的。
就此問題，US 2008/0032429 A1描述一種用於測量方法的技術，該測量方法在出現缺陷時會產生半導體晶圓上之缺陷區域的額外圖像，並使用該額外圖像來界定這個區域內的缺陷類型。缺陷一旦被系統識別出，則將藉由同一測量儀器上的另一測量資料再次進行測量，其中所作的決定因此被證實或者被證實為錯誤的。這需要增加分析工作量，因此增加了成本。
在US 2008/0163140 A1中，在識別出缺陷之後，儲存半導體晶圓上之缺陷的位置（即，座標），然後藉由第二測量方法對該缺陷進行檢測。此第二測量步驟之目的是明確地識別缺陷類型。在此，藉由使用進一步之測量方法也同樣會增加成本。
所描述之二種先前技術方法在發現缺陷時都能夠證實確為缺陷或不為缺陷。這被稱為缺陷複查。這二種技術都旨在於偵測到缺陷時，針對已經發現的缺陷使用額外實施的測量來明確地識別出缺陷。
使用這種額外非常規的測量的原因是，目前在標準基礎上使用的測量技術僅能夠提供具有局限性的分類。
每種額外測量技術一方面都會產生成本，另一方面可能對半導體晶圓具有負面影響（例如，污染）。這些影響可能導致排除將如此分析的半導體晶圓用於積體電路加工。因此，這些技術不能應用於半導體晶圓的大規模製備中。
本發明目的在於改善在大規模製造中半導體晶圓上之缺陷的識別／分類，以及不僅增加產量，而且確保所供應之材料的品質，而不因引入額外的測量而產生額外的成本。
本發明的目的係透過申請專利範圍中描述的方法來實現。術語定義
MWS（多線鋸）是指藉由鋸線從晶體片同時切割多個半導體晶圓。這種方法的一般性描述在WO18149631 A1中給出。
ENG（邊緣缺口研磨）是指在DE102013212850 A1中一般性重現的邊緣圓整方法。
FAP（固定磨料拋光）是指使用黏結磨料進行拋光。這種方法在US8500516 B2中進行一般性描述。
CMP（化學機械拋光）是指拋光，其中使用未黏結磨料和合適的化學試劑，在半導體晶圓的一側進行燒蝕拋光。在例如DE 10 2008 045 534 B4中描述進一步的細節。
雙面拋光（DSP）是化學機械加工步驟（CMP）之群組中的一種方法。在例如US 2003/054650 A1中描述對半導體晶圓的DSP加工，以及在DE 100 07 390 A1中描述適用於這種目的之設備。DSP包括使用鹼的化學蝕刻，以及使用未黏結磨料的機械腐蝕，其中該未黏結磨料分散在水性介質中且藉由拋光布與半導體晶圓接觸，該拋光布不包含與半導體晶圓接觸的硬質物質；藉由這種方式，材料在壓力和交互運動下從半導體晶圓燒蝕。
CVD代表化學氣相沉積，並且在WO19020387 A1中進行一般性描述。
DDG（雙面研磨）是一種用於在載體（例如，研磨盤）中使用黏結磨料進行機械燒蝕的技術。這種方法在DE102017215705 A1中進行說明性描述。
蝕刻是指以化學方式或鹼誘導的半導體燒蝕。這種方法在US7829467 B2中進行說明性描述。
邊緣圓整是指對半導體晶圓邊緣進行的機械圓整。
邊緣拋光是指對半導體晶圓邊緣進行的拋光。
電阻測量是指對單晶矽的電阻的測量。出於這個目的，較佳的是稱為四點測量的測量技術，但是也可以使用其他技術。
光散射被理解為是指如下測量技術：例如MO6、MO4、LLS、IR-LST（局部光散射）。利用這種技術，用光束掃描待分析物體（即，矽晶圓），然後使用檢測器記錄反射的光及／或散射在表面不規則物處或體積內的光。在散射光的情況下，所使用的術語是暗場檢查；對反射光的檢測被稱為光場測量。（另請參見SEMI標準M52）。
使用紅外去極化（SIRD），半導體晶圓係使用紅外光束掃描。在這種掃描中，以空間解析度記錄反射或透射的雷射的極化不均勻性，以便測定材料中可能的局部應力。
在超聲波測量的情況下，用超聲波透射（trans-irradiate）樣品。在聲波撞擊不規則物的位置處，發生反射且檢測到該反射。在此再次掃描樣品。連同測量波的傳播時間，能夠精確地確定不規則物的局部位置。
少數電荷載子的壽命測量：根據對晶體缺陷和雜質上的脈衝回應，確定所生成之自由電荷載子進入在費米能級以下之狀態的再結合壽命。（參考：SEMI標準MF1535）。
少數電荷載子的自由路徑長度的測量：這是根據壽命和自由擴散常數（物理常數，參考：SEMI標準MF391）計算。
局部幾何形狀的測量：對於這種技術，樣品的平坦度及／或厚度的局部變化是藉由電容測量、干涉測量或三角測量確定。(另請參見SEMI標準M49)。
顯微術（電子顯微術、可見光波長範圍內的光學顯微術）：使用顯微鏡在對應的製造步驟之後常規性地監測矽片的特定區域。這些區域尤其包括邊緣區域、缺口區域、雷射標記區域、以及與晶圓處理及放置系統的接觸點。
質譜法和X-射線螢光係常規地用於識別（在一些情況下以局部解析度識別）矽中的外來原子並確定此類原子的濃度。
FTIR可用於確定層（例如，磊晶層或氧化物層）的厚度，且還經由光譜分析來確定諸如O、C、H、及N等外來原子的濃度。
LLS（局部光散射）藉由光散射識別在晶圓表面上辨認出的光散射點。
本發明的詳細說明及實施例
在製備半導體晶圓的各個製造步驟之後，使用最適用於相關製造步驟的測量方法執行測量，並將其結果儲存在資料庫中。在此，測量結果被認為是關於如下的資訊：可能的異常或缺陷的本質、這種異常或缺陷的局部座標、所使用的測量技術（包括表現形式）、以及製造步驟的資訊。
本發明人已經認識到，在實施的所有製造步驟及其分配的測量之後的測量結果之組合資訊導致實質上改善了相關特徵的表徵及識別。
相較於在相應的製造步驟之後對各個測量結果的資料進行評估，這種技術被證明是非常有利的。在不同的製造步驟之後組合測量資料使得可更精確地界定缺陷的來源及因此之缺陷的本質，以及缺陷在半導體晶圓表面上或半導體晶圓塊體中的精確位置。因此，缺陷識別的品質、以及相關連之對半導體晶圓評估其在積體電路加工中的適用性可被最佳化。
因此，非必要地去除的半導體晶圓的數量可被減少，以及以他法會被缺陷性地批准用於積體電路加工的半導體晶圓的數量可被減少。
由隨後的測量步驟監測的製造步驟較佳是來自以下製造步驟的清單中者：MWS、ENG、FAP、CMP、DSP、CVD、DDG、蝕刻、邊緣圓整、邊緣拋光、磊晶。
在此情況下儲存的資料非常較佳地是來自以下參數的測量資料（包含位置資訊）：幾何形狀、奈米形貌（nanotopography）、LLS、局部粗糙度變化、在整個表面（邊緣、正面和背面）上以相機記錄的暗場和明場信號、來自材料的局部超聲波反射及透射、矽晶圓的體積內及／或表面上的紅外光散射中心、極化紅外光的局部去極化。
如此收集的資料係組合使用以針對半導體晶圓之未來用途來評估半導體晶圓。這可藉由使用合適的資料處理系統來實現。在此情況下，自學習系統（人工智慧、圖形識別系統）是特別合適的。人工神經網路特別適合。清楚地，取決於缺陷類型，所採用的不同測量技術不同程度地促成改進的缺陷識別。實施例：對針孔型缺陷的技術應用
在製備多個標稱直徑為300毫米的單晶後，將單晶切割成長為10公分至30公分的晶體片，然後使用超聲波測量分析所述晶體片，並儲存結果（晶體中可能的不規則物的座標）。
隨後，與已經獲得的結果無關地，藉由MWS將晶體片切片成半導體晶圓。然後，對由此獲得的半導體晶圓執行IR測量，然後儲存這些測量的結果，包括關於所偵測之特徵的位置／座標資訊。
在IR測量表現異常的位置處，如先前技術所提出地，以更高解析度進行進一步的IR測量來執行缺陷複查作為第二次測量，以作為對照。如先前技術所提出地，使用這些資料來獲得對異常的評估。然而，與現有技術相反，表現出可能有害的缺陷的半導體晶圓不會被丟棄，而是進行後續製造步驟。在後續步驟中也採用了相同的原理。如此獲得的額外資料最後被用作本發明技術的驗證的資料基礎。
在雙面拋光（DSP）後，對獲得的半導體晶圓進行IR測量，然後以包括位置資訊地儲存資料。
在藉由CMP進一步處理半導體晶圓之後，對半導體晶圓進行SIRD測量並以空間解析度儲存測量的資料。此外，在CMP後，對半導體晶圓的正面和背面進行光散射測量，以包括位置資訊地儲存測量的資料。
藉由CVD處理對一些所得的半導體晶圓進行後續加工，然後藉由對正面和背面的光散射測量來分析所述半導體晶圓，再次以包括位置資訊地儲存所有資料。
表1示出所使用的製造步驟以及與這些步驟相關而實施的測量的概述。
最後，全面分析所有測量結果。本發明人在此認識到以下是有利的：首先執行晶圓製造所需的所有步驟並記錄測量結果，且在最後結合所有不同的測量結果以用於解釋。
在此被確認為有利的是，在隨後用於半導體積體電路的情況下，在各個製造步驟之後組合來自不同測量技術的不同測量資料提供了關於所發現之異常／缺陷的有害影響的更精確的資訊。在此不再需要如先前技術所提出之對可能有害的缺陷的額外非常規的測量。
本發明人進一步認識到，在不同的製造步驟之後組合測量結果提供了進一步的有利效果：首先，可將表面上對於積體電路加工而言至關重要的針孔與非至關重要的亞表面針孔明確地分開。其次，針對針孔明確分類的紅外測量的檢測極限（目前約為20微米）可被提高到遠低於10微米。
表1：實施例所進行的製造步驟和後續測量技術。當實施本發明方法時，不需要另外的對照測量。
| 製造步驟 | 製造步驟後的測量 | 對照測量 （第二次測量） |
| 拉晶法 | 超聲波測量：晶體中不規則物的檢測 | 以更高解析度進行第二次局部超聲波測量 |
| 多線鋸 | 紅外測量 矽晶圓上／矽晶圓中不規則物的檢測 | 以更高解析度進行另外的局部紅外測量 |
| 雙面拋光 | 紅外測量 矽晶圓上／矽晶圓中不規則物的檢測和局部分類 | 以更高解析度進行另外的局部紅外測量 |
| 化學機械拋光 | 紅外去極化測量 | 以更高解析度進行另外的局部紅外去極化測量 |
| 化學氣相沉積 | 紅外去極化測量 矽晶圓上／矽晶圓中可能的應力場的檢測 | 以更高解析度進行另外的局部紅外去極化測量 |
| 化學機械拋光 | 正面和背面及邊緣的光散射測量 矽晶圓上／矽晶圓中不規則物的檢測和局部分類 | 以更高解析度進行另外的局部光散射測量 |
| 化學氣相沉積 | 正面和背面及邊緣的光散射測量 矽晶圓上／矽晶圓中不規則物的檢測和局部分類 | 以更高解析度進行另外的局部光散射測量 |
以上說明性實施態樣的描述應被理解為實施例。對應的揭露內容一方面使得技術人員能夠理解本發明以及與其相關聯的優點，另一方面，在本領域技術人員的理解範圍內，還包括對所描述的結構和方法的明顯修改和變更。因此，所有這種修改和變更以及等效物都旨在被申請專利範圍的保護範圍所涵蓋。
A:傳遞
AI:軟體
B:丟棄
C:缺陷／異常
CR:演算法／決定
DB:資料庫
F:製造步驟
M:測量步驟／測量方法
Mc
:測量方法
圖1示出先前技術的方法順序。每種情況中，在第i個製造步驟F之後是測量步驟M，所述測量步驟M分析半導體晶圓之可能的缺陷。然後使用第二種改進的測量方法Mc
來分析可能的缺陷／異常C （C1
、C2
、…Cn
）的位置。在這種分析結束時，簡單演算法CR決定是否將半導體晶圓丟棄B或者將其傳遞到下一個製造步驟F（i+1、i+2等）。假設測量級聯M和Mc
產生可靠的結果，在此使用的演算法CR僅針對與相應製造步驟相關的半導體晶圓上已知的關鍵缺陷的存在進行分析。
在最後的製造步驟（圖1中標題為「i+2」）之後可將被認為良好的半導體晶圓傳遞A給積體電路加工。
圖2示出本發明的方法順序。在第i個製造步驟F之後是測量步驟M，所述測量步驟M分析半導體晶圓可能的缺陷和異常。在這種情況下，將可能的缺陷和異常C（C1
、C2
、...Cn
）的位置座標與測量方法M和製造步驟F一起儲存在資料庫DB中。沒有決定是否將半導體晶圓引入至下一個（i+1、i+2等）製造步驟，因此所有晶圓都經過所有必要的製造步驟。
在半導體晶圓經過所有製造和測量步驟之後，使用軟體（AI）分析來自資料庫DB之相應半導體晶圓的資料，並據此決定（CR）是否將半導體晶圓丟棄（B）或者將其傳遞（A）給積體電路加工 。
A:傳遞
AI:軟體
B:丟棄
C:缺陷/異常
CR:演算法/決定
DB:資料庫
F:製造步驟
M:測量步驟/測量方法
Claims (7)
- 一種製備半導體晶圓的方法，其包括： 製備單晶， 分割該單晶成晶體片， 用於製造半導體晶圓的一系列製造步驟，以及在每種情況下提供與位置相關之測量結果的後續測量， 其中製造步驟和測量的可區分組合數量大於一， 儲存該半導體晶圓與位置相關之測量結果，以及 決定該半導體晶圓是否用於積體電路加工，其中 在實施該製造步驟和測量後，將所有測量結果用於該決定。
- 如請求項1所述的製備半導體晶圓的方法，其中該一系列製造步驟包含選自以下製造步驟清單中的選項：MWS、ENG、FAP、CMP、DSP、CVD、DDG、蝕刻、邊緣圓整、邊緣拋光，以及 其中該測量包含選自以下清單中的選項：電阻測量、光散射、超聲波測量、SIRD、壽命、自由路徑長度、局部幾何形狀、顯微術、質譜法、紅外光譜法。
- 如請求項1或2所述的方法，其中在分割該單晶之後，對該晶體片進行超聲波分析，且以包含空間資訊地儲存所獲得的資料。
- 如請求項1或2所述的方法，其中使用該測量結果評估該半導體晶圓上的各局部區域。
- 如請求項1或2所述的方法，其中使用該測量結果評估各缺陷類型。
- 如請求項1或2所述的方法，其中使用該測量結果評估各缺陷。
- 如請求項1或2所述的方法，其中使用人工智慧自動評估該測量結果。
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