TW202303795A

TW202303795A - 一種晶圓表面損傷深度測量方法及系統

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Publication number: TW202303795A
Application number: TW111130727A
Authority: TW
Inventors: 張婉婉; 韓聰
Original assignee: 大陸商西安奕斯偉材料科技有限公司
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2023-01-16
Also published as: CN114267589A; TWI816513B

Abstract

本發明實施例公開了一種晶圓表面損傷深度測量方法及系統；該方法包括：將待測晶圓置於氮氣氛圍下進行熱處理；將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品；將該待測樣品進行角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕；根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度。

Description

一種晶圓表面損傷深度測量方法及系統

本發明實施例屬於晶圓生產技術領域，尤其關於一種晶圓表面損傷深度測量方法及系統。

半導體矽晶圓的製造過程一般包括：矽晶錠的生長、晶錠的滾磨（磨削，grinding）、切割（線切割）、研削（Lapping）、研磨（Polishing）等多種步驟。為了去除存在於晶圓表面及邊緣區域的機械加工損傷，在經過上述加工步驟後會進行蝕刻步驟。對於一些半導體所用矽晶圓，目前用於測量存在於晶圓表面區域的機械加工損傷深度的常規方案，是遵照國際規格（ASTM F95-88）中所提的方法，其本質是利用拋光步驟在試樣表層製作一個小角度斜面，暴露損傷層裂紋，進而採用顯微手段測量晶圓表面裂紋深度。在上述過程中，還需要對完成角度拋光的斜面進行刻蝕，目的是將損傷顯現的更加明顯，更有利於後續的顯微鏡觀測。

為了使得角度拋光的斜面和檢測樣品表面界限明顯，方便選取顯微鏡測量的初始點，常規方案通常還會在檢測樣品上黏接一個陪片；如此會存在以下問題：首先，需要對兩個小於1 × 1cm的樣品進行黏接，且需保持待角度拋光面在同一平面，增加了操作難度；其次，兩個樣片之間的膠層厚度較難保持一致，且會有拋光過程中脫落的風險，從而導致測試誤差增加；再次，在後續進行刻蝕時，還需對膠層進行去除，否則會汙染刻蝕液，無法重複使用，增加了操作複雜度。除了以上問題以外，目前常規方案對於損傷深度較小，或者仍舊存在於樣品中殘餘的損傷應力無法進行測量，而無法測量的項目對於後段步驟和最終生產晶圓的品質的影響卻十分重要。

有鑑於此，本發明實施例期望提供一種晶圓表面損傷深度測量方法及系統；能夠降低操作難度，測量獲得損傷深度較淺以及樣品中存在的殘餘應力，使得相對於常規方案中無法觀測到的損傷能夠被測量獲得，提高了測量效率。

本發明實施例的技術方案是這樣實現的：第一方面，本發明實施例提供了一種晶圓表面損傷深度測量方法，該方法包括：將待測晶圓置於氮氣氛圍下進行熱處理；將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品；將該待測樣品進行角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕；根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度。

第二方面，本發明實施例提供了一種晶圓表面損傷深度測量系統，該系統包括：能夠容置待測晶圓且具有加熱器的熱處理腔室、能夠向該熱處理腔室內提供氮氣的氮氣氣泵、晶圓切割器、角度拋光套件、刻蝕套件以及測量套件；其中，該氮氣氣泵，用於向容置有該待測晶圓的熱處理腔室提供氮氣以使得該待測晶圓能夠在氮氣氛圍下進行熱處理；該晶圓切割器，用於將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品；該角度拋光套件，用於將該待測樣品進行角度拋光；該刻蝕套件，用於角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕；該測量套件，用於根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度。

本發明實施例提供了一種晶圓表面損傷深度測量方法及系統；在進行裂解取樣之前，將待測晶圓通過氮氣氛圍下進行熱處理，從而在待測晶圓表面形成薄薄的氮化矽膜，從而使得矽片表面和後續角度拋光面的介面更加明晰；此外，通過熱處理能夠將待測晶圓的機械損傷應力釋放出來，並且在氮氣和空氣的作用下使得損傷表面形成氧化矽或者氮化矽，能夠經過刻蝕處理而將機械損傷放大顯現，使得常規方案中無法在顯微鏡下觀測到的損傷可以被測量到，增加了損傷檢測的極限。

為利貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。

在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。

當前，遵照國際規格（ASTM F95-88）中所提出的方法，用於測量存在於晶圓表面區域的機械加工損傷深度的常規方案具體可以包括如圖1所示的步驟：首先，選取待測晶圓；接著，將待測晶圓進行裂解獲得樣片和陪片；隨後，將樣片和陪片進行黏接；然後，將完成黏接的樣片黏接於夾具上；接著，進行角度拋光；隨後，將角度拋光後的樣品表面進行刻蝕；最後通過顯微鏡觀察刻蝕後的亞表面損傷，從而測量獲得機械加工所造成的損傷深度。

在按照上述常規方案進行角度拋光的過程中，詳細來說，如圖2所示，將會按照與加工表面成β角的方向切割樣品及陪片，然後拋光斜面以去除切割過程中可能造成的損壞。隨後對於拋光後的樣品表面進行腐蝕，使亞表面裂紋暴露出來；最後用顯微鏡觀察並測量亞表面裂紋尺寸L，最終，亞表面損傷的深度H可用公式表示為：H=L × sinβ。可以理解地，黏接的陪片能夠提供與樣片之間明顯的界限，從而能夠便於顯微鏡觀察時選取測量起始點。

對於上述常規方案，可以理解的，首先，需要將兩個尺寸小於1 × 1cm的樣品和陪片進行黏接，且需保持待角度拋光的面在同一平面，從而制樣方式繁雜，操作難度較大；其次，樣片和陪片之間的膠層厚度難以保證一致，且在角度拋光過程中存在脫落的風險，從而導致測試誤差大；接著，在進行刻蝕時，還需要對樣片與陪片之間的膠層進行去除，否則會汙染刻蝕液導致無法重複使用，存在增加測試成本的風向；最後，也是最重要的是一點就是，常規方案對於損傷深度較小或者存在的樣品中殘餘的損傷應力無法進行測量，而這些無法測量的隱患對於晶圓製作的後續步驟和矽片品質的影響卻十分重要。

有鑑於此，本發明實施例期望能夠在角度拋光之間對樣片進行預處理，能夠降低操作難度，使得界限明顯，而且還能夠測量深度較淺的損傷以及樣品中存在的殘餘應力，為矽片品質評價和後續步驟的設置提供有力資料支撐。基於此，參見圖3，其示出了本發明實施例提供的一種晶圓表面損傷深度測量方法，該方法包括： S301：將待測晶圓置於氮氣氛圍下進行熱處理； S302：將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品； S303：將該待測樣品進行角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕； S304：根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度。

對於圖3所示的技術方案，在進行裂解取樣之前，將待測晶圓通過氮氣氛圍下進行熱處理，從而在待測晶圓表面形成薄薄的氮化矽膜，從而使得矽片表面和後續角度拋光面的介面更加明晰；此外，通過熱處理能夠將待測晶圓的機械損傷應力釋放出來，並且在氮氣和空氣的作用下使得損傷表面形成氧化矽或者氮化矽，能夠經過刻蝕處理而將機械損傷放大顯現，使得常規方案中無法在顯微鏡下觀測到的損傷可以被測量到，增加了損傷檢測的極限。

對於圖3所示的技術方案，在一些示例中，該將待測晶圓置於氮氣氛圍下進行熱處理，包括：將該待測晶圓置於流量為1至10升/分鐘（literperminute，LPM）的氮氣氛圍中；將處於氮氣氛圍中的待測晶圓在溫度700至900℃環境下進行2至4小時的一次熱處理；將處於氮氣氛圍中且完成一次熱處理的待測晶圓在1000至1200℃環境下進行10至20小時的二次熱處理，以獲得完成熱處理的待測晶圓。

對於上述示例，需要說明的是，經過以上示例的兩次熱處理，將會在待測晶圓的表面生長出一層厚度大約在3000至6000埃（Å）的薄薄的氮化矽膜；由於氮化矽膜的存在，可以使得晶圓表面和後續的角度拋光面的介面相較於常規方案不進行熱處理的介面更加明顯和清晰，如圖4所示的對比，圖4中的左邊為常規方案未進行熱處理的樣品的介面示意，右邊為按照上述示例在氮氣氛圍進行兩次熱處理後的介面示意，從中可以看出，右邊的介面相交於左邊更加的明晰。此外，通過上述示例的兩次熱處理，能夠使得晶圓內部的機械損傷應力完全釋放，並且在氮氣和空氣的作用下會於損傷表面形成氧化矽或者氮化矽，如此，再經過後續的刻蝕處理，能夠讓機械損傷更加放大顯現，從而使得本來在顯微鏡下無法觀測到的損傷可以被測量，加大了檢測的極限；仍然如圖4所示，未進行熱處理的樣品未顯現損傷，而經過熱處理後的樣品能夠看到其中所顯現出來的機械損傷，損傷長度大約為36.50um。

對於上述示例，在本發明實施例的可選實施過程中，氮氣流量選取為8LPM，隨後在900℃環境下熱處理2小時（h）；然後在1000℃環境下熱處理15h。

對於圖3所示的技術方案，在一些示例中，該將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品，包括：將該完成熱處理的待測晶圓按照10mm × 10mm大小裂解獲得多個晶圓樣品；選取一個處於該待測晶圓中心處、一個處於待測晶圓的R/2處以及一個處於待測晶圓邊緣處的晶圓樣品作為該待測樣品；其中，R表示待測晶圓半徑。

對於上述示例，詳細來說，可以將完成熱處理的待測晶圓切割成多個尺寸為10mm × 10mm大小的樣品，隨後，在待測晶圓中心處、待測晶圓的R/2處以及待測晶圓邊緣處各選取一個樣品作為待測樣品。

對於圖3所示的技術方案，在一些示例中，該將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品，包括：分別以該待測晶圓中心、該待測晶圓的R/2處為中心以及該待測晶圓邊緣處切割尺寸10mm × 10mm大小的待測樣品。

對於圖3所示的技術方案，在一些示例中，該將該待測樣品進行角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕，包括：將該待測樣品利用加熱狀態下的樹脂膠黏貼至角度規下方；將黏貼有該待測樣品的角度規放置在角度拋光機上進行角度拋光，以將待測晶圓的損傷層暴露至拋光所得到的斜截面；將角度拋光完成後的待測樣品從該角度規取下，進行萊特刻蝕。

對於上述示例，結合前述可選實施過程，可以採用樹脂膠（比如環氧膠）將待測樣品以11.32°的角度黏貼在如角度規為示例的夾具上，具體來說，可以將待測樣品用樹脂膠黏貼在加熱板上，隨後在140-180℃加熱固化以黏牢待測樣品；隨後，將黏有待測樣品的夾具黏接於角度拋光機上進行時長約10分鐘（min）的角度拋光；待拋光結束後，可以將待測樣品從角度規上取下，進行萊特（Wright）刻蝕，刻蝕時長約為20s至60s之間，刻蝕完成之後，將經過刻蝕的待測樣品沖洗乾淨，並晾乾備用。

對於圖3所示的技術方案，在一些示例中，該根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度，包括：將經過刻蝕後的待測樣品置於斜面上，以使得斜截面平行於測試檯面；通過顯微鏡觀測測試檯面上經過刻蝕後的斜截面的刻蝕形貌；根據該刻蝕形貌測量該晶圓樣品表面的損傷層厚度。

具體通過顯微鏡進行損傷深度測量的步驟實現方式與目前常規方案一致，也就是說，顯微鏡觀察並測量亞表面裂紋尺寸L，拋光角度為β，亞表面損傷的深度H用公式H=L × sinβ進行計算。

基於前述技術方案相同的發明構思，參見圖5，其示出了本發明實施例提供的一種晶圓表面損傷深度測量系統5，該晶圓表面損傷深度測量系統5可以包括：能夠容置待測晶圓W且具有加熱器511的熱處理腔室51、能夠向該熱處理腔室51內提供氮氣的氮氣氣泵52、晶圓切割器53、角度拋光套件54、刻蝕套件55以及測量套件56；其中，該氮氣氣泵52，用於向容置有該待測晶圓W的熱處理腔室51提供氮氣以使得該待測晶圓能夠在氮氣氛圍下進行熱處理；該晶圓切割器53，用於將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品；該角度拋光套件54，用於將該待測樣品進行角度拋光；該刻蝕套件55，用於角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕；該測量套件56，用於根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度。

可以理解地，在晶圓表面損傷深度測量系統5中，各元件之間並不全部具有連接關係，但是各元件之間在執行前述晶圓表面損傷深度測量方法的過程中具有使用先後的順序，因此，圖5中以虛線箭頭表示各元件之間在執行方法流程過程中的先後順序。

在一些示例中，該氮氣氣泵52依照流量為1至10升/分鐘LPM向該熱處理腔室51提供氮氣，以使得該待測晶圓W處於氮氣氛圍下；該熱處理腔室51的加熱器511，用於將具有氮氣氛圍且置有待測晶圓W的該熱處理腔室51溫度加熱至700至900℃並持續2至4小時以完成一次熱處理；以及，完成一次熱處理後，將具有氮氣氛圍且置有待測晶圓W的該熱處理腔室51溫度加熱至1000至1200℃並持續10至20小時以完成二次熱處理，從而獲得完成熱處理的待測晶圓。

在一些示例中，該晶圓切割器53，用於將該完成熱處理的待測晶圓按照10mm × 10mm大小裂解獲得多個晶圓樣品；以及，選取一個處於該待測晶圓中心處、一個處於待測晶圓的R/2處以及一個處於待測晶圓邊緣處的晶圓樣品作為該待測樣品；其中，R表示待測晶圓半徑。

在一些示例中，該晶圓切割器53，用於分別以該待測晶圓中心、該待測晶圓的R/2處為中心以及該待測晶圓邊緣處切割尺寸10mm × 10mm大小的待測樣品。

在一些示例中，如圖6所示，該角度拋光套件54，包括角度規541以及角度拋光機542；其中，該角度規541，用於利用加熱狀態下的樹脂膠將該待測樣品進行黏貼；該角度拋光機542，用於將黏貼有該待測樣品的角度規進行角度拋光，以將待測晶圓的損傷層暴露至拋光所得到的斜截面。

在一些示例中，如圖7所示，該測量套件56，包括測試檯面561、顯微鏡562和計算部分563；其中，測試檯面561，用於放置刻蝕後的待測樣品；具體來說，可以將經過刻蝕後的待測樣品置於斜面上，以使得斜截面平行於測試檯面；該顯微鏡562，用於觀測測試檯面上經過刻蝕後的斜截面的刻蝕形貌；該計算部分563，用於根據該刻蝕形貌測量該晶圓樣品表面的損傷層厚度。

可以理解地，上述晶圓表面損傷深度測量系統5的示例性技術方案，與前述晶圓表面損傷深度測量方法的技術方案屬於同一構思，因此，上述對於晶圓表面損傷深度測量系統5的技術方案未詳細描述的細節內容，均可以參見前述晶圓表面損傷深度測量方法的技術方案的描述。本發明實施例對此不做贅述。

需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。

以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。

S301-S304:步驟 5:晶圓表面損傷深度測量系統 51:熱處理腔室 511:加熱器 52:氮氣氣泵 53:晶圓切割器 54:角度拋光套件 541:角度規 542:角度拋光機 55:刻蝕套件 56:測量套件 561:測試檯面 562:顯微鏡 563:計算部分

圖1為常規方案進行晶圓表面機械加工損傷深度測量的方法流程示意圖；圖2為常規方案進行角度拋光後在拋光截面的損傷示意圖；圖3為本發明實施例提供的一種晶圓表面損傷深度測量方法流程示意圖；圖4為本發明實施例提供的介面對比示意圖；圖5為本發明實施例提供的一種晶圓表面損傷深度測量系統的組成示意圖；圖6為本發明實施例提供的角度拋光套件組成示意圖；圖7為本發明實施例提供的測量套件組成示意圖。

S301-S304:步驟

Claims

一種晶圓表面損傷深度測量方法，該方法包括：將待測晶圓置於氮氣氛圍下進行熱處理；將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品；將該待測樣品進行角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕；根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度。
如請求項1所述之晶圓表面損傷深度測量方法，其中，該將待測晶圓置於氮氣氛圍下進行熱處理，包括：將該待測晶圓置於流量為1至10升/分鐘LPM的氮氣氛圍中；將處於氮氣氛圍中的待測晶圓在溫度700至900℃環境下進行2至4小時的一次熱處理；將處於氮氣氛圍中且完成一次熱處理的待測晶圓在1000至1200℃環境下進行10至20小時的二次熱處理，以獲得完成熱處理的待測晶圓。
如請求項1所述之晶圓表面損傷深度測量方法，其中，該將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品，包括：將該完成熱處理的待測晶圓按照10mm × 10mm大小裂解獲得多個晶圓樣品；選取一個處於該待測晶圓中心處、一個處於待測晶圓的R/2處以及一個處於待測晶圓邊緣處的晶圓樣品作為該待測樣品；其中，R表示待測晶圓半徑。
如請求項1所述之晶圓表面損傷深度測量方法，其中，該將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品，包括：分別以該待測晶圓中心、該待測晶圓的R/2處為中心以及該待測晶圓邊緣處切割尺寸10mm × 10mm大小的待測樣品。
如請求項1所述之晶圓表面損傷深度測量方法，其中，該將該待測樣品進行角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕，包括：將該待測樣品利用加熱狀態下的樹脂膠黏貼至角度規下方；將黏貼有該待測樣品的角度規放置在角度拋光機上進行角度拋光，以將待測晶圓的損傷層暴露至拋光所得到的斜截面；將角度拋光完成後的待測樣品從該角度規取下，進行萊特刻蝕。
如請求項1所述之晶圓表面損傷深度測量方法，其中，該根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度，包括：將經過刻蝕後的待測樣品置於斜面上，以使得斜截面平行於測試檯面；通過顯微鏡觀測測試檯面上經過刻蝕後的斜截面的刻蝕形貌；根據該刻蝕形貌測量該晶圓樣品表面的損傷層厚度。
一種晶圓表面損傷深度測量系統，該系統包括：能夠容置待測晶圓且具有加熱器的熱處理腔室、能夠向該熱處理腔室內提供氮氣的氮氣氣泵、晶圓切割器、角度拋光套件、刻蝕套件以及測量套件；其中，該氮氣氣泵，用於向容置有該待測晶圓的熱處理腔室提供氮氣以使得該待測晶圓能夠在氮氣氛圍下進行熱處理；該晶圓切割器，用於將完成熱處理的待測晶圓進行裂解獲並按照設定的選取策略選擇待測樣品；該角度拋光套件，用於將該待測樣品進行角度拋光；該刻蝕套件，用於角度拋光後在拋光的斜截面進行刻蝕；該測量套件，用於根據經過刻蝕後的斜截面形貌測量該晶圓樣品表面損傷深度。
如請求項7所述之晶圓表面損傷深度測量系統，其中，該氮氣氣泵依照流量為1至10升/分鐘LPM向該熱處理腔室提供氮氣，以使得該待測晶圓處於氮氣氛圍下；該熱處理腔室的加熱器，用於將具有氮氣氛圍且置有待測晶圓的該熱處理腔室溫度加熱至700至900℃並持續2至4小時以完成一次熱處理；以及，完成一次熱處理後，將具有氮氣氛圍且置有待測晶圓的該熱處理腔室溫度加熱至1000至1200℃並持續10至20小時以完成二次熱處理，從而獲得完成熱處理的待測晶圓。
如請求項7所述之晶圓表面損傷深度測量系統，其中，該角度拋光套件，包括角度規以及角度拋光機；其中，該角度規，用於利用加熱狀態下的樹脂膠將該待測樣品進行黏貼；該角度拋光機，用於將黏貼有該待測樣品的角度規進行角度拋光，以將待測晶圓的損傷層暴露至拋光所得到的斜截面。