TWI788105B - 半導體晶圓檢測方法及半導體晶圓檢測裝置 - Google Patents

Abstract

一種半導體晶圓檢測方法，用於一半導體晶圓檢測裝置，該半導體晶圓檢測方法包含有產生一太赫茲發射電磁波，並入射至一半導體晶圓，其中該半導體晶圓包含複數個界面層；偵測該太赫茲發射電磁波入射至該半導體晶圓的該複數個界面層後反射或透射的複數個太赫茲接收電磁波；根據該太赫茲發射電磁波與該複數個太赫茲接收電磁波，測量複數個特徵信號；以及分析該複數個特徵信號，以判斷該複數個界面層的複數個特性。

Description

半導體晶圓檢測方法及半導體晶圓檢測裝置

本發明係指一種半導體晶圓檢測方法及半導體晶圓檢測裝置，尤指一種非破壞式半導體晶圓內損傷層檢測方法及其檢測裝置。

單晶矽晶圓（Single Crystal Silicon Wafer）因具有產業熟悉的機械和電器性能、相對較低的成本及易於製造成電子元件或光電元件的優點而成為主要的半導體材料。隨著電子元件尺寸縮小化的趨勢，單晶矽晶圓需要經由切割、研磨、減薄及拋光等製程進行加工。單晶矽晶圓經加工後，於矽晶圓表面的內層常產生：非晶矽層（Amorphous Silicon Layer）、矽原子錯位（Silicon Dislocation）、微裂痕（Micro Cracks）、及殘餘應力（Residual Stress）等次表面損傷層（Sub Surface Damage Layer，SSD）。次表面損傷層會使單晶矽晶圓強度降低及壽命縮短，更會影響單晶矽晶圓製成的電子元件或光電元件的良率。因此，在單晶矽晶圓加工過程中，測量及加工移除次表面損傷層非常重要。

然而，目前的次表面損傷層測量方法中，一部份可能會改變或破壞單晶矽晶圓的表面，另一部份非破壞性的次表面損傷層測量方法則需要高性能的測量系統，不適合同時用於單晶矽晶圓加工過程中。

因此，習知技術實有改善之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種非破壞式矽晶圓內損傷層檢測方法及其檢測裝置，以改善習知技術的缺點。

本發明實施例揭露一種半導體晶圓檢測方法，用於一半導體晶圓檢測裝置，該半導體晶圓檢測方法包含有產生一太赫茲發射電磁波，並入射至一半導體晶圓，其中該半導體晶圓包含複數個界面層；偵測該太赫茲發射電磁波入射至該半導體晶圓的該複數個界面層後反射或透射的複數個太赫茲接收電磁波；根據該太赫茲發射電磁波與該複數個太赫茲接收電磁波，測量複數個特徵信號；以及分析該複數個特徵信號，以判斷該複數個界面層的複數個特性。

本發明實施例另揭露一種半導體晶圓檢測裝置，包含有一太赫茲電磁波產生器，用來產生太赫茲發射電磁波，並入射至一半導體晶圓，其中該半導體晶圓包含複數個界面層；一太赫茲電磁波接收器，用來偵測該太赫茲發射電磁波入射至該半導體晶圓的該複數個界面層後反射或透射的複數個太赫茲接收電磁波；以及一檢測裝置，耦接於該太赫茲電磁波產生器及該太赫茲電磁波接收器，用來根據該太赫茲發射電磁波與該複數個太赫茲接收電磁波測量複數個特徵信號，以及分析該複數個特徵信號以判斷該複數個界面層的複數個特性。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定之元件。所屬領域具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同之名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱之差異來作為區分元件之方式，而係以元件在功能上之差異來作為區分之準則。在說明書及申請專利範圍當中所提及之「包含」及「包括」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。「大致」係指在可接受之誤差範圍內，所屬領域具有通常知識者能夠在一定誤差範圍內解決該技術問題，基本達到該技術效果。此外，「連接」一詞在此包含任何直接及間接、有線及無線之連接手段。

目前的次表面損傷層測量方法中，一部份可能會改變或破壞單晶矽晶圓的表面，例如使用超音波或X射線檢驗單晶矽晶圓；另一部份非破壞性的次表面損傷層測量方法則需要高性能的測量系統，不適合同時用於單晶矽晶圓加工過程中，例如原子力顯微鏡。另一方面，單晶矽晶圓的分子的振動及轉動能階介於太赫茲電磁波（Terahertz Wave）頻帶（10 ¹¹Hz～10 ¹³Hz，即0.1THz至10THz）之間。若以太赫茲電磁波加以鑑定，因太赫茲電磁波的頻率遠較紅外線電磁波的頻率（10 ¹³Hz～10 ¹⁵Hz）小，故太赫茲電磁波其所攜帶的光子能量較小，不會破壞分子結構，從而能夠維持單晶矽晶圓結構的完整性，也不會使次表面損傷層進一步擴大。

第1圖為本發明實施例一半導體晶圓檢測裝置10之示意圖。於此實施例中，半導體晶圓檢測裝置10包括一太赫茲電磁波產生器100、一太赫茲電磁波接收器102、一檢測裝置104、一雷射產生器106、一分束器108、一延遲裝置110及複數個光學元件112。太赫茲電磁波產生器100用來產生一太赫茲發射電磁波101，並發射至一半導體晶圓12。太赫茲電磁波接收器102用來偵測太赫茲發射電磁波101入射至半導體晶圓12後反射或透射的太赫茲接收電磁波103。檢測裝置104耦接於太赫茲電磁波產生器100及太赫茲電磁波接收器102，用來分析入射至半導體晶圓12的太赫茲發射電磁波101及太赫茲接收電磁波103。分束器108為一光學元件，其表面具有光學鍍膜，用來將雷射產生器106以一指定比例分成兩個光束，其中一束經過複數個光學元件112及太赫茲電磁波產生器100形成太赫茲發射電磁波101，向半導體晶圓12發射，另一束為分束電磁波105，則經過延遲裝置110後由太赫茲頻率脈衝波接收器102接收。

詳細來說，雷射產生器106可以是一鈦藍寶石飛秒雷射（Ti:Sapphire femtosecond laser）產生器、砷化鎵光導天線（GaAs photoconductive antenna）以及銻化鋅非線性晶體（ZnTe non-linear crystal），然而，不限於此。鈦藍寶石飛秒雷射產生器產生一脈衝紅外光束（IR pulse beam），脈衝紅外光束的中心波長為800nm、重複頻率（pulse repetition rate）為76MHz以及輸出功率為1.1W。脈衝紅外光束經過分束器108後分成分束電磁波105及一泵浦束（亦稱為一激發束），泵浦束經由複數個光學元件112聚焦於太赫茲電磁波產生器100而形成出太赫茲發射電磁波101。分束電磁波105經過延遲裝置110以延長光路徑而與泵浦束產生一延遲時間，再將分束電磁波105導引至太赫茲電磁波接收器102以啟動偵測太赫茲接收電磁波103。延遲裝置110可以包含一電控平移台及反射元件，電控平移台沿著光路徑來回移動，使得分束電磁波105在不同延遲時間對應到泵浦束激發的太赫茲發射電磁波101。需注意的是，太赫茲電磁波產生器100、太赫茲電磁波接收器102以及複數個光學元件112可以設置於一水氣隔離艙中並用乾燥的氮氣或空氣吹掃，以避免太赫茲發射電磁波101以及太赫茲接收電磁波103被空氣中的水分子吸收而導致太赫茲發射電磁波101以及太赫茲接收電磁波103的強度損失。

精確地說，半導體晶圓12可以是矽晶圓或是化合物半導體晶圓。舉例來說，矽晶圓可以包含單晶矽晶圓、摻雜硼（Boron）的P型摻雜矽晶圓、或是摻雜磷（Phosphorous）的N型摻雜矽晶圓；以及化合物半導體晶圓可以包含碳化矽（SiC，Silicon Carbide）、氮化鎵（GaN，Gallium Nitride）、氧化鎵（Ga2O3，Gallium Oxide）等晶圓。詳細來說，半導體晶圓12可以包含複數個界面層，當太赫茲發射電磁波101入射至半導體晶圓12後於複數個界面層的每一層皆可能反射或透射，因此，太赫茲電磁波接收器102另用來偵測太赫茲發射電磁波101入射至半導體晶圓12的複數個界面層後反射或透射的複數個太赫茲接收電磁波。檢測裝置104用來分析入射至半導體晶圓12的太赫茲發射電磁波101及複數個太赫茲接收電磁波以測量複數個特徵信號，以及分析該複數個特徵信號以判斷該複數個界面層的複數個特性。

第2圖為本發明實施例太赫茲發射電磁波101入射至半導體晶圓12的複數個界面層及複數個太赫茲接收電磁波之示意圖。半導體晶圓12包含有複數個界面層L1、L2、L3以及一基底層，其中界面層L1的厚度為d1，折射率為n1；界面層L2的厚度為d2，折射率為n2；以及界面層L3的厚度為d3，折射率為n3。當半導體晶圓12的複數個界面層的折射率不同時，電磁波於各界面層中的傳遞速度不同，即會產生電磁波的反射。例如，太赫茲發射電磁波101（於第2圖上標示為I0）由空氣入射至半導體晶圓12的界面層L1後會分為透射的一第一入射電磁波I1以及反射的一第一接收電磁波R1。第一入射電磁波I1繼續入射至界面層L2後會分為透射的一第二入射電磁波I2以及反射的一第一反射電磁波，第一反射電磁波會再經由界面層L1入射至空氣而分為透射的一第二接收電磁波R2以及反射的一次要電磁波，次要電磁波可能在複數個界面層間多次的反射或透射，其強度會逐漸減弱，在此將次要電磁波忽略不計。同理，第二入射電磁波I2入射至界面層L3會產生一第三入射電磁波I3並入射至基底層，並且對應地產生入射回空氣的一第三接收電磁波R3及一第四接收電磁波R4，於此不贅述。

太赫茲電磁波接收器102可以接收複數個太赫茲接收電磁波，也就是接收第一接收電磁波R1、第二接收電磁波R2、第三接收電磁波R3以及第四接收電磁波R4。檢測裝置104可以根據太赫茲發射電磁波101以及太赫茲電磁波接收器102接收的複數個太赫茲接收電磁波測量複數個特徵信號，以及分析複數個特徵信號以判斷複數個界面層的複數個特性。在一實施例中，檢測裝置104可以於時域測量複數個太赫茲接收電磁波的一瞬變電場（transient electrical field）以獲得一電場強度以及一電場相位。此兩種特徵信號（電場強度及電場相位）對於材料特性十分靈敏，經由傅立葉轉換，可不經過Kramers-Kronig方程式，直接測量材料的介電常數，也可以推算材料的光學係數及結構特性。在另一實施例中，檢測裝置104測量半導體晶圓12的複數個界面層反射的複數個太赫茲接收電磁波的飛行時距(Time of Flight），並分析飛行時距以判斷複數個界面層中每一層的厚度。

第3圖為複數個太赫茲接收電磁波的電場強度及飛行時距的示意圖。舉例來說，複數個太赫茲接收電磁波的電場強度決定於太赫茲發射電磁波101所通過複數個界面層的相鄰兩個界面層的折射率，如下式（1）：

（1）

其中

為太赫茲發射電磁波的電場強度，

為太赫茲接收電磁波的電場強度，

及

為太赫茲發射電磁波101所通過複數個界面層的相鄰兩個界面層的折射率。

舉例來說，當太赫茲發射電磁波101由高折射率的界面層入射至低折射率的界面層時，太赫茲接收電磁波的電場強度

為正值。相反地，當太赫茲發射電磁波101由低折射率的界面層入射至高折射率的界面層時，太赫茲接收電磁波的電場強度

為負值。因此，第3圖中示意了第一接收電磁波R1、第二接收電磁波R2、第三接收電磁波R3以及第四接收電磁波R4的電場強度。例如，空氣的折射率n0小於界面層L1的折射率n1，因此第一接收電磁波R1的電場強度為正值。同理，第二接收電磁波R2、第三接收電磁波R3以及第四接收電磁波R4的電場強度分別為負值、正值以及負值，在此不再贅述。需注意的是，第二接收電磁波R2、第三接收電磁波R3以及第四接收電磁波R4在複數個界面層中透射或反射多次，因此第二接收電磁波R2、第三接收電磁波R3以及第四接收電磁波R4的電場強度的振幅會小於第一接收電磁波R1的電場強度的振幅。此外，第3圖也可以判斷出第一接收電磁波R1、第二接收電磁波R2、第三接收電磁波R3以及第四接收電磁波R4的飛行時距，據此，可以判斷出相鄰兩個太赫茲接收電磁波的飛行時距差

，並根據式（2）計算出每層界面層的厚度。

(2)

其中

為界面層Li的厚度，

為界面層Li及界面層Li+1的飛行時距差，C為空氣中的光速。

需注意的是，檢測裝置104更可以分析電場強度以及電場相位等特徵信號以判斷複數個界面層的每一界面層的厚度、一電性係數以及一光學係數，此外，電性係數可以是一電荷載子移動率或一介電係數，以及光學係數可以是一吸收率、一折射率或一反射率，而不限於此。

在另一實施例中，半導體晶圓12為矽晶圓。矽晶圓在加工後，於矽晶圓內層可能產生：非晶矽層、矽原子錯位、微裂痕、及殘餘應力等次表面損傷層。檢測裝置104可以根據太赫茲發射電磁波101以及太赫茲電磁波接收器102接收的複數個太赫茲接收電磁波測量複數個特徵信號，以及分析複數個特徵信號以判斷矽晶圓的次表面損傷層的複數個特性。

第4圖至第6圖為對應不同程度的次表面損傷層的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的電場強度及飛行時距的示意圖。其中第4圖對應經過拋光的矽晶圓，也就是沒有次損傷界面層；第5圖對應經過細研磨的矽晶圓，其次損傷界面層的厚度較薄；第6圖對應經過粗研磨的矽晶圓，其次損傷界面層的厚度較厚。檢測裝置104可以根據太赫茲發射電磁波101以及太赫茲電磁波接收器102接收的複數個太赫茲接收電磁波測量複數個特徵信號，以及分析複數個特徵信號以判斷矽晶圓的次表面損傷層的複數個特性。例如，檢測裝置104測量複數個太赫茲接收電磁波的電場強度以及飛行時距，可以判斷出細研磨的矽晶圓的次損傷界面層的厚度為5μm，以及粗研磨的矽晶圓的次損傷界面層的厚度為20μm。

在另一實施例中，半導體晶圓檢測裝置10另包含一三維移動平台，三維移動平台可以耦接於太赫茲電磁波產生器100或是半導體晶圓12，詳細來說，透過控制三維移動平台可以使得太赫茲發射電磁波101入射至半導體晶圓12上的任意位置。例如，控制三維移動平台使得太赫茲電磁波產生器100將太赫茲發射電磁波101逐點入射至半導體晶圓12的一檢測範圍，檢測裝置104可以根據太赫茲發射電磁波101以及太赫茲電磁波接收器102所接收檢測範圍內的複數個太赫茲接收電磁波測量複數個特徵信號，並根據複數個特性，產生在檢測範圍內複數個界面層的一特性分佈。進一步而言，半導體晶圓檢測裝置10檢測半導體晶圓12上的多個檢測範圍或是同製程的一參考晶圓和一待測晶圓的多個檢測範圍，並比較其相對應的特性分佈。例如，第7圖至第9圖為對應檢測範圍內不同程度的次表面損傷層的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的一電場強度分佈的示意圖。詳細來說，比較第7圖中兩個不同區域的電場強度分佈，若有差異，即表示其中一個區域內有次表面損傷層；或是比較第7圖至第9圖中相同製程晶圓的不同程度次表面損傷層對應的電場強度分佈，若有差異，即表示其中一個區域內有次表面損傷層。需注意的是，特性分佈不限於電場強度分佈，也可以是次損傷界面層的一厚度分佈、一位置或是一所占面積，而不限於此。

在另一實施例中，半導體晶圓12可以是P型摻雜矽晶圓或是N型摻雜矽晶圓，由於半導體晶圓12的表面有高濃度摻雜，導致太赫茲發射電磁波101入射至半導體晶圓12的一表面即高度反射，因此無法入射至半導體晶圓12內的複數個界面層。透過控制三維移動平台，太赫茲發射電磁波101可以逐點入射至半導體晶圓12的正面及反面。換言之，太赫茲發射電磁波101可以入射至半導體晶圓12的另一表面，檢測裝置104可以根據太赫茲發射電磁波101以及太赫茲電磁波接收器102所接收檢測範圍內的複數個太赫茲接收電磁波測量複數個特徵信號，並根據複數個特性，產生在檢測範圍內複數個界面層的一特性分佈。

另一方面，太赫茲電磁波產生器100與太赫茲電磁波接收器102的設計方式可透過光導天線（Photoconductive Antenna）、非線性晶體（Nonlinear Crystal）或其他方式加以實現，且太赫茲電磁波產生器100與太赫茲電磁波接收器102不限於同一種型態，例如太赫茲電磁波產生器100以光導天線實現而太赫茲電磁波接收器102以非線性晶體實現。此種產生器與接收器及之間光路上光學元件的設置方法為本領域具通常知識者常見技藝，於此不再贅述。

此外，前述實施例用以說明本發明之概念，本領域具通常知識者當可據以做不同的修飾，而不限於此。因此，只要半導體晶圓檢測方法、裝置中，透過太赫茲頻率發射電磁波入射半導體晶圓的複數個界面層後，取得透射、反射而得太赫茲接收電磁波，並藉由時域分析方法分析半導體晶圓的特性，即滿足本發明的要求，而屬於本發明之範疇。

綜上所述，本發明提供一種半導體晶圓檢測方法，用於一半導體晶圓檢測裝置，該半導體晶圓檢測方法包含有產生一太赫茲發射電磁波，並入射至一半導體晶圓，其中該半導體晶圓包含複數個界面層；偵測該太赫茲發射電磁波入射至該半導體晶圓的該複數個界面層後反射或透射的複數個太赫茲接收電磁波；根據該太赫茲發射電磁波與該複數個太赫茲接收電磁波，測量複數個特徵信號；以及分析該複數個特徵信號，以判斷該複數個界面層的複數個特性。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:半導體晶圓檢測裝置

100:太赫茲電磁波產生器

101:太赫茲發射電磁波

102:太赫茲電磁波接收器

103:太赫茲接收電磁波

104:檢測裝置

105:分束電磁波

106:雷射產生器

108:分束器

110:延遲裝置

112:光學元件

12:半導體晶圓

L1、L2、L3:界面層

d1、d2、d3:界面層的厚度

n1、n2、n3:界面層的折射率

R1、R2、R3、R4:接收電磁波

第1圖為本發明實施例一半導體晶圓檢測裝置之示意圖。 第2圖為本發明實施例太赫茲發射電磁波入射至半導體晶圓的複數個界面層及複數個太赫茲接收電磁波之示意圖。 第3圖為複數個太赫茲接收電磁波的電場強度及飛行時距的示意圖。 第4圖為無次表面損傷層的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的電場強度及飛行時距的示意圖。 第5圖為次表面損傷層較薄的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的電場強度及飛行時距的示意圖。 第6圖為次表面損傷層較厚的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的電場強度及飛行時距的示意圖。 第7圖為檢測範圍內無次表面損傷層的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的一電場強度分佈的示意圖。 第8圖為檢測範圍內次表面損傷層較薄的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的一電場強度分佈的示意圖。 第9圖為檢測範圍內次表面損傷層較厚的矽晶圓的複數個太赫茲接收電磁波的一電場強度分佈的示意圖。

10:半導體晶圓檢測裝置

100:太赫茲電磁波產生器

101:太赫茲發射電磁波

102:太赫茲電磁波接收器

103:太赫茲接收電磁波

104:檢測裝置

105:分束電磁波

106:雷射產生器

108:分束器

110:延遲裝置

112:光學元件

12:半導體晶圓

Claims (14)

1. 一種半導體晶圓檢測方法，用於一半導體晶圓檢測裝置，該半導體晶圓檢測方法包含有：產生一太赫茲發射電磁波，並入射至一半導體晶圓，其中該半導體晶圓包含複數個界面層；偵測該太赫茲發射電磁波入射至該半導體晶圓的該複數個界面層後反射或透射的複數個太赫茲接收電磁波；根據該太赫茲發射電磁波與該複數個太赫茲接收電磁波，測量複數個特徵信號；以及分析該複數個特徵信號，以判斷該複數個界面層的複數個特性；其中該複數個特徵信號包含有每一太赫茲接收電磁波的一電場強度與一電場相位。
2. 如請求項1所述之半導體晶圓檢測方法，其中該太赫茲發射電磁波的頻率為10¹¹Hz~10¹³Hz。
3. 如請求項1所述之半導體晶圓檢測方法，其中該複數個特徵信號另包含有該複數個太赫茲接收電磁波之間的一飛行時距。
4. 如請求項1所述之半導體晶圓檢測方法，其中該複數個特性包含有該複數個界面層的每一界面層的一厚度、一電性係數以及一光學係數的至少其一。
5. 如請求項4所述之半導體晶圓檢測方法，其中該電性係數為一電 荷載子移動率或一介電係數，以及該光學係數為一吸收率、一折射率或一反射率。
6. 如請求項1所述之半導體晶圓檢測方法，其另包含將該太赫茲發射電磁波重複入射至該半導體晶圓的一檢測範圍，並根據該複數個特性，產生在該檢測範圍內該複數個界面層的一特性分佈。
7. 如請求項6所述之半導體晶圓檢測方法，其中該複數個界面層包含一次表面損傷層，該次表面損傷層為該半導體晶圓經過研磨加工於內部所產生。
8. 一種半導體晶圓檢測裝置，包含有：一太赫茲電磁波產生器，用來產生太赫茲發射電磁波，並入射至一半導體晶圓，其中該半導體晶圓包含複數個界面層；一太赫茲電磁波接收器，用來偵測該太赫茲發射電磁波入射至該半導體晶圓的該複數個界面層後反射或透射的複數個太赫茲接收電磁波；以及一檢測裝置，耦接於該太赫茲電磁波產生器及該太赫茲電磁波接收器，用來根據該太赫茲發射電磁波與該複數個太赫茲接收電磁波測量複數個特徵信號，以及分析該複數個特徵信號以判斷該複數個界面層的複數個特性；其中該複數個特徵信號包含有每一太赫茲接收電磁波的一電場強度與一電場相位。
9. 如請求項8所述之半導體晶圓檢測裝置，其中該太赫茲發射電磁 波的頻率為10¹¹Hz~10¹³Hz。
10. 如請求項8所述之半導體晶圓檢測裝置，其中該複數個特徵信號另包含有該複數個太赫茲接收電磁波之間的一飛行時距。
11. 如請求項8所述之半導體晶圓檢測裝置，其中該複數個特性包含有該複數個界面層的每一界面層的一厚度、一電性係數以及一光學係數的至少其一。
12. 如請求項11所述之半導體晶圓檢測裝置，其中該電性係數為一電荷載子移動率或一介電係數，以及該光學係數為一吸收率、一折射率或一反射率。
13. 如請求項8所述之半導體晶圓檢測裝置，其中該太赫茲電磁波產生器另用來將該太赫茲發射電磁波重複入射至該半導體晶圓的一檢測範圍，以及該檢測裝置根據該複數個特性產生在該檢測範圍內該複數個界面層的一特性分佈。
14. 如請求項8所述之半導體晶圓檢測裝置，其中該複數個界面層包含一次表面損傷層，該次表面損傷層為該半導體晶圓經過研磨加工於內部所產生。

Images