[發明專利]一種用于半導體設備的光學檢測裝置和檢測方法

有效

• 申請號: 201610605413.1
• 申請日: 2016-07-28
• 公開（公告）號: CN107664476B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 張輝;杜冰潔
• 申請（專利權）人: 中微半導體設備（上海）股份有限公司
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/24;H01L21/66
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 潘朱慧;周榮芳

本發明提供一種用于半導體設備的光學檢測裝置，能夠監測刻蝕孔的開口尺寸或形貌變化。本發明光學檢測裝置包括一個腔體，腔體內包括一個基座，基座上固定有晶圓，晶圓上表面具有刻蝕形成的孔或槽，所述晶圓上方設置有一個參考光源用于發射參考光到所述晶圓，還包括一個接收器用于接收從晶圓上反射的參考光，其特征在于，所述參考光入射到晶圓表面的光束與晶圓平面的夾角小于45度，所述接收器位于參考光源同側；一個控制器接收并處理所述接收器接收到的光信號。

技術領域

本發明涉及半導體加工技術領域，尤其涉及一種刻蝕結果的光學檢測裝置和檢測方法。

背景技術

等離子處理裝置被廣泛應用于半導體晶圓加工處理流程中，其中等離子刻蝕被用來形成具有特定尺寸的刻蝕通孔(Via)或者刻蝕槽(trench)，這些刻蝕形成的孔或槽需要具有很精確的尺寸結構，如果發生了偏差會導致最終整個半導體器件的性能降低或者徹底報廢。在刻蝕工藝調試階段，經過大量調試獲得了最佳的工藝參數，在這種最佳工藝參數下能夠獲得所需要的刻蝕孔結構，其中關鍵尺寸(critical dimension)和刻蝕孔側壁形貌(profile)是其中最重要的兩個反應刻蝕孔結構的參考數據。同樣的刻蝕設備采用同樣的刻蝕工藝對大量晶圓進行長期刻蝕過程中，由于各種環境因素如污染物沉積、溫度偏移、硬件變形等均會使得刻蝕結果會發生偏移，偏移數值達到一定程度后，關鍵尺寸或側壁形貌發生的變化量達到一個臨界值，使得刻蝕形成的結構無法達到其功能設計要求，整個晶圓上的半導體器件無法正常工作。但是現階段的關鍵尺寸已經達到了納米級，常見的有14-45nm，在這么微小的尺度下，很難檢測晶圓上的刻蝕孔的關鍵尺寸發生了少量(5-15％)的偏移。現有的方法是：將刻蝕后的晶圓取出，放入大型的專用放大儀器中檢測刻蝕孔尺寸或形貌。但是這些專用的大型儀器不僅昂貴而且檢測耗時很長，對于半導體生產線上源源不斷的新生產的大量晶圓，不可能對每一片晶圓進行檢測，而是采用隔段時間抽樣檢測的方式。一旦抽樣檢測發現刻蝕結果超出合理范圍則停止當前半導體處理，重新調試當前處理工藝，或者檢測等離子處理裝置硬件狀態。從前一次抽查到當前發現問題的時間內生產的大量晶圓需要重新檢測，這些晶圓中有可能一樣存在刻蝕結果偏移的問題導致整片晶圓報廢，經過多個處理步驟后的晶圓成本很高，這樣大批量的報廢晶圓需要極力避免。

圖1所示是現有技術的用于半導體設備的光學檢測裝置，該光學檢測裝置利用光學干涉原理檢測刻蝕或者沉積膜厚度的結構，包括腔體100，腔體內包括基片安裝臺10，腔體頂部包括一個參考光源20，以接近垂直的角度(入射光和晶圓平面的夾角θ80度)向下方完成處理工藝的晶圓上表面發送參考光A1，晶圓表面反射的光A2被同樣位于腔體頂部的接收器31接收到，通過檢測入射參考光和反射光干涉形成的波形的相位可以得知下方晶圓的厚度變化。這套光學系統無法有效用于刻蝕孔關鍵尺寸和形貌監測，因為現有刻蝕孔的尺寸已經只有幾十納米了，而現有普通可見光的干涉光源20在下方形成的光斑大小可以達到厘米級，即使采用波長最小的最昂貴的激光光源，其形成的光斑也在微米級，反射到達接收器31的光強度實際是晶圓表面光斑范圍內所有刻蝕孔/槽以及其余平面區域向上反射光的合成，根本無法檢測到有效的信息。用圖1所示的硬件架構如要檢測刻蝕結構尺寸和形貌，需要光源形成的光斑達越小越好，而且光源需要能夠精確的水平移動，通過檢測晶圓表面反射率的不同來辨別刻蝕結構尺寸。但是上述兩個條件都不是現有成本和技術條件下能達到的。

所以業內需要尋求一種新的低成本的裝置和方法，快速簡便的識別刻蝕結構的尺寸和形貌。

發明內容

本發明公開一種用于半導體設備的光學檢測裝置，所述光學檢測裝置包括一個腔體，腔體內包括一個基座，基座上固定有晶圓，晶圓上表面具有刻蝕形成的孔或槽，所述晶圓上方設置有一個參考光源用于發射參考光到所述晶圓，還包括一個接收器用于接收從晶圓上反射的參考光，其特征在于，所述參考光入射到晶圓表面的光束與晶圓平面的夾角小于60度，所述接收器位于參考光源的入射側，所述接收器與晶圓平面的夾角為15-50度；一個控制器接收并處理所述接收器接收到的光信號。

其中所述腔體選自半導體設備中的傳輸腔、真空鎖之一。