[发明专利]一种用于半导体设备的光学检测装置和检测方法

说明书

本发明提供一种用于半导体设备的光学检测装置，能够监测刻蚀孔的开口尺寸或形貌变化。本发明光学检测装置包括一个腔体，腔体内包括一个基座，基座上固定有晶圆，晶圆上表面具有刻蚀形成的孔或槽，所述晶圆上方设置有一个参考光源用于发射参考光到所述晶圆，还包括一个接收器用于接收从晶圆上反射的参考光，其特征在于，所述参考光入射到晶圆表面的光束与晶圆平面的夹角小于45度，所述接收器位于参考光源同侧；一个控制器接收并处理所述接收器接收到的光信号。

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种刻蚀结果的光学检测装置和检测方法。

背景技术

等离子处理装置被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，其中等离子刻蚀被用来形成具有特定尺寸的刻蚀通孔(Via)或者刻蚀槽(trench)，这些刻蚀形成的孔或槽需要具有很精确的尺寸结构，如果发生了偏差会导致最终整个半导体器件的性能降低或者彻底报废。在刻蚀工艺调试阶段，经过大量调试获得了最佳的工艺参数，在这种最佳工艺参数下能够获得所需要的刻蚀孔结构，其中关键尺寸(critical dimension)和刻蚀孔侧壁形貌(profile)是其中最重要的两个反应刻蚀孔结构的参考数据。同样的刻蚀设备采用同样的刻蚀工艺对大量晶圆进行长期刻蚀过程中，由于各种环境因素如污染物沉积、温度偏移、硬件变形等均会使得刻蚀结果会发生偏移，偏移数值达到一定程度后，关键尺寸或侧壁形貌发生的变化量达到一个临界值，使得刻蚀形成的结构无法达到其功能设计要求，整个晶圆上的半导体器件无法正常工作。但是现阶段的关键尺寸已经达到了纳米级，常见的有14-45nm，在这么微小的尺度下，很难检测晶圆上的刻蚀孔的关键尺寸发生了少量(5-15％)的偏移。现有的方法是：将刻蚀后的晶圆取出，放入大型的专用放大仪器中检测刻蚀孔尺寸或形貌。但是这些专用的大型仪器不仅昂贵而且检测耗时很长，对于半导体生产线上源源不断的新生产的大量晶圆，不可能对每一片晶圆进行检测，而是采用隔段时间抽样检测的方式。一旦抽样检测发现刻蚀结果超出合理范围则停止当前半导体处理，重新调试当前处理工艺，或者检测等离子处理装置硬件状态。从前一次抽查到当前发现问题的时间内生产的大量晶圆需要重新检测，这些晶圆中有可能一样存在刻蚀结果偏移的问题导致整片晶圆报废，经过多个处理步骤后的晶圆成本很高，这样大批量的报废晶圆需要极力避免。

图1所示是现有技术的用于半导体设备的光学检测装置，该光学检测装置利用光学干涉原理检测刻蚀或者沉积膜厚度的结构，包括腔体100，腔体内包括基片安装台10，腔体顶部包括一个参考光源20，以接近垂直的角度(入射光和晶圆平面的夹角θ80度)向下方完成处理工艺的晶圆上表面发送参考光A1，晶圆表面反射的光A2被同样位于腔体顶部的接收器31接收到，通过检测入射参考光和反射光干涉形成的波形的相位可以得知下方晶圆的厚度变化。这套光学系统无法有效用于刻蚀孔关键尺寸和形貌监测，因为现有刻蚀孔的尺寸已经只有几十纳米了，而现有普通可见光的干涉光源20在下方形成的光斑大小可以达到厘米级，即使采用波长最小的最昂贵的激光光源，其形成的光斑也在微米级，反射到达接收器31的光强度实际是晶圆表面光斑范围内所有刻蚀孔/槽以及其余平面区域向上反射光的合成，根本无法检测到有效的信息。用图1所示的硬件架构如要检测刻蚀结构尺寸和形貌，需要光源形成的光斑达越小越好，而且光源需要能够精确的水平移动，通过检测晶圆表面反射率的不同来辨别刻蚀结构尺寸。但是上述两个条件都不是现有成本和技术条件下能达到的。

所以业内需要寻求一种新的低成本的装置和方法，快速简便的识别刻蚀结构的尺寸和形貌。

发明内容

本发明公开一种用于半导体设备的光学检测装置，所述光学检测装置包括一个腔体，腔体内包括一个基座，基座上固定有晶圆，晶圆上表面具有刻蚀形成的孔或槽，所述晶圆上方设置有一个参考光源用于发射参考光到所述晶圆，还包括一个接收器用于接收从晶圆上反射的参考光，其特征在于，所述参考光入射到晶圆表面的光束与晶圆平面的夹角小于60度，所述接收器位于参考光源的入射侧，所述接收器与晶圆平面的夹角为15-50度；一个控制器接收并处理所述接收器接收到的光信号。

其中所述腔体选自半导体设备中的传输腔、真空锁之一。