TW200408806A - Detection method and apparatus - Google Patents

Description

200408806 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種供偵測半導體（諸如矽）中之表面層體 金屬污染用之非破壞性方法及裝置，此污染尤其係由先於 在半導體晶圓上進行的元件製造過程或於此過程中進行之 半導體晶圓的濕式清潔而引入。本發明尤其提供針對元件 製造過程中之濕式清潔過程之改良的品質控制度量。 【先前技術】 在過去的50年中，矽技術中所取得之進展已在晶片效能 方面產生了頭著的進步，且該等進展亦帶來了碎技術的迅 速成長。由於其加速了技術進展且因而對世界經濟產生了 影響，半導體工業之成功是無與倫比的。在199〇年代中， 半導體工業帶動高技術成為經濟及就業創造的主要來源。 歸因於能夠加倍在-晶片上之電晶體數量且提高晶片效能 而並未增加成本，此趨勢仍在維持。三十年前，每塊晶片 上僅有幾千個電晶體，而現在則達到了丨億。 使晶片體型變得更小意味其更為迅速且可允許更高之集 積度。為維持此趨勢，對原料之品質及元件製造過程之清 潔度產生了更為嚴格之要求。表面金屬濃度應低於約. lxio10原子/平方公分，否則在所製造之元件中可能會發生 良率損失（半導體材料之國时導ff路標·，讀ATECH ，3HH Industrial Terrace 如七 1()6，細如 τχ π%)。 因此，將來me設計要求更為有效之清潔過程以移除金 屬離子及顆粒。由於該等過程可修正石夕表面且影響ic效能

86768.DOC 200408806 ，此研究領域正受到愈來愈多之關注。在為1C製造進行的 晶圓製備過程中，可能會將表面金屬污染引入到晶圓表面 上。而該等表面金屬於元件加工過程中擴散入晶圓表體。 然後由於金屬可在1C製程冷卻過程中沈澱，通常會發生混 雜（complication)。接著該等金屬可以形成（decorate)缺陷， 且以沈澱物之形態存在。此可導致氧化物品質之損失、增 加之接合處漏洩及隨後的1C效能之降級。 儘管已開發出一種廣泛的方法以用於藉由利用高純度化 學物質之清潔來移除表面金屬，但是對於任一半導體加工 步騾而言，封表面清潔及濕式蝕刻過程之控制都很關鍵。 對於現有技術之元件的製造包括大約50個關鍵清潔步騾。 極需要對該等清潔過程之有效性進行精確評估。用於大晶 圓之新穎清潔技術使用單一晶圓清潔腔室。此特點允許了 比習知批量技術更為快速之清潔時間，從而減少了時間及 成本。但是，當清潔該大面積晶圓時，瞭解在整個晶圓表 面上進行清潔的效率亦很重要。 用以分析金屬污染之最為普遍之技術係全反射X光螢光 分析（TXRF)。TXRF之偵測極限隨不同金屬而變化，且大 部份為101G原子/平方公分之等級。僅分析了晶圓之小部份 區域〇 1平方公分），且該技術花了約一小時來做出一次量 測。可以精確量測貫穿一晶圓表面之金屬的空間變化。但 是此過程可能會較慢。 用以監測表面金屬之另一更消耗時間之方法係表體壽命 方法。在表面清潔之後，必須熱處理晶圓以將任何殘留表

86768.DOC 200408806 面金屬驅趕入表體。其後可關於表體雜質分析該等晶圓。 此需假設在驅趕步驟中未引入額外污染。 由於以上種種原因，先前技術通常僅限於代表性批量取 樣’及/或貫穿—樣品晶圓區域而非整個晶圓之觀察，因為 時標不能實現對一給定批量中各單元之全面積測試。 【發明内容】 本發明（一目的係提供一種藉由偵測表面層體金屬污染 於元件製造過程中對半㈣（諸切）之清潔過程進行品= &制《万去及裝置，該方法及裝置減少了一些或所有的上 述缺點。 _ ，本發明之-特定目的係提供—種方法及裝置，以於元件 氣化過权中&供對半導體（諸切）之清潔過程有效性之 為快速的評估。 本的係提供—種有效性評估之方法及裝 ::去及裝置提供了更高的產出率’且尤其達 於孩清潔過程之改良的品質控制度量，在該度量中，可會 現對所有樣品的測試及/或於各關鍵清潔階段中I : 區域進行空間解析測試。 7 w 因此’根據本發明之第—能4琴 對半導體（諸㈣）之清料^ 種於元件製造過程中 下步驟： 〜㈣過私進行品質控制之方法包括以 二半/二狀怨中《半導體結構經受關鍵的清潔處理步驟; 將+導體結構之表面曝露於來自_適#光源（較佳為雷 尤度雷射）之至少—個高強度光束下，且收集

86768.DOC 200408806 藉由該光束激勵半導體結構而產生之光致發光（pL);對所 收集之光致發光訊號做出分析，且將此分析用作對該半導 體之清潔度進行品質分級的基礎，特定言之，藉由以下+ 驟執行此分析工序： 測定平均光致發光強度； 將該平均 <直與光致發光之一預定的可接受規才各範圍進行 比較； 基於該比較對該半導體結構之清潔度做出品質分級，且 尤其排除或選擇某些結構以採取矯正措施，譬如進一步清 潔展示-在該敎的可接受規格㈣之外的光致發光回^ 之半導體結構。 〜 相關文獻中指出可將光致發光技術用作制藉由教處理 於元件製造過程中引人到半導體結構中之雜質的方法。但 是根據本發明，令人驚奇發現光致發光技術亦將緊接渴式 :學清潔之後且在進一步熱處理之前，偵測於一清潔狀態 中<半導體結構内的金屬雜質。因此發現該技術在表徵處 =過程中㈣式化學㈣之效率的方面，及表《各關鍵 步驟中達成品質控制判定之效率的方面令人驚奇地有效。 信t質分級步驟包括：執行對所收集之光致發光訊號的數 :析，將孩數值分析之結果與一預定之可接受光致發光 、佳八#如σ人已知關於良好品質的光致發光預定範圍 、仃比較；且基於該比較做出對該半導體結構之品質分級。 簡單的替代方法中’該方法包括以下步驟： 句光致發㈣度；將該平均值與㈣發光之預定的可接受

86768.DOC -10- 200408806 規格範圍進行比較；且如上所述基^該比較做出對該半導 體結構之品質分級。 孩平均值可為基於整個結構區域所發射之平均光致發光 度的整個區域平均值，或可為局部區域平均值，其中將 該結構之區域分成二維陣列之子區域，為各子區域測定一 平均光致發光強度，將各子區域之平均值與一預定的可接 受光致發光規格進行比較，且如上所述之品質分級係以該 比較為基礎。此方式是有利的，因為在—整個區域平均值 中，對一單獨缺陷之回應可被埋沒，即使該缺陷已嚴重到 足以確定一不良品。於一適當子區域尺寸下，則可確保仍 能偵測到該回應。 基於該平均值的一預定光致發光規格之使用僅為一實例 。於該替代方法中，尤其當使用子區域方法時，可將其他 數值參數，諸如標準差、局部極大值及/或極小值、自一預 足之基線的偏差或其他數值分析方法施用至光致發光訊號 之为析中，以在局部或整個區域基礎上測定該光致發光回 應與預定參數之間的偏差，吾人已知該等預定參數係關於 具有良好品質之半導體結構。其中下文做出對基於平均 發光之數值分析的參考，應瞭解其僅作為示例，且為比較 所觀察之回應與預定之可接受回應而選擇的精確數值參數 對本發明並非關键。 光致發光技術較之先前技術中之TXRF技術可產生快速 許多之回應。在其上述較佳基礎形態中，其貫穿整個晶圓 區域進行取樣，且基於該整個晶圓產生一平均結果，且因

86768.DOC -11 - 200408806 車乂《只際上僅集中於特定、任意樣品區域取樣之ΤΧΜ 可靠許多。該技術之速度及精確度使其成為比先前 技衡更為有效且實用的品質控制方法。 站^疋^《’可以在各關鍵處理步驟之後測試所有半導體 、、，ϋ特點帶來了在濕式化學清潔過財之改進了許多 丰壤工制。因此在另—較佳態樣中’本發明包括對於在 =體結構上進行的㈣製造過程中的引人半導體結構 ::j之濕式化學清潔的品質控制度量，該度量被併入 濕式化學清潔該:構:二:： 得目潔狀怨中《結構經受根據前 <第一態樣的測試’·將展示在該光致發光之預定 的可接受規格範圍内之光致發光回應的結構傳遞至下一元 階段，而將展示在該光致發光之預定的可接受規格 軌圍外《光致發光回應的結構排除出下_㈣製造階段， 且，佳傳遞該結構以（譬如）藉由進一步清潔進行矯正處理 ’隨後視f要進行如上的制試及接受/排除作業。 根據，較佳態樣，在各關鍵清潔階段之後可測試所有結 構。在叩貴的製造過程之前，潛在的問題被較早地馨別出 來通吊可以知取矯正措施’且可以更徹底地清潔樣品。 由於本發明之方法能夠以快速且便利之方式在製程中每一 階段精確診斷並矯正不夠充分的清潔作業，則於製造結束 時不可避免的不良品數量應該大大減少。 在由高強度光束之特性所決定之解析度下’光致發光技 術產生-空間解析PL映射。可藉由本方法之另外較佳特徵

86768.DOC -12- 200408806 利用該特點，但是對於作為對一整片晶圓之簡單且快速品 質測試的本發明之基礎目的而言’獲得了在整個晶圓區: 之上的平均PL強度結果。可將該平均pL強度結果與結合使 用較慢分析方法（如TXRF或表體方法）之研究所開發I 一 預定的可接受規格範圍相聯繫。吾人驚奇地發現，:下詳 述，在使用本發明之基於近表面之PL技術與自傳統上所用 之先前技術方法獲取之污染資料之間可顯示密切的相互關 係。 如此控制光束，且尤其如此控制光束功率及/或波長及/ 或光斑尺寸’以在该半導體結構中於一選擇深度下鑒別缺 陷及污染，以自一適當近表面深度（如自該半導體結構之上 12微米處）收集PL資訊。對於某些材料與元件而言，較小之 深度’如下至5微米或1微米可能比較適當。 本發明係一缺陷及污染監測工具，可使用該工具監測表 面污木及其他表面結構缺陷，諸如疊層缺陷與邊緣滑動。 由於該技術量測表面區域，因此其將精確偵測近表面缺陷 及亏^ 3等缺陷在對元件品質及效能之影響方面非常具 有决定性。此進一步增強了該技術之精確度及可靠性。 根據本發明之較佳基礎實施例，首先測定平均光致發光 <預疋的可接受規格範圍，且然後使用其作為任何給定的 清潔晶圓之結果的基準以達到品質控制之目的。該預定之 規&範圍將包含一極小及/或極大值。特定言之，吾人已知 視雜質中所包含之特定化學物質，光致發光訊號可按不同 万式受到影響。因此，該規格範圍將較佳包含一極小及一

86768.DOC -13- 200408806 極大光致發光值。 視所量測之結果是否在該預定之規格範圍之内做出品質 控制判足，若在該範圍之内，則接受結構以進行元件製造 ，而若在該範圍外，則排除之。可丟棄排除出之產品或使 其經受矯正措施，諸如額外清潔等。該預定之可接受凡範 圍根據所涉及之特定材料及製程將有所變化，且藉由使根 據本發明所產生之P L回應與根據現存先前技術中量測技 術所產生 < 回應相聯繫，最初可自現存品質規格範圍測定 該預定之可接受PL範圍。 一旦建JL孩規格範圍，本發明即可提供相對於先前技術 万法為非常高之產出。譬如，對_12英寸（綱毫米）晶圓均 等物而g，五分鐘左右即可獲取結果，而採用現存方法則 約需一小時。 光致發光（PL)光譜技術係一供觀測半導體中雜質與缺陷 上之内部及外部電子躍遷用之非常靈敏的技術。當以高於 材料的帶隙之雷射輻射於低溫之下激勵矽時，產生電子空 穴對。該等載體可按各種不同方式重組，一些重組方式導 致發光。可將於低溫下形成之電子空穴對截留料中的雜 質上’且該等電子空穴對發射具有該相互作用之特徵的光 子，藉此在光致發光光譜中給出雜質特定資訊。現有大量 應用於石夕之PL光譜技術，其包括於不同處理步驟之後石夕之 特徵描述、元件製造(譬如，植入、氧化、電漿蝕刻、點缺 陷錯合物之偵測及錯位之存在）之特徵。最重要的應用之一 包括對淺施體及受體（諸如坤、爛及磷）之非破壞性量測。

86768.DOC -14- 200408806 特別地’該技術能夠對該等淺施體及受體之濃度進行量測 。但是’在習知應用中為獲取光學中心之該光譜資訊及明 確化學鑒別，需於液氦溫度下執行量測。在整個半導體工 業中，吾人已知於室溫下，PL訊號明顯變弱且可獲取極少 有用之光譜資訊。 因此較佳採用室溫技術，尤其諸如由國際專利申請案 W098/11425描述之一非破壞性技術，該技術使基於室溫之 PL半導體結構中電活性缺陷之偵測成為現實。該專利申請 木揭7F 了一具有工業應用之pL技術，於其應用中，該技術 犯夠於數分鐘之内產生影像，且該技術具有另一額外優點 I7/、可產生尤其是靠近晶圓表面（元件於其上被製造）之 幸乂小單個缺陷的微觀成像。該技術以一適合工業應用之速 率i、關木半導體或碎結構中之缺陷的資訊，且尤其使 吾人能夠目測半導體切結構之上層區域中且特別是在該 結構表面附近之缺陷。 該技術利用在一半導體或矽結構中於缺陷處電子空穴對 之增強的非㈣重組，以增強該半導體或料構之-PL影 像中的對比度以增強對該影像中缺陷之觀測。因此將 W098/11425中之較佳PL技術以引用的方式併入本文。本發 明遵從以下事實：即使在未受到進-步熱處理之清潔狀態 中的樣中，仍能於表面處偵測到污染。 上其中所揭示之室溫PL方法的成功係部ί分地歸功於藉由 較小、空間解析度較佳〇.U2G微米、較理想係出微米且 具有10至1G9瓦特/平方公分之間的峰值或平均功率密度

86768.DOC -15- 200408806 之雷射探測的探測容量，因此局部缺陷對所量測之PL強度 具有更大影響，且吾人亦相信，該方法之成功部份是由於 自聚焦激勵後，所注入之載體密度較高。此大大增加了於 缺陷處非輻射重組之可能性且因此增強了缺陷之物理定位 。在以下更加詳細地描述的某些較佳實施例中，本發明藉 由製備具有代表性p L回應的缺陷之一空間映射，且更佳為 一 2間影像以利用該方法。 此處對高強度雷射之敘述意味包含（而非限制）高功率密 度雷射，意即在該高功率密度雷射中，不管雷射功率為多 大，該輻射被聚焦。 在本發明之一較佳方法中，使用一脈衝雷射激勵源，且 較理想地，發光資料被量測及/或收集發光影像為時間函數 。其思即深度與空間解析度皆被改善，且可被用以獲取在 缺陷 < 載體俘獲截面上之資訊。亦可使用時間解析量測以 量測有效載體壽命且獲取壽命映射。 本發明之PL技術於整個晶圓區域生成一空間解析pL映 射。在本發明之主要方法中，其後處理該資料映射以在整 個晶圓提供一平均PL水準，將該平均pL水準與參考標準相 比較以作出品質控制判定。若使用該方法進行簡單的接受/ 排除及再清潔品質控制判定，以作為在將結構傳遞至下一 製造階段 < 前的測試，則僅需考慮平均pL水準，而藉由該 方法產生之映射的解析度則不重要。大約7毫米之解析度足 矣。於孩水準之解析度下，處理時間被縮短，且測試產出 速率被最大化。舉例而言，自一12英寸（3⑻毫米）之晶圓獲

86768.DOC -16- 200408806 取一令人滿意之接受/排除結果可只需五分鐘。 然而，本發明之較佳光致發光技術的一個特定優點為： 另外可使用該技術生成貫穿在測試中之半導體結構表面的 PL訊號之空間解析映射，且尤其可使用其生成該等訊號之 空間解析影像。該空間解析映射在先前技術中之 實際時間度量上完全不可實現。因此，在一較佳實施财 ，該方法進一步包括生成該映射及/或該影像之步驟。在該 等環境中，以0.5毫米或以下之映射/成像解析度作業可能 較為適當。 6 便利地，該方法進一步包括將空間解析pL映射儲存於適 當資料儲存構件上，及/或藉由適當處理構件傳送自空間解 析映射獲得之數位化資料以供前向處理之用，及/或將空間 解析影像顯示於適當顯示構件上。 該基礎技術鑒別一平均PL強度，接受/排除或再清潔判定 即基於該平均PL強度。當與被排除之結構相關時，空間解 析資訊尤其有用。一較佳的更先進之品質控制策略可能因 此將使用該更快速、基礎之技術處理各單元，且僅生成被 排除 < 結構的空間解析資料。在一實施例中，為完全地利 用該技術產生關於測試中半導體結構之PL回應的空間解 析資料之能力，（如所指示）以更高解析度作業可能較為適 當。因此，較之僅使用該技術為基礎接受/排除品質控制判 定之基礎，產出將更為緩慢。一較佳的更先進之品質控制 策略可能因此將使用該更快速、基礎之技術處理各單元， 且使用藉由收集空間解析資料提供之額外功能性以更高解 86768.DOC -17- 200408806 析度再處理所排除之結構。 生成映射或影像之能力使得可大致鑒別缺陷之位置。本 發明之一較佳貫施例中利用該特點，使用如前所述之方法 以快速篩選半導體結構（一 3〇〇毫米之晶圓只需5分鐘）且鑒 別樣品以進行完全化學分析。該方法之實施例包栝使一半 導體結構經受如前所述之測試以生成貫穿該半導體結構之 表面之PL訊號的空間解析映射，且至少在被排除結構之狀 況下’使用空間解析映射以鑒別污染之大致位置，且使用 一諸如TXRF之特定分析技術在所鑒別之位置進一步分析 該半導體結構以鑒別雜質。 此外’生成空間解析結構之能力可有助於診斷及矯正清 潔問通。在一給定的關鍵清潔階段之後，連續地測試複數 個樣品，如上所述儲存且比較測試結果，且因此可鑒別在 特定清潔過程中之系統無效率。 該方法適用於可以熟悉方式藉由熱處理在其上製造元件 的任何基礎半導體結構。特定言之，該方法適用於基於矽 及矽合金之晶圓的結構。該等元件可製自簡單的單層晶圓 或製自多層晶圓，譬如於一基礎矽晶圓上之磊晶層中形成。 根據本發明之另一態樣，一種用來在半導體結構（例如矽） 上進行元件製程期間對該半導體結構進行品質控制清潔的 裝置，其包括：一清潔裝置，其使半導體結構經受濕式化 學清潔，及一測試裝置，其偵測該清潔狀態中之結構表面 上足雜質，其中測試裝置包括一高強度光源，該光源較佳 為运射且尤其為鬲強度雷射；將來自該光源之高強度光

86768.DOC -18- 2UU4U55U0 束聚焦土〆則試中之半導體結構的-表面上之構件 件，其收集藉由光束激勵半導，構件，收集構 半導體結構㈣^%難生㈣穿測試中之 及數值分析所收集:::致發:Γ分一^ 定之可接受規林… 較器，其將分析結果與預 否在該預定之= 且根據該光致發光訊號是 構。 又P靶園之内而決定接受或排除該結 特=τ生為線之—部份，且包括可將結構傳輸至 1=;;處，段之傳輸構件，其中根據該光致發光訊 )預疋《可接受規格範圍之内而決定傳輸與否。 ^《，讀輸構件可將展*在該光致發光之預定的 \要又規格乾15内之光致發光回應的結構傳輸至下一元件 製造階段’且録示在該紐發光之就的可接受規格範 圍外之光致發光回應的結構傳輸回清潔器進行進—步清、絮。 執行該基礎方法之裝置生成以訊回應之數值分析為 基％的貝肖’舉例而言，如所描述之貫穿整個區域的平均 PL訊號或局㈣域資料之集合。將該資料與預定之可接受 規格參數進行比較。 ^疋為執行上述該方法之改進的替代方法，該裝置較 佳需另外包括將所收集之pL資料解析為一貫穿半導體結 構區域之空間解析PL映射的構件，且視需要另外包括將所 解析之資料轉換為一 PL影像之構件，及/或儲存該映射/影 像、且尤其儲存連續映射/影像供將來比較用之影像/資料 儲存構件，及/或將該映射/影像傳送至一適當遠端資料處

86768.DOC -19- 理器之構件，男/ 、、 或將一影像及/或相關資料顯示給一使用 者足诸如一視覺顯示幕的影像顯示構件。 、在本發明之另-態樣中，提供-電腦程式及/或-適當程 式化《電腦以執行本文前述方法之一些或所有步驟，且尤 ，在所收集之PL資料上執行資料處理步驟，舉例而言，測 ^整個晶圓區域之平均P L，及/或自所收集之P L資料空間 解析-PL映射’及/或㈣平均值與—預定之可接受規格範 圍進行比較。 【實施方式】 圖1中所展示之裝置主要包括—PL成像顯微鏡，其中： 朝右手面，包括一組雷射(3_8);朝底部，包括一樣品臺， 诸如X-Y室或R堂；朝左手面，包括一微處理器（4〇)及一 顯π幕（39)，JL圖中心邵位展示了供偵測通過該系統之光 用的各種光學元件。 在圖1所展不之貫施例中，提供六束雷射以探測樣品中之 不同深度。但是，僅使用一個雷射，或確切使用更多數量 之雷射都在本發明之範疇之内。無論如何，該等雷射中的 至少一束為高強度雷射，且較理想地具有〇1毫米至〇 5微 米之間的光斑尺寸，及1 〇4至1 〇9瓦特/平方公分之間的功率 密度。提供一與該組雷射相耦接之雷射選擇器（丨6)以選擇 一束或多束雷射以供使用，且另外亦選擇該等雷射之頻率 與波長。 使用習知光學裝置，諸如光學纖維（9)以指引光朝向準直 儀（10)及雷射束擴展器（11)。將一切趾板（12)置於雷射束擴 86768.DOC -20- 200408806 展器（11)與光束分離器（31)之間。光束分離器（31)藉由物鏡 (34)指引來自前述雷射之一部份光朝向樣品（2)。 提供一自動聚焦控制器（30)，且將其耦接至一壓電驅動 聚焦臺（33)。顯微鏡裝備有一習知轉臺（36)，該轉臺分別具 有供微觀檢查用之至少一個高數值孔徑物鏡及一供宏觀檢 查用之低數值孔徑物鏡（34，35)。此外，亦提供一耦接於 轉臺（3 6)之光學位移量測系統（38)。 提供電纜敷設以將自動聚焦控制器（30)連接至微處理器 (40)，且亦將一顯微鏡物鏡分度裝置（32)連接至微處理器 (40) 〇 — 於光束分離器（31)之下游具有雷射缺口濾光器之濾光輪 (13)，在濾光輪（13)之下游具有一向旁邊搖擺之折疊鏡（14) ，將於下文描述其功能。與該鏡（14)排列成行的係一供波 長選擇用之濾光輪（27)，且在濾光輪（27)之後係一與一適當 CCD 2-D陣列偵測器（29)相連之變焦透鏡。 在冷鏡（17)最前面之光學路徑中具有無限系統補償透鏡 (37)，其將光反射向供波長選擇用之另一滤光輪（23)及一聚 焦透鏡（24)，該聚焦透鏡在一 UV及可視光之偵測器（25)的 最前面。將偵測器（25)耦接至鎖定放大器（26)。其用以獲取 該等表面之一反射影像。 在冷鏡（17)的最後面具有仍供波長選擇用之另一濾光輪 (18)，且在滤光輪（18)之最後面具有一聚焦透鏡（22)及供針 孔選擇用之另一孔徑輪（19)，孔徑輪（19)在供偵測發光用之 债測器（21)的最前面。 86768.DOC -21 - 200408806 UV及可視區域偵測器（25)及紅外線偵測器（21)皆被耦接 至鎖定放大器（26)。 下文說明該系統之運行。 藉由若干束雷射（3-8)提供波長之範圍以探測樣品中之 不同平面。可藉由頻率產生器（16)調變該等雷射以使得可 精由偵、測器自背景㈣分離自樣品⑺發射之訊號，藉由鎖 足放大器（26)使該等偵測器與雷射調變頻率同步。在另一 實犯例中，可藉由使用一束可調諧雷射及/或一光學參數振 盪器產生波長之該範圍。將各束雷射連接至一多分支光學 纖維（9)且與灰排列成行以使得任何或所有該等雷射皆可 …、射樣w (2)。该多分支光學纖維之共同末端終止於一準直 :出現之光的光學系統⑽中。該光學系統與—光束擴展 备⑴）排列成行，光束擴展器⑴）使雷射束直徑與樣品⑺ 《上的顯微鏡物鏡（34，35)所要求之直徑相匹配。擴展之 光束然後穿過一將光學能量均勻分配於光束區域之^的切 趾板（12)。 藉由一光束分離器（31)反射該擴展及切趾光束，且該光 束傳到頭微鏡物鏡（34及35)。藉由一顯微鏡物鏡（34或35) 知Θ光束聚焦於樣品上。於微觀模式中，選擇該物鏡以將 Θ光束聚焦至一繞射有限光斑尺寸。藉由一分度機構 運行之轉臺（36)允許該物鏡可被轉變為纟觀模&，其中可 如射到樣品之更廣區域。在另_實施例中可移除切趾板 (12)，如此可將微觀模式之光斑變小以允許更高之注入量。 一光學位移感應器（38)量測到樣品之距離，且藉由一通

86768.DOC -22- 200408806 過抗聚焦控制器（30)之反饋迴路，維持藉由壓電致動之聚 焦堂（33)產生的正確間隔。 藉由顯微鏡物鏡（34)(其處於微觀模式）收集來自樣品之 光致發光訊號，且藉由光束分離器（31)及濾光輪（13)中之缺 口濾光器傳輸回該訊號，濾光輪（13)含有與雷射波長範圍 相匹配之缺口遽光器。缺口滤光器移除任何反射之雷射光 ’僅讓光致發光訊號通過。 將折@鏡（14)轉到光束外以允許訊號傳到鏡筒透鏡（37) 且傳到冷鏡（17)上，其中可將鏡筒透鏡（37)併入以補償可使 用之任何播限顯微鏡物鏡。冷鏡（17)將在所選截止點（約 7〇〇奈米）之下的該等波長反射至將訊號聚焦到偵測器（25) 中之聚焦透鏡（24)。在偵測器聚焦透鏡（24)前面之一濾光輪 (23)包含濾光器以分離所選之波長帶。 t方；在截止點之上的波長範圍中之光致發光訊號部分穿 過’♦叙（17)，且藉由透鏡（22)被相似地聚焦到偵測器（21)中 。該訊號亦穿過一含有濾光器以分離所選之波長帶的濾光 輪（1 8) 〇 於一被置於偵測器（21)之前的孔徑輪（19)中包含一系列 不同直徑之針孔。可藉由壓電致動器（20)軸向移動該孔徑 輪，如此可放置該等針孔以使其與所要之影像平面共焦。 藉由該種方式，可將樣品（2)中位於不同深度之平面成像以 提供精確深度資訊。 將來自偵測器（21，25)之電訊號供給鎖定放大器（26)，在 鎖疋放大器（26)中藉由來自頻率產生器（15)之一參考訊號

86768.DOC -23- 200408806 使該電訊號與雷射（3-8)之調變頻率同步。然後將該電訊號 供給中央處理器（40)以供分析用。藉由光柵掃描樣品臺以 獲取PL影像。或者亦可運用使用檢流計鏡之光學掃描。 在另一運行微觀模式中，將折疊鏡（14)轉到光致發光訊 唬之光束内。該轉向訊號穿過一濾光輪（2乃，且進入變焦 透鏡（28)中，其中濾光輪（27)包括濾光器以分離所選之波長 帶。變焦透鏡允許使用不同放大率將樣品（2)上之受照射之 光斑成像於CCD二維陣列（29)上。其允許了可於不同解析 度下使樣品（2)之受照射區域成像。將來自CCD陣列之電訊 號供給中央處理器（40)以供分析之用。 圖2中圖解展示了資料之處理。藉由操縱臂（102)將在單 一晶圓處理腔室（100)中經歷了標準濕式化學清潔階段的 樣品（101)傳輸至一取樣基座（103)以待圖丨之裝置進行測試 以生成一PL訊號。藉由圖丨之收集裝置（以簡圖形態展示作 裝置105)收集該訊號。 該圖式進一步展示資料之處理。於一第一處理路徑中， 根據本發明之主要觀點，將PL映射資料傳至處理器（1〇7) ，其處理該資料以測定貫穿樣品（101)之整個區域的平均 強度。 將所得之平均值傳至比較器（1〇8)，其使該平均PL強度資 料與在資料記憶體（109)之内的一預定儲存規格範圍相關 聯，且基於該比較將一品質控制判定傳到控制單元（11〇)上 。在該實施例中，控制單元（110)直接在操縱臂（1〇2)上作業 ’該操縱臂然後將樣品（101)傳輸至一元件製造處理線或傳 86768.DOC -24- 200408806 2土一排除線以採取適當的綠正措施。替代運行 中’控制單元⑽)可(譬如)為一向操作者給出指示之顧示 構件，該操作者然後可藉由分離控制構件(譬如)來操縱臂 002)以做出可接受/排除選擇，以將測試中之樣品轉移至 矯正處理等。 /線展示一第二處理路徑，其反映了本發明之可選擇的 第二態樣。於此項可選擇之態樣中，同樣將與貫穿樣品 (101)表面之PL強度映射相對應之資料傳至一第二處理單 元（m) ’處理單元（ill)可將該資料解析為一貫穿樣品 (ιοί)表面之數位化空間解析強度映射。將所得之映射傳至 資料記憶體（112)及視覺顯示幕（113)。可使用所解析之資料

馨別缺陷位置。以此方式，可使用該基礎裝置快速筛選晶 圓。可自該晶圓映射鑒別污染之位置，且然後可使用txrF 技術進一步分析該晶圓以鑒別雜質。 於圖3中展示了可將该技術用於债測清潔之後的污染。首 先在圖1之裝置上量測所選擇之對照組晶圓（丨2英寸直徑） ，然後以Cu、A1及Co〇l X 1〇12原子/平方公分）故意污染該 等晶圓。其後再量測該等晶圓。量測結果如圖3所示。 污染之後’獲取了在平均PL訊號中之顯著差異，於所有 狀況下，平均PL值皆增大，指示了在表面污染量之表面缺 陷密度中的變化。儘管該等結果令人驚奇，因為該實驗係 於室溫下完成（以再現普通清潔條件）。儘管在諸如 WO97/09649之原始資料中描述使用如此之技術鑒別熱處 理之後的污染，但是該等先前原始資料表明為使金屬污染 86768.DOC -25 - 200408806 活化，晶圓必須經過熱處理。但是根據本發明確定可將該 平均PL值用作一種度量來測定表面金屬污染之存在情況 以監測表面清潔度。 進行進一步實驗以觀測Fe污染〇i X ι〇ΐ2原子/平方公分） 之影響。圖4a展示污染前之晶圓映射（平均PL值=3.97)，而 圖4b展示Fe污染後之相應映射（平均]?[值=11.19)，該平均 PL值明顯升高。由此證實亦可使用pL值偵測表面Fe污染。 為計算清潔之效果，使用一商業單一晶圓腔室表面清潔 受Fe污染之晶圓。圖4c展示了受清潔晶圓之映射（平均pL 值=3.50)。值得注意的是隨著藉由清潔過程移除以，平均 PL訊號回落至與清潔之前相當之水準，從而證實了此一觀 點：PL平均水準係表面清潔度之指示。 此外，在嚴格檢測了該晶圓映射之後，發現貫穿該晶圓 存在可觀測到的PL平均水準上之差異。頃發現晶圓邊緣之 水準（圖4d«4.0)高於晶圓中心之水準（圖4(^31)。此明顯地 指示了貫穿晶圓表面之清潔效能中的差異。同時TXRF亦展 示了在該晶圓上表面污染水準約低於i X 1〇 10原子/平方公 分。此明顯地展示了平均PL值係非常靈敏的表面清潔度之 量測方法。 將記錄PL映射，且計算出平均pl值，且然後將該值與一 預定之值進行比較。將使用該特定範圍測定清潔狀態中之 品質，且因此產生一合格-不合格製程控制程序，在該程序 中可知受到理想清潔之樣品傳遞至下一製造階段，且將污 染樣品交至進一步清潔處理。圖5以圖表形式展示了此程序。 86768.DOC -26- 200408806 藉由設定該特定範圍，接著可以使該範圍與任何色彩或 和灰度等級圖案相關聯，且製備一相應影像。圖6展示了一 實例。在該實例中，晶圓映射中之黑色區域展示在該特定 範圍之外的區域。可使用該簡單編碼來展示晶圓品質中之 變化。 在使用平均PL訊號水準觀測晶圓品質後，可於未達到該 規格之晶圓上以更高解析度記錄進一步之量測。此將允許 吾人測定污染類型或存在的其他缺陷，同時亦允許吾人更 詳細地檢測空.間變化，由此可給出關於污染源（譬如一特定 處理步驟或不完全清潔）之更清晰的指示。 為鑑別正面上之污染源，可同時記錄晶圓之背面。藉由 比較該等晶圓映射，可明確知道污染是否源自晶圓背面。 然後可採取進一步措施以防止對其他計量工具製程儀器之 交叉污染。 ％ 因此根據本發明，可將光致發光工具用作—快速製程抑 制工具以敎晶圓品質。獲取晶圓映射且數值分析所量測 (PL回應以提供-品質度量，其中光致發光回應鱼吾人已 知與具有良好品質之半導體結構相關的預定參數之峨 差被用作品質控制判定之基礎。 在所給之基礎實例中，其可僅為在整個區域之上的平均 回應之比較。但是—般而言，污染可非常具有局部性，卫 平均PL訊號(在晶圓映射中之所有所量測之像素上所求之 可能未必為該污染之可靠指示。若使用一糊 …圓映射’則使用平均PL分析可賴測到非常

86768.DOC -27· 200408806 性之訊號。 於1己錄一晶圓映射之後，可施用一虛擬網格，且使用適 當軟體將其顯示於晶圓映射之頂部。可使用該虛擬網格執 行分析。同時局部區域分析亦允許對結構中問題位置之更 優足位。舉例而i，可指示出不合格之網格元件；可於與 該網格元件相同的位置啟動微觀掃描以允許更詳細地檢測 所關心之區域；且可用適當形式輸出晶圓映射分析中不合 格元件之記錄。 局部網格方法並不侷限於基於平均值之數值分析。可使 用任何適當之預先規定的參數（包括平均強度、小值、 極大值、標準差及基線），以測定污染區域。由於貫穿晶圓 之訊號的變化不均勻，PL訊號基線方法可為一更為有用之 參數。以下將解釋該技術。 圖7a展示一典型晶圓映射，而圖7b展示相關的pL強度之 直方圖。 在晶圓映射中藉由與基線值之偏差偵測污染，且可設定 界限。但是，可藉由污染修正該晶圓映射中之PL平均值。 而所用之值應代表一未被污染的晶圓之訊號水準。圖8所示 <峰值代表一未被污染晶圓之真實PL值。修正基線函數以 具有一峰值將允許用戶準確追蹤污染且具有更高靈敏度。 一適當演算法包括以下步騾： 1 ·界足峰值為直方圖中之極大值，且將其用於基線。 2 ·搜索嶂r值之資料。 3·然後計算極大值之±7〇%(其由使用者界定），接著重新

86768.DOC -28 - 200408806 界定尖宰極大值為該等點之中心位置。 4.然後计算尖峰極大值之精確值，且接著界定pL水準。 5 ·同樣允許使用者輸入來自未被污染晶圓之典型基線 值，若存在相等強度之兩個峰值，其將有所幫助。 晶圓之基線係對應於點之最大數量的PL值。 藉由下列關係式界定基線偏差： 基線偏差=PL值-基線 PL值係網格各元件之AVGpL。必須對各元件量測基線偏 差。 【圖式簡單說明】 以上僅參考所附圖式1至8藉由實例描述本發明，其中： 圖1係對用以獲取PL資料之適當裝置的圖解說明； 圖2係一展示如何處理資料之示意圖； 圖3展π根據本發明記錄的一清潔狀態中之晶圓及三個 被故意污染之晶圓的PL訊號； 固展示根據本發明圮錄的處於清潔狀態、污染狀態及再 清潔狀態中之受Fe污染之晶圓的PL訊號； 圖5展PL貝料與一基礎品質控制接受/排除判定之間的 相互關係； 圖6展不一晶圓之空間解析pL影像； 圖7及8展示根據本發明之一種可能的數值分析技術。 【圖式代表符號說明】 樣品堂 2 樣品

86768.DOC -29- 200408806 3-8 雷射 9 光學纖維 10 准直儀 11 雷射束擴展器 12 切趾板 13， 18 ， 23 ， 27 濾光輪 14 折疊鏡 15 頻率產生器 16 雷射選擇器 17 冷鏡 19 孔徑輪 20 壓電致動器 21 紅外線偵測器 22， 24 聚焦透鏡 25 UV及可視區域偵測器 26 鎖定放大器 28 變焦透鏡 29 CCD二維陣列 30 自動聚集控制器 31 光束分離器 32 物鏡分度裝置 33 壓電驅動聚焦臺 34， 35 顯微鏡物鏡 36 轉臺 -30-

86768.DOC 200408806 37 鏡筒透鏡 38 光學位移量測系統 39 顯TF幕 40 微處理器 100 化學氣體沈積磊晶反應器 101 樣品 102 操縱臂 103 取樣基座 105 收集裝置 107 處理器 108 比較器 109 資料記憶體 110 控制單元 111 第二處理單元 112 資料記憶體 113 視覺顯示幕 86768.DOC -31 -

Claims (1)

1. 200408806 拾、申請專利範園： 1. 一種於元件製造過程中對諸如矽之半導體的清潔過程進 行品質控制之方法，其包括以下步驟： 使一清潔狀態中之半導體結構經受一關键的清潔處理 步騾； 將該半導體結構之表面曝露於來自一適當光源之至少 一個南強度光束下，且收集藉由該光束激勵該半導體結 構而產生之光致發光（PL); 對所收集之該光致發光訊號做出分析，且將該分析用 β 作該半導體清潔度之一品質分級的基礎。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該品質分級步騾包括： 測定貫穿該結構區域或其子區域發射之一平均光致發 光強度； 將該平均值與光致發光之一預定的可接受規格範圍進 行比較； 基於該比較對該半導體結構之清潔度做出一品質分級。 3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該品質分級步騾 — 包括排除或選擇展示在一預定妁可接受規格範圍之外的 一光致發光回應之半導體結構以採取矯正措施。 4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，該方法被施用作於在 半導體結構上進行的元件製造過程中，對諸如矽之引入 半導體結構的濕式化學清潔之一品質控制度量，且作為 一元件製造過程的一部份而被併入，該方法包括以下步 •驟··以習知方式化學清潔該結構，使該清潔狀態中之結 86768.DOC 200408806 構經受一如申請專利範圍第3項之測試，將一展示一在該 光致發光之預定的可接受規格範圍内之光致發光回應的 結構傳遞至下-元件製造階段，將—展示—在該光致發 光<預疋的可接受規格範圍外之光致發光回應的結構自 該下一元件製造階段排除。 5.如申請專利範圍第4項之方法，其中接著傳遞多個被排除 〜構以進行進一步清潔，之後進行再測試且重複如申請 專利範圍第4項的接受/排除步·驟。 6·如申請專利範圍第丨或2項之方法，其中將該光束之光束 功率及/或光斑尺寸控制為自該半導體結構之上部以微 米處收集近表面PL資訊。 7·如申請專利範圍第6項之方法，其中將該光束控制為自該 半導體結構之上邵1微米處收集近表面pL資訊。 8·如申請專利範圍第丨或2項之方法，其中大約於室溫下獲 取該PL回應。 9·如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該光源係一高強 度雷射。 10·如申請專利範圍第9項之方法，其中該雷射具有光斑尺寸 為0·1至20微米，較理想為2至5微米，且峰值或平均功率 山度在1 0至1 〇9瓦特/平方公分之間的較小探測容量。 11. 如申請專利範圍第㈣之方法，其中使用_脈衝雷射激 勵源，且量測發光資料且/或收集該等發光影像作 間函數。 ^ 12. 如_請專利範圍第〗或2項之方法，其另外包括使用該等 86768.DOC -2 - 200408806 所收集之PL訊號以生成貫穿測試中之該半導體表面的 PL訊號之一空間解析映射，且尤其生成該等訊號之一空 間解析影像的步驟。 13. 如申請專利範圍第12項之方法，其另外包括將該空間解 析PL映射儲存於適當資料儲存構件上，及/或藉由適當處 理構件傳送自該空間解析映射取得之數位化資料以供前 向處理用之步驟。 14. 如申請專利範圍第13項之方法，其另外包括將任何生成 之PL影像顯示於適當顯示構件上之步驟。 籲 15. 如申請專利範圍第13或14項之方法，其進一步包括下列 步驟：使用該空間解析映射鑒別該污染之大致位置；且 使用一諸如TXRF之特定分析技術在該所鑒別之位置進 一步分析該半導體結構以鑒別該污染。 16· —種鑒別且/或表徵在連續的處於清潔狀態中之諸如矽 之半導體結構中的清潔污染之方法，其包括於一給定的 關鍵清潔階段之後，在該等連續結構中的每一個之上執 行如申請專利範圍第項其中一項的方法，僅在因展φ · 示-在該預定的可接受規格範圍之外的光致發光回應π 被排除的該等結構之上執行如中請專利範圍第12至15項 其中一項的該等額外步驟，以僅產生關於被排除結構: 空間解析資料。 η•-種協助診斷及鱗正清潔問題之方法，其包括根據前述 申請專利範圍中任-項之方法於_給定的關鍵清潔階段 之後依序測試複數個結構，儲存及比較該等序列測試結 86768.DOC 18.200408806 果，且使用該比較結果鑒別該清潔過程中之系統錯誤。 一種於在半導體結構上進行之元件製造過程中用於諸如 石夕之半導體結構之品質控制清潔的裝置，其包括：一清 潔裝置，其使該半導體結構經受濕式化學清潔，及一測 試裝置，其偵測該清潔狀態中之結構表面上之雜質，其 中該測試裝置包括一高強度先源；將來自該光源之高強 度光束聚焦至測試中之該半導體結構的一表面上之構件 ’收集構件’其收集藉由該光束激勵該半導體結構產生 的貝牙咸測試中之半導體結構的表面之光致發光資料· 分析構件，其處理及數值分析該所收集之資料；一比較 咨，其將該等分析結果與預定之可接受規格參數進行比 較，且根據該光致發光訊號是否在該預定之可接受規柊 範圍之内而決定接受或排除該結構。

   19. 如申請專利範圍第18項之裝置，其被併入一生產線，且 包括適於將該結構傳輸至一挣定的下一處理階段之傳輸 構件，其中根據該光致發光訊號是否在該預定之可接= 規格範圍之内而決定傳輸與否。

   20. 21. =申請專利範圍第19項之裝置，其中該傳輸構件適於將 展π —在薇光致發光之預定的可接受規格範圍内之光 致發光回應的結構傳輸至該下一元件製造階段，且將一 展不一在孩光致發光之預定的可接受規格範園外之光致 發光回應的結構傳輸回該清潔器進行進一步清潔。 如申請專利範11第18、19或2G項之裝置，其中該光束之 光束功率及/或波長及/或光斑尺寸受控制為使得該裝= 86768.DOC -4- 200408806 適於自該半導體結構之上部12微米處生成及收集近表面 pL資訊。 如申叫專利範圍第21項之裝置，其中該光束之光束功率 及/或波長及/或光斑尺寸受控制為使得該裝置適於自該 半導體結構之上部1微米處生成及收集近表面PL資訊。 23.如申請專利範圍第18、19或2()項之裝置，其中該光源係 一高強度雷射。 24. 如申叫專利知圍第23項之方法，其中該雷射具有光斑尺 寸為〇·1至20微米，較理想為2至5微米，且峰值或平均功 率贫度在104至1〇9瓦特/平方公分之間的較小探測容量。 25. 如申請專利範圍第18、19或则之裝置，其另外包括將 孩所收集之PL資料解析為一貫穿該半導體結構區域的 空間解析PL映射之構件。 %如申請專利範圍第25項之裝置，其另外包括將所收集之 訊資料解析為-貫穿該半導體結構區域的空間:析 PL映射之構件，且視需要另外包括將該解析之資料轉換 為-PL影像《構件，及/或儲存該映射/影像、尤其 存連續映射/影像供將來比較用之影像/資料錯存構件， 及/或將該映騎彡像傳送至—騎遠端料處理 件’及/或將-影像及/或相關資料顯示給—使 如一视覺顯示幕的影像顯示構件。 C 86768.DOC