TWI430379B - 使用從無振動接觸電位差感測器所得的資料之缺陷分類技術 - Google Patents

Description

使用從無振動接觸電位差感測器所得的資料之缺陷分類技術 相關申請案之相互參照

此申請案係基於並主張2007年十一月30日提出美國專利申請公開案第11/948,518號之優先權，其內容係藉由參照使併入本說明書內。

發明領域

本發明係針對包括半導體表面和半導體材料之表面和材料的檢驗方法和系統。更明確地說，本發明係針對使用振動和無振動接觸電位差感應器中的至少一個所感測到之表面或表面下的非均勻性和/或電荷之分類方法。

發明背景

半導體之功能、可信度、和性能，係取決於所用之半導體材料和表面之潔淨且均勻性。已有數十億元和數不盡之工時，致力於半導體材料之製造及處理有關的系統和程序之開發、特性化、及最佳化。此一活動之主要目標一直是在於材料和表面之製造，使其非常潔淨及具有橫越整個晶圓之均勻或均勻變化的性質。為特性化及最佳化該等程序，必要的是要能夠檢驗及測量表面或本體之清潔性和均勻性。就實時程序控制而言，必要的是要能夠以高速橫越一個表面做許多測量，以及在一種不會損傷或污染該半導體表面之方式中來完成它。其亦高度期盼的是，能夠鑑別及分類不同類型之非均勻性或污染物。分類係極為重要。一個非均勻性之性質方面的資訊，可被用來決定該非均勻性是否可能會衝擊到裝置性能或製造產能。分類資訊亦可被用來鑑別該非均勻性之來源。

有一種檢驗及測量表面之方法，係利用一個無振動接觸電位差感應器。該無振動接觸電位差感應器，係包含有一個電導性探針，其係佈置使接近一個表面，以及係以電氣方式使連接至該表面，該等探針和表面，形成了一個電容器。該等探針尖端和表面由於此兩種材料之功函數或表面電位中的差異所致，其間係形成有一個電位差。該探針尖端係使平移而平行於該表面，或者該表面係使在該探針下方進行平移。該表面上之不同點處的功函數或表面電位中之變化，會造成該等表面與探針尖端之間的電位中之改變。而且，該等探針尖端與晶圓表面之間的距離中的變化，會造成該電容值中之改變。該等探針尖端與晶圓表面之間的電位或電容值方面之變化，會使得電流流進該探針尖端中。此電流會被放大，會被轉換成一個電壓，以及會被取樣而形成一個連續性資料串流，其係代表橫越該表面之變化。該無振動接觸電位差感應器，可在大於每秒100,000個樣本之速率下，提供一個連續性資料串流。高資料取得率，可容許整個半導體晶圓之高解析度影像僅在數分鐘內被取得。

該無振動接觸電位差感應器，可產生一種信號，其結合了該測量之表面的兩個特性-表面電位中之變化和表面高度中之變化。該探針尖端上面之電荷，係決定如下：

Q=CV　(1)

其中，Q為該探針尖端上面之電荷，C為該等探針尖端與測量表面之間的電容值，以及V為該等探針尖端與表面之間的電位差。

上述進入探針尖端內之電流i，為該探針尖端上面之電荷的導數，以及係由下列之公式給定：

該電流i係兩項之總和：dV/dt項和dC/dt項。該dV/dt項係表示該等探針尖端與晶圓表面之間的電壓，以及dC/dt項係表示該等探針尖端與晶圓表面之間的電容值中之變化。該探針尖端之電位，在該掃描運作期間係使固定，故該dV/dt項中之變化係由該測量表面之電位中的變化所引起。電容值中之變化，係由該等探針尖端與晶圓表面之間的距離中之變化所引起，後者最常見的是由該晶圓表面之高度中的變化所引起。此公式例示出上述進入感應器內之電流，如何為該測量表面之電位和高度中的變化之組合。

表面電位中之變化，可由表面和表面下條件中之多種變化所引起。彼等係包括但不受限：金屬污染、非金屬或有機物之污染、表面化學性質中之變化、來自環境而被吸附在表面上之分子的數目或類型中之變化、該表面之化學末梢中的變化、該表面上之充電、該表面上所澱積之介電質中的充電、該表面之原子粗度中的變化、表面薄膜應力中之變化、表面下之攙雜密度或植入劑量中之變化、表面下攙雜或植入深度中之變化、表面下界面處之電位中的變化、表面下導電率中之變化、結晶結構中之變化或損傷、表面照度中之變化、或此等因素之某種組合。

該無振動接觸電位差感應器系統，可偵測範圍寬廣之表面和表面下的非均勻性。然而，強化該無振動接觸電位差感應器檢驗系統之能力，使促成不同類型之非均勻性的鑑別及分類，將會是有利的。舉例而言，在金屬污染所引起之表面電位非均勻性有機物污染所引起之表面電位非均勻性之間進行鑑別，將會是有利的。就一個第二範例而言，在表面化學性污染與晶圓表面之高度中的變動之間進行鑑別，將會是有利的。

發明概要

本發明中所說明之系統和方法，提供了一個振動和無振動接觸電位差檢驗系統中的至少一個之強化應用，其可容許鑑別及分類不同類型之表面或表面下的非均勻性。下文中，一個易受本說明書所說明之系統的影響之檢驗的材料，一般將被指明為"晶圓"。本發明包括一個振動和無振動接觸電位差掃描系統中的至少一個，其可產生一個可表示橫越該晶圓表面之表面電位和高度變動的資料。此種裝置係由一個振動和無振動接觸電位差感應器、一個以機械方式固定該晶圓之系統、一個可使該感應器佈置在該晶圓表面上方一段固定距離並在該等探針尖端與晶圓表面之間產生相對運動以使該感應器探針尖端平行於該晶圓表面而移動的系統、和一個可取得及處理來自該感應器之輸出信號使鑑別及分類晶圓非均勻性的系統中的至少一個所組成。

在一個實施例中，該系統係包括有能力施加偏制電壓給該該感應器探針尖端或該晶圓表面來修飾該等探針尖端與晶圓之間的電位。在此情況中，方程式2中之dC/dt項，係包括如以下公式所示之偏制電壓：

在方程式3中，V_CPD 為該等探針尖端與晶圓表面之間的電壓，其係唯獨由該等探針尖端和晶圓表面之電氣連接所造成。此電壓係稱作接觸電位差，或CPD。V_bias 為一個附加電壓，其係由該檢驗系統施加給該探針尖端或晶圓，藉以促成晶圓非均勻性之偵測和分類。若V_bias 在該掃描運作期間為一常數，則其將不會影響到該dV/dt項，因為dV_bias /dt=0。

在一個他型實施例中，該系統係包含有一種機構，其可在該偏制電壓被調整之際，使該感應器佈置在該晶圓上面之某一點的上方，以及使該感應器垂直於該晶圓表面而振動。使該探針尖端垂直於該晶圓表面而振動，可使該等探針尖端與晶圓表面之間的電容值改變，其可產生一個因方程式2和3中之VdC/dt項所致的信號。此信號係正比於該等探針尖端與晶圓表面之間的接觸電位差(V)。該變數偏壓(bias)係經調整使決定該偏制電壓，而使該探針尖端之電位，與該晶圓表面之電位相匹配。當該偏制電壓等於該等探針與晶圓之間的接觸電位差而與之相反時，則來自該感應器之信號將會變為零。藉由調整該偏制電壓，上述可產生零信號之偏壓可被決定出，以及該接觸電位差可被計算為該偏制電壓之負值。此種運作方法係知名為一個振動凱爾文(Kelvin)探針或Kelvin-Zisman探針。

在另一他型實施例中，該系統係包括有能力控制上述在探針尖端附近之晶圓表面的照射。此種能力可容許照射之波長、光強度、或角度，可在掃描該表面之前加上在其間，使用該無振動接觸電位差感應器來配置。在又一他型實施例中，該系統係包括有能力在以該無振動接觸電位差感應器掃描該表面之前，使電荷澱積至該晶圓表面上。一個非均勻性，亦可藉由測量澱積在或出現在該晶圓上面或該晶圓上面的介電質層之上或之內的電荷，來加以評估。該非均勻性可包括該晶圓之上或之內或該介電質層本身之上或之內的電荷本身。此外，該澱積之電荷所造成的信號之變化，可促使能夠確認該非均勻性之類型和數量。

本發明係包括一種系統和方法，其可處理所成就之無振動接觸電位差資料，藉以鑑別範圍寬廣之不同類型的表面非均勻性。在一個他型實施例中，該系統係包括有能力多次掃描同一晶圓或多次掃描同一晶圓之同一部分。每一多次掃描可以不同之偏制電壓、照射波長、照射強度、照射角度；及/或以施加至或不然出現在該表面上或嵌入一晶圓之選定薄層內或類似介電質等澱積層內的不同量之電荷而加以取得。來自該等多次掃描之資料，可分開處理或使相結合，藉以鑑別不同類型和相對量之非均勻性，諸如化學性、機械性、和電荷。

該無振動接觸電位差資料會被處理，藉以識別該晶圓非均勻性之區域。在一個實施例中，此係藉由臨界化該微分無振動接觸電位差影像來加以完成。該臨界化係涉及識別該等具有特定值之資料點，其中，該等特定值係被界定為該等大於某一特定值、小於某一特定值、或某些值之範圍內的信號。該等用來界定晶圓非均勻性之區域的特定值，係被稱為臨界值。在一個他型實施例中，彼等非均勻性係藉由積分該微分資料，使形成一個代表相關的表面電位數值的影像，來加以識別。此成就之積分影像可被臨界化，藉以識別一些具有特定之相對表面電位值或範圍值的區域。一旦該等非均勻性區域被鑑別出，便會有額外處理被執行來分類每個區域。

在一個實施例中，該等非均勻性區域有關之積分影像資料，會與該晶圓之其他部分有關的積分影像資料相比較，藉以決定該非均勻性在表面電位或電容值中所產生的，為正的或負的變化。若一個非均勻性所代表的是表面電位中之變化，則該信號之方向(正的或負的)，係指明該表面電位為正在增加或減少，若一個非均勻性代表的是表面高度中之變化，則該信號之方向，係指明該晶圓高度為正在增加或減少。此資訊接著會被用來基於表面電位或表面高度之變化的方向，而分類非均勻性。舉例而言，表面污染可能會造成晶圓表面電位之增加或減少。矽表面上之許多但非所有類型的金屬污染，會造成表面電位中之增加，而矽表面上之許多類型的有機污染，會造成表面電位中之減少。在可能之金屬污染物會增加表面電位及可能之有機污染物會減少表面電位的檢驗應用中，表面電位變化之方向，可被用來區分金屬表面污染和有機表面污染。獨立性資料可被用來協助決定污染物或非均勻性為屬某一類似金屬、非金屬、半導體摻雜劑、絕緣質、和離子雜質等特定類別之可能性。此種獨立性資料可由使用其他類似SEM、X-射線螢光、離子探針、和來自一個特定之製造程序的可能之污染物的直接評估等其他傳統型裝置來造成。

該等探針尖端與晶圓表面間之距離中的變化所造成之信號分量，會隨著該等探針尖端與晶圓表面間之電壓而變化，而該表面電位中之變化所造成的信號分量，係不會受到一個恆定偏制電壓的影響。結果，該同一晶圓可以兩個不同之偏制電壓掃描兩次，以及此等成就之影像係使彼此相減，藉以形成一種影像，其係具有來自表面電位變化之最小信號和一個來自高度變化之加增信號。此係由以下之方程式來例示：

在此情況中，i₁ 為有一偏制電壓V_bias1 施加時進入該探針尖端內之電流，以及i₂ 為有一偏制電壓V_bias2 施加時進入該探針尖端內之電流。由於該偏制電壓之導數為0，減去該兩電流，將會造成一個新信號，其係不受接觸電位差中之變化的影響，以及單單係形成自該等探針尖端與晶圓表面間之電容值中的變化。該成就之信號或影像，可被用來偵測及分類非均勻性為相照於晶圓表面電位中之變化的晶圓高度中之變化。同理，一些出現在一個在無偏制電壓下取得之影像中但未出現在一個減去兩個以不同之偏制電壓所取得的影像中之非均勻性，可被分類為一個相照於表面高度變化之表面電位變化。

該等探針尖端與晶圓表面間之平均接觸電位差，可藉由在該晶圓表面上的一個或多個點處，進行振動凱爾文探針測量，來加以決定。一個幅度相等但極性相反之偏制電壓，接著可施加給該探針尖端，藉以極小化該等探針尖端與晶圓表面間之平均電位差。該晶圓接著可使用該偏壓電壓來掃描，以及上述因該等探針尖端與晶圓表面間之距離中的變化所致之信號分量，將會被極小化。後繼具有類似表面之晶圓，亦可使用該同一偏制電壓來掃描，而不需要進行額外之振動凱爾文探針測量。使用一個可極小化該等探針尖端與晶圓表面間之平均電位的偏制電壓，可容許形成一種信號和影像，其可被用來在極小化上述因高度中之變化所致的信號之際，識別表面電位中之非均勻性。

該無振動接觸電位差感應器的一項優點是，其可相當快速地取得資料，以致整個晶圓影像，可僅在數分鐘內被取得。高解析度影像之可利用性，可容許使用影像處理演算法，使基於彼等形狀相關聯之特徵或信號位準，來分類非均勻性。舉例而言，該微分或積分影像可被臨界化，以及該成就之缺陷對映圖可被分段，藉以識別非均勻性之連接區域。每個區域接著可使與一系列特徵相聯結，諸如區域、周長、高度、寬度、信號範圍、平均信號值、最小和最大信號值、和其他種種。此等特徵可計算自非均勻性之微分或積分影像，或者可計算自以不同之偏制電壓、照射配置、表面電荷條件所取得的影像、或此等影像之組合。此系列特徵接著可被用來基於一個數學演算法或一組規則，來分類缺陷。舉例而言，在該最簡單之情況中，非均勻性可基於該無振動接觸電位差感應器信號之大小或標準方差，來加以分類。

上述控制照射之強度、波長、和角度的能力；和該晶圓表面上或內嵌在該晶圓上面所存在之介電質或其他薄層的電荷量，可提供額外之方法來分類缺陷或電荷之位置和量。某些類型之缺陷所造成的表面電位變化，對表面照射或充電敏感。照射可被用來改變該表面電位，其係藉由降低該半導體中之電場的效應，同時，澱積在或不然存在於該表面上或在一個介電質層之內或上面的電荷，可被用來感應電場及改變該半導體內之電荷的分佈。上述控制照射和表面電荷之能力，可容許以不同之照射和/或電荷條件，取得兩個或以上之掃描。此等掃描接著可以數學方式相結合，舉例而言，藉由自另一個掃描影像減去一個掃描影像，來決定由於照射或電荷中之變化所致的信號中之變化。彼等表面非均勻性，接著可基於改變照射或改變表面電荷條件所造成之信號中的變化之大小和極性，來加以分類。

該振動凱爾文探針測量能力，可提供又一種分類缺陷之方法。一旦有一個缺陷已被偵測出，以及在一個無振動接觸電位差影像中被定位，便會有一個或多個振動凱爾文探針測量，可被完成來決定該缺陷之位置處的接觸電位差。此成就之接觸電位差資料，可使與特定類型或濃度之缺陷相關聯，以及此資訊可被用來識別或定量被偵測到之缺陷。而且，彼等振動凱爾文探針測量，可以不同之表面電荷或照射條件來完成，俾決定改變該晶圓或其他附接薄層之照射變數或充電下的表面電位中之絕對變化。該資訊可被用來分類該缺陷之類型。

另一種缺陷分類之方法係包括：積分得自該無振動接觸電位差感應器之信號，以及接著進行該晶圓上面之不同點處的兩個或以上之振動凱爾文探針測量。該積分信號係表示相對之表面電位值，而非表示絕對之接觸電位差值。該振動凱爾文探針測量，可被用來標定該等積分之信號值，以致彼等可表示絕對之接觸電位差值。此係藉由計算該等振動凱爾文探針測量值與該積分之影像內的同一位置處之信號值間的線性或曲線配合，來加以完成。此一變換接著會被應用至所有的積分之信號值。此成就的積分之影像值，接著可被用來基於彼等之絕對接觸電位差值，來分類彼等表面非均勻性。

圖式簡單說明

第1圖係一個具有一個無振動接觸電位差感應器、一個澱積電荷源、一個受控式照射源之晶圓檢驗系統和一個可使該探針垂直於該晶圓表面振動而進行振動凱爾文探針測量之系統的簡圖，該系統係包含有一個可處理來自該感應器之資料、可自動偵測表面或表面下之非均勻性、以及可分類該等非均勻性的組件；

第2A圖係顯示左邊上面具有一個徑向掃描系統之簡圖，以及在第2B圖中，係顯示一個在右邊上面以該掃描運作所建立之影像；

第3A圖係顯示以一個無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓所建立之影像，以及第3B圖為臨界化後的一個影像，其中，該臨界化之影像中的黑暗區域，係表示一些非均勻性；

第4A-4C圖係顯示三個不同之影像，其中，第4A圖係藉由積分第3A圖之影像中的信號而形成；第4B圖係顯示在應用一個臨界化來識別一些加增之表面電位的區域後之影像；以及第4C圖係顯示在應用一個臨界化來識別一些減低之表面電位的區域後之影像；

第5A-5C圖係顯示三個影像，以及第5A圖之影像，係藉由在一個無表面照射下以無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓而使建立成；第5B圖係藉由在以可見光照射表面之下掃描同一晶圓而使建立成；以及第5C圖係第5A圖和第5B圖之影像間的差異；

第6A-6C圖係顯示三個影像，以及第6A圖之影像，係藉由在以一個5伏偏壓施加至該探針尖端之下，以一個無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓而取得；第6B圖之影像，係以一個-5伏偏壓施加至該探針尖端的同一晶圓之影像，以及第6C圖之影像，係第6A圖和第6B圖之影像的差異；

第7圖係顯示一個以無振動接觸電位差感應器掃描所取得之晶圓影像；

第8圖係顯示以一個振動凱爾文探針所取得之絕對CPD測量值(ACM)；而

第9A-9D圖則係顯示以無振動接觸電位差感應器掃描該晶圓所取得之同一晶圓的四個影像；第9A圖之影像，係以無偏壓施加至該等探針尖端與晶圓表面之間而取得；第9B圖之影像，係以一個5伏偏壓施加至該探針尖端而取得；第9C圖之影像，係顯示該晶圓之高度變化特徵；以及第9D圖之影像，係藉由使用該振動凱爾文探針模態來測量該等探針尖端與晶圓表面之間的多重點處之接觸電位差，以及接著施加該平均接觸電位差之負值給該探針尖端而取得。

較佳實施例之詳細說明

本發明提供了一種增強型檢驗系統，其可使用一個無振動接觸電位差感應器系統，來偵測表面和表面下之非均勻性，其中包括澱積(或另外存在)之電荷；以及提供了一種系統，其可處理來自該無振動接觸電位差感應器之資料，藉以分類不同類型和相對量之非均勻性。本發明並不限於具有裸露潔淨表面之半導體的測量。該表面之化學狀態可能會改變，或者表面污染可能會出現。而且，該晶圓表面可能覆以一片塗層或薄層。舉例而言，一個矽晶圓表面，經常係塗以一種矽氧化物或其他介電質或金屬薄層。本發明可被用來檢驗一個塗以薄層之晶圓，藉以偵測下層半導體內或半導體薄層界面處之缺陷。此外，本發明可被用來偵測或分類一片薄層之內或之上的缺陷。

參照第1圖，此種裝置係包含有：一個無振動接觸電位差感應器101；一個以機械方式夾固該晶圓105之系統103；一個可使該感應器101佈置在該晶圓表面106上方而有一段固定距離並在該等探針尖端102與晶圓表面106之間產生相對運動以使該感應器探針尖端102平行於該晶圓表面106而移動的系統107；一個具有可照射該感應器探針尖端102下方或附近之半導體晶圓表面106的光波之可變強度、角度、或頻譜的照射源109；一個可在以該感應器探針尖端102掃描之前使已知數量之電荷澱積至該晶圓表面106上的電荷源110；一個可使該探針尖端垂直於該晶圓表面振動之系統104；和一個可取得及處理來自該感應器101之輸出信號使鑑別及分類晶圓105的非均勻性之系統112。

在一個實施例中，有一個半導體晶圓105，置於一個電導性晶圓固定件103上面。此在完成上可能以手動或使用一個自動化程序，諸如但不受限之晶圓裝卸(handling)機械手臂。該晶圓105係類似藉由使用真空使保持定位。一些握持該晶圓105之他型方法係包括但不受限：靜電力和邊緣夾緊。在一個實施例中，該固定件103係被安裝在一個心軸上面，後者可使該晶圓105繞其中心旋轉。該無振動接觸電位差感應器101，係裝接至一個定位系統107，其可調整在晶圓表面106上方之感應器101的高度，以及可使該感應器101，自至少該晶圓105之中心，徑向地移動至該晶圓105之一側緣。該無振動接觸電位差感應器101，係經由該電導性晶圓固定件103，以電氣方式連接至該晶圓表面106。此種連接可屬電阻性或電容性。在一個實施例中，有一個已被校準至該無振動接觸電位差感應器探針尖端102之高度的高度感應器111，如同該無振動接觸電位差感應器101，亦被安裝至同一定位系統107上面。

或者，一個具有可變強度、波長、或角度之光源109，可能係安裝在該定位系統上面，而使該被照射之區域，包括至少緊鄰該無振動接觸電位差感應器探針尖端102之區域。或者，一個光源可使與該定位系統分開安裝，而使其至少照射該無振動接觸電位差感應器所掃描的整個區域。或者，一個受控式電荷源，可能安裝在該定位系統上面，以便在該無振動接觸電位差感應器掃描之前甚或之間，可使已知數量之電荷，澱積至該晶圓表面上或至一個出現在該晶圓上面的介電質層上面或之內。

在一個他型實施例中，有一個可使該感應器101垂直於該晶圓表面106而振動之系統104，被裝接至該接觸電位差感應器。此種系統係被用來進行該等探針尖端102與晶圓表面106間之接觸電位差的振動凱爾文探針測量。

在該晶圓105固定至該固定件之後，該高度感應器111，係被定位在該晶圓表面106上面的一個或多個點上方，以及該晶圓表面106之高度會被測量。該等晶圓高度測量值，係被用來計算該無振動接觸電位差感應器101之位置，其將可產生該等探針尖端102與晶圓表面106間之希望距離。此資訊係被用來使該探針尖端102，定位在該晶圓表面106上方的某一固定高度處，以及該探針尖端102，係使移動至該晶圓105之邊緣外上方的某一點處。該晶圓表面之照射可能被致能，以及就檢驗應用而言，會選擇適當之強度和波長。而且，就檢驗應用而言，可能會選擇適當數量之電荷。

誠如第2A圖中之範例所顯示，該探針101係使保持靜止，以及該晶圓105會在該心軸上面旋轉，而使該探針尖端102，沿著一條以該晶圓105之中心為中心的圓形路徑，相對於該晶圓105而移動。資料係在該晶圓105之單次旋轉期間被取得。該感應器101接著係使沿著該晶圓105之半徑，朝向該晶圓中心，移動一段可程式規劃之距離。在此一新半徑處，會取得另一次旋轉之資料。該探針尖端102可繼續步進，以及可掃描該晶圓105之同心圓形區域，直至該探針達至該晶圓105中心為止。此成就之資料，接著會被組合成該晶圓105的一個影像。或者，該晶圓105的每個同心圓形區域，可使掃描多次，以及該成就之資料係使平均化，藉以降低隨機雜訊之效應。此種影像會被處理，藉以識別及分類非均勻性(見第2B圖)。此項處理可採用多種形式。其可能單純如臨界化信號值，來偵測該晶圓表面106之區域，其中，該表面電位係正在變化(比較第3A和3B圖)。該微分感應器資料亦會被積分，使產生一個可表示相對表面電位值之影像。此積分之影像亦可被處理或臨界化，藉以識別一些具有特定之相對電位值的區域。或者，該積分之影像，可使用多重之振動凱爾文探針測量值來校準，藉以產生一個具有一些可表示該晶圓上面的每個點處之絕對接觸電位差值的數值之影像。此種影像接著可被臨界化，藉以識別一些具有特定之接觸電位差值的區域。

第2A圖係顯示本發明的一個實施例之徑向掃描的簡圖。該無振動接觸電位差感應器探針尖端102，係使定位在一個接近該晶圓105之側緣的點“A”處。該晶圓105係在該晶圓固定件103上面轉動，以及一個圓形軌跡之資料會被掃描。該探針尖端102，係使朝向該晶圓105之中心，移動一段可程式規劃之距離以至點“B”處，以及有一個第二圓形軌跡之資料會被掃描。此一程序會使重複，直至該探針尖端102達至該晶圓105之中心為止。此成就之資料，係使結合成該晶圓表面106的一個影像。有一個樣本影像顯示在第2B圖中，以及該等亮區和暗區係表示各種之非均勻性。

本發明之一特徵，為基於該表面電位或電容值變化之極性，來識別或分類非均勻性。該微分無振動接觸電位差感應器信號可被積分，藉以形成一個可表示相對表面電位或電容值之信號。誠如第3A和3B圖中所示，該積分之信號可被臨界化，藉以識別一些具有位於某一特定之範圍內或超過或低於一些指定之值的信號值之區域。誠如第4A-4C圖中所示，一個非均勻性，可基於該積分之信號為高於或低於周圍之晶圓表面有關的積分之信號值，而被分類為具有一個正的或負的符號，或者其可基於該積分之信號值為高於或低於該晶圓表面之某一部分有關的平均之積分信號值，而被分類為屬正或屬負。該積分之影像，係顯示一些相對表面電位之區域。某些區域為一些可指明第4A圖中具有加增之表面電位或功函數的亮區，以及某些區域為一些可指明第4A圖中具有減低之表面電位或功函數的暗區。在此一情況中，該等亮區係該晶圓上面之金屬樣式，以及該等暗區係該晶圓上面之非金屬或有機污染物。第4B圖係來自第4A圖在應用一個臨界化藉以識別加增之表面電位的區域之後的影像。該等暗區係顯示上述大於一個正臨界值之影像的區域。此等區域係表示加增之表面電位或功函數的區域，以及係對應於該金屬樣式。第4C圖之影像係第4A圖在臨界化來識別減低之表面電位的區域之後的影像。彼等暗區係顯示上述低於一個負臨界值之影像的區域。此等區域係表示減低之表面電位或功函數的區域，以及係對應於非金屬污染物之區域。就該晶圓表面之高度中的變化所造成之非均勻性而言，該非均勻性之極性係指明，該非均勻處之晶圓高度，係高於或低於周圍之區域。就表面電位中之變化所造成的非均勻性而言，該非均勻性之極性係指明，該表面電位為高於或低於該非均勻處。此一資訊可被用來分類不同類型之化學非均勻性。舉例而言，一個矽表面的某些類型之金屬污染，將會造成表面電位中之增加，而許多有機物之污染，將會造成表面電位中之降低。在此一情況中，基於表面電位變化之方向，來鑑別金屬與有機污染物，係屬有可能。來自其他傳統性質之感應器的獨立性資料，係可輕易被用來推論可能類型之非均勻性。此外，一個製造程序之基本性質，將可提供有關非均勻性之類別的線索。

本發明之第二特徵，係有關該等探針尖端與晶圓表面間之電容值中的變化所造成或該等探針尖端與晶圓表面間之電位中的變化所造成(例如，見第9A-9D圖)之非均勻性的鑑別和分類。該影像中之特徵，係包括化學非均勻性和高度變化兩者。第9B圖中被加亮之特徵為表面污染，其可造成該晶圓上面之表面電位中的變化。第9C圖中加亮之特徵，為一個集陷在該晶圓與上述被用來緊固該該晶圓以供掃描的真空夾頭之間的粒子所造成之晶圓高度中的變化。該集陷之粒子，會造成該晶圓表面之高度中的局部增加，其可造成該晶圓表面與探針尖端間之電容值中的變化。第9B圖之表面電位中的變化所造成之信號，自第9A圖的影像觀之係相對不變，但來自電容值中之變化的信號，會被該偏制電壓放大。此係由第9B圖之影像的細節來例示，其係藉由自第9B圖之影像減去第9A圖之影像來形成。該表面電位特徵，係藉由該減除運作使自該影像移除，但電容值特徵中之變化會被保存。此種技術係被用來偵測及分類該晶圓上面之高度非均勻性，或者被用來區別表面電位非均勻性與高度非均勻性。第9D圖中所成就之掃描，係清晰顯示化學非均勻性，但高度非均勻性係大幅被消除。此種技術係被用來偵測及分類表面電位中之變化所造成的非均勻性。

該晶圓可能以不同之偏制電壓做兩次掃描，以及一個影像係自另一個減除，藉以形成一個新影像，其可極小化表面電位非均勻性所造成之信號，以及可增加晶圓高度非均勻性所造成之信號。該成就之影像中被偵測到的非均勻性，係被分類為高度非均勻性(亦見第6A-6C圖)。第6A-6C圖顯示了三個影像，以及第6A圖之影像，係藉由在以一個5伏偏壓施加至該探針尖端之下，以一個無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓而取得。該晶圓上右和下左象限中之非均勻性，係該矽中被蝕刻成之溝道。來自該等特徵之信號，係因該晶圓表面之高度中的變化而產生，後者可在該等感應器探針尖端與晶圓之間，感應出一個電容值變化。該下右象限中之非均勻性，係一金屬薄層。來自該等特徵之信號，係因表面電位中之變化而產生；第6B圖之影像，係以一個-5伏偏壓施加至該探針尖端的同一晶圓之影像，以及第6C圖之影像，係第6A圖和第6B圖之影像的差異。該等蝕刻成之溝道係清楚可見；但表面化學性變化所致之其他特徵係被消除。該等影像所示範之用法，為減除兩個以不同之偏制電壓所取得的影像，藉以識別高度非均勻性所造成之特徵。此外，該等探針尖端與晶圓表面間之接觸電位差的振動凱爾文探針測量，可在一個晶圓上面的一個或多個點處進行。此種測量值可決定該等探針尖端與晶圓表面間之平均接觸電位差；或者一個特定類型之平均接觸電位差，可藉由測量一個或多個該類型之晶圓，來加以決定。一個幅度與該平均接觸電位差相等但符號相反之偏制電壓，可被應用至後繼之掃描，藉以極小化該等探針尖端與晶圓表面間之電容值中的變化所造成之信號。該成就之影像中的非均勻性，係相照於電容值中之變化，而被分類為晶圓表面電位中之變化。

本發明之第三特徵，為基於形狀或信號數值之統計值，來識別或分類非均勻性。在該晶圓內或上面的非均勻性，已由該無振動接觸電位差影像識別出之後，或已自一個積分版本之影像識別出之後，則該等非均勻性，可基於擷取自該微分影像、該積分影像、或自一個被標定至振動凱爾文探針測量值之積分影像的特徵，來加以分類。該等特徵可包含有：一些說明該非均勻性之形狀的值，諸如，面積、周長、高度、和寬度；或者該等與該非均勻性相關聯之信號值，諸如，標準方差、極大值、極小值、範圍、和平均值。此外，一些說明該晶圓上面之非均勻性的位置或非均勻性之相對位置的特徵，可被用來分類非均勻性。

本發明之第四特徵，為基於該非均勻性對光波表面澱積之電荷的靈敏度，來分類非均勻性。某些類型之非均勻性，諸如攙雜或植入物非均勻性，或半導體基體上面或之中的介電質薄層上面或之中的充電，係對表面照射或充電敏感。以不同之表面照射條件，可取得兩個影像，以及此等影像會被減除。該成就之影像，係顯示照射下之表面電位中的變化(見第5A-5C圖)。第5A-5C圖係顯示三個影像，以及第5A圖之影像，係藉由在一個無表面照射下以無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓而使建立成；第5B圖係藉由在以可見光照射表面之下掃描同一晶圓而使建立成；以及第5C圖係第5A圖和第5B圖之影像間的差異。第5C圖之影像中可見的特徵，係藉由將摻雜劑植入該晶圓內而使建立成。以不同位準之超級能隙照射所取得之影像可被減除，以及可被用來偵測或分類對照射敏感之缺陷，諸如攙雜或植入物非均勻性，或一個半導體基體上面之介電質薄層內或上面的充電。此種影像有時係被稱作表面光電壓(SPV)影像。此表面光電壓影像可被處理，藉以識別及分類彼等對光波敏感之非均勻性，諸如植入物非均勻性或介電質充電。同理，以不同之電荷條件，可取得兩個影像，以及可使減除。此成就之影像，可被用來偵測彼等對表面電荷條件敏感之非均勻性。

本發明之第五特徵，為基於後繼之振動接觸電位差測量的結果，來分類非均勻性。該無振動接觸電位差感應器，可產生一個用以表示橫跨該晶圓之表面電位或高度中之變化的微分資料。然而，振動凱爾文探針測量值，可提供該等感應器探針尖端與晶圓表面間之絕對接觸電位差的量度(見第8圖)。一個被金屬和有機污染物污染之矽表面，會受到測量。該等有機污染物，比起金屬污染物，會造成較低之接觸電位差值。一旦非均勻性已使用該無振動感應器影像、或該影像之積分版本，加以識別及定位，則在該等非均勻性之位置處，可進行振動凱爾文探針測量(例如，見第7圖)。第7圖之每個象限中的特徵，係藉由施加不同之金屬至該晶圓之表面而使建立成。接著在每個象限中識別出之非均勻性的位置處，會進行振動接觸電位差感應器測量。該等振動接觸電位差測量值，係顯示每種金屬有關之不同的表面電位值，而例示彼等振動接觸電位差感應器測量值，可如何被用來分類該無振動接觸電位差掃描影像所偵測到之缺陷。該振動凱爾文探針所測量之接觸電位差，通常會因表面化學而變化，以及該等測量值可提供有用於分類表面非均勻性之資訊。此外，某些類型之非均勻性，諸如集陷在該晶圓之表面上所澱積的介電質內或上面之電荷(澱積的或另外存在的)，可建立相當大之接觸電位差測量值。彼等可產生相當大之信號的充電非均勻性，可基於該測量值之大小，以及亦基於該信號位準之變化，來加以分類。舉例而言，一個超過1伏特之接觸電位差測量值，經常係由於一個介電質中之充電所致。

本發明之第六特徵，為基於藉由將積分之非均勻性接觸電位差影像標定至兩個或多個振動接觸電位差測量值(見第7圖)所取得的接觸電位差值，來分類非均勻性。該等成就之影像值，係表示該影像中的每個點處之近似接觸電位差值。此等值頗類似振動接觸電位差測量值，可被用來基於絕對接觸電位差值，來分類非均勻性。該成就之影像，係有用於識別彼等具有特定之表面電位值之區域，以及係特別有用於偵測及分類通常由一個介電質內或上面之充電所造成的大接觸電位差之區域。

有許多他型機械配置和掃描運作，可完成如同上文所說明之實施例的結果。舉例而言，該等無振動接觸電位差感應器101、高度感應器111、照射源109、電荷源110、和振動該感應器104有關之系統，全部可使安裝在一些固定之位置處，以及該晶圓105可使在該等靜止元件之下方移動及轉動。與其自一個半徑步進至次一半徑，該無振動接觸電位差感應器101，可使連續性地沿該晶圓105之半徑移動，而該晶圓105係使旋轉，藉以一個成螺旋狀橫越該晶圓105之整個表面的連續性資料串流。而且，替代上文所說明之徑向掃描運作，該無振動接觸電位差感應器101，可使來回線性地移動橫越該晶圓105，藉以掃描該整個晶圓表面106。而且，多重之無振動接觸電位差感應器和照射源，可被用來同時取得多重之測量值，藉以減少測量一個晶圓所需要之時間。

本發明之實施例的前文說明，在呈現上係基於例示和說明之目的。其並非意使盡舉及限制本發明至所揭示之精確形式，以及一些修飾體和變更形式，依據上述之授義內容係屬可能，或者可能得自和本發明之實務。該等實施例在選擇及說明上，係為解釋本發明之原理和其實際應用，可使本技藝之專業人員，能夠在各種實施例中利用本發明，以及以各種修飾體，使套用至所預期之特定用途。

101．．．無振動接觸電位差感應器

102．．．探針尖端

103．．．系統

104．．．系統

105．．．晶圓

106．．．晶圓表面

107．．．系統

109．．．照射源

110．．．電荷源

111．．．高度感應器

112．．．系統

第1圖係一個具有一個無振動接觸電位差感應器、一個澱積電荷源、一個受控式照射源之晶圓檢驗系統和一個可使該探針垂直於該晶圓表面振動而進行振動凱爾文探針測量之系統的簡圖，該系統係包含有一個可處理來自該感應器之資料、可自動偵測表面或表面下之非均勻性、以及可分類該等非均勻性的組件；

第2A圖係顯示左邊上面具有一個徑向掃描系統之簡圖，以及在第2B圖中，係顯示一個在右邊上面以該掃描運作所建立之影像；

第3A圖係顯示以一個無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓所建立之影像，以及第3B圖為臨界化後的一個影像，其中，該臨界化之影像中的黑暗區域，係表示一些非均勻性；

第4A-4C圖係顯示三個不同之影像，其中，第4A圖係藉由積分第3A圖之影像中的信號而形成；第4B圖係顯示在應用一個臨界化來識別一些加增之表面電位的區域後之影像；以及第4C圖係顯示在應用一個臨界化來識別一些減低之表面電位的區域後之影像；

第5A-5C圖係顯示三個影像，以及第5A圖之影像，係藉由在一個無表面照射下以無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓而使建立成；第5B圖係藉由在以可見光照射表面之下掃描同一晶圓而使建立成；以及第5C圖係第5A圖和第5B圖之影像間的差異；

第6A-6C圖係顯示三個影像，以及第6A圖之影像，係藉由在以一個5伏偏壓施加至該探針尖端之下，以一個無振動接觸電位差感應器掃描一個晶圓而取得；第6B圖之影像，係以一個-5伏偏壓施加至該探針尖端的同一晶圓之影像，以及第6C圖之影像，係第6A圖和第6B圖之影像的差異；

第7圖係顯示一個以無振動接觸電位差感應器掃描所取得之晶圓影像；

第8圖係顯示以一個振動凱爾文探針所取得之絕對CPD測量值(ACM)；而

第9A-9D圖則係顯示以無振動接觸電位差感應器掃描該晶圓所取得之同一晶圓的四個影像；第9A圖之影像，係以無偏壓施加至該等探針尖端與晶圓表面之間而取得；第9B圖之影像，係以一個5伏偏壓施加至該探針尖端而取得；第9C圖之影像，係顯示該晶圓之高度變化特徵；以及第9D圖之影像，係藉由使用該振動凱爾文探針模態來測量該等探針尖端與晶圓表面之間的多重點處之接觸電位差，以及接著施加該平均接觸電位差之負值給該探針尖端而取得。

101．．．無振動接觸電位差感應器

102．．．探針尖端

103．．．系統

104．．．系統

105．．．晶圓

106．．．晶圓表面

107．．．系統

109．．．照射源

110．．．電荷源

111．．．高度感應器

112．．．系統

Claims (21)

1. 一種可分類一個半導體晶圓之非均勻性的方法，其包含之步驟有：提供一個包含一個具有晶圓表面之晶圓的半導體；提供一個具有一個探針尖端之接觸電位差感應器；側向相對於該接觸電位差感應器而掃描該晶圓表面；隨著該感應器探針尖端側向相對於該晶圓表面之掃描，產生可表示該感應器探針尖端與該晶圓表面間之接觸電位差中的變化之感應器資料；使用該接觸電位差感應器資料來偵測晶圓非均勻性；藉由執行以下步驟處理一個非均勻性之位置處的該接觸電位差感應器資料：積分該電位差感應器資料，其中積分感應器資料係表示相對表面電位，藉由執行一臨界值測試，測試該積分感應器資料來識別該積分感應器資料之區域，其中該積分感應器資料位於下列組中之至少一者：(1)在一特定範圍中、(2)高於一特定值及(3)低於一特定值，藉此決定在該非均勻性處之極性及偵測該晶圓表面之朝向較低或朝向較高表面電位之其一的一方向變化；以及使用該晶圓表面之朝向較低或朝向較高表面電位之其一的該方向變化作為一個特徵來分類該晶圓非均勻性。
2. 如請求項第1項之方法，進一步包含之步驟有：使該晶 圓表面上的空間變化與化學變化之間的該感應器資料分開。
3. 如請求項第1項之方法，其中該非均勻性係被分類為金屬性或非金屬性。
4. 如請求項第1項之方法，進一步包含之步驟有：提供該非均勻性屬一化學變化且屬金屬污染和非金屬污染之其中一個之可能性的獨立性資料特性，以及使用該獨立性資料和該表面電位之該方向變化來分析非均勻性之類型。
5. 如請求項第1項之方法，其中，使用該方向變化之步驟包括測量指示一種金屬污染的表面電位增加，以及測量指示一種有機污染的表面電位降低。
6. 如請求項第1項之方法，進一步包含之步驟有：施加一個偏制電壓給該感應器探頭尖端或該晶圓表面以極小化所感測的該電位差之平均電位差，藉以極小化該探針尖端與該晶圓表面間之距離中的變化所造成之信號分量。
7. 如請求項第2項之方法，進一步包含之步驟有：改變施加在該探針尖端與該晶圓表面間之一偏壓電壓，其中，改變施加至該探針尖端或該晶圓表面之偏壓電壓所造成的感應器資料中之變化，係被用來分類晶圓高度中之變化和該晶圓表面之化學狀態中之變化中的一個所造成之非均勻性。
8. 如請求項第6項之方法，其中，可極小化該探針尖端與 該晶圓表面間之平均接觸電位差的該偏壓電壓，係被計算為至少一個在一個代表性測試晶圓表面上進行之振動凱爾文探針測量值的平均值。
9. 如請求項第1項之方法，進一步包含之步驟有：對該晶圓表面施加一個照射光。
10. 如請求項第1項之方法，進一步包含之步驟有：特徵化來自該感應器資料之該非均勻性的形狀，以使關聯一個特定類型之非均勻性。
11. 如請求項第1項之方法，進一步包含之步驟有：藉由在該非均勻性之位置處振動一個凱爾文探針，以及感應一個相關聯之信號，來分類一個非均勻性。
12. 如請求項第11項之方法，進一步包含之步驟有：藉由基於一個振動凱爾文探針之測量值的大小，來測量出現在該晶圓表面上、一個出現在該晶圓表面上之介電質薄膜上面、和出現在該晶圓表面上之介電質薄膜內的至少一個之電荷，而分類一個非均勻性。
13. 如請求項第11項之方法，其中，該至少一個振動凱爾文探針測量值，係使與針對已知之污染物的振動凱爾文探針測量值相比較，來分類該非均勻性。
14. 如請求項第11項之方法，其中，分類一個非均勻性之步驟係包括：測量一個影像中之非均勻性的一個位置處之感應器資料，該影像在形成上係藉由積分該無振動接觸電位差感應器資料，以及基於該晶圓表面上之至少兩個振動凱爾文探針測量值，使所得之積分資料變換成絕對 接觸電位差值。
15. 一種可分類一個半導體晶圓之非均勻性的系統，其係包含有：一個可產生一個感應器信號之電位差感應器；一個晶圓固定件，其可握持一個半導體晶圓和一個可相對於該電位差感應器而掃描該晶圓之機構，以及可使一個耦合至該晶圓固定件之心軸轉動，藉以促成該晶圓與該感應器間之相對運動；和一個獨立性資料源，其係基於該感應器信號為表面電位之正或負變化的一方向變化，來指明一個非均勻性類型為一個金屬污染物或非金屬污染物，藉以促成該晶圓上面之非均勻性類型的決定。
16. 如請求項第15項之系統，進一步包含有：一個偏壓電壓源，其可施加一個偏壓電壓給該晶圓和該感應器中的至少一個，以致使極小化所感應的電位差之平均電位差，以極小化該感應器與該晶圓之表面間的距離中之變化所造成的一信號分量。
17. 如請求項第15項之系統，進一步包含有：一個振動凱爾文探針，其可測量一個非均勻性之被選定的位置處之振動探針電位差。
18. 如請求項第17項之系統，進一步包含有一個裝置，其可使電荷澱積至該晶圓之表面上，藉以促成一個非均勻性之分類，其係藉由使用該振動凱爾文探針，來測量該晶圓之表面上所澱積的電荷所感應出之信號中的變化。
19. 如請求項第15項之系統，進一步包含有一個光源，其可以可變之光強度和可變之波長在多個選定之傾角下施加給該晶圓，藉以促成該晶圓之進一步探測。
20. 如請求項第19項之系統，其中，該光源可加以控制以改變該光強度和該波長中的至少一個，藉以分類該半導體晶圓之非均勻性。
21. 一種可分類一個半導體晶圓之非均勻性類型的系統，其係包含有：一個可產生一個感應器信號之電位差感應器；一個晶圓固定件，其可握持一個半導體晶圓和一個可相對於該電位差感應器而掃描該晶圓之機構，以及可使一個耦合至該晶圓固定件之心軸轉動，藉以促成該等晶圓與感應器間之相對運動；和一個資料源，其係基於該感應器信號之類型，來指明一個非均勻性類型是否為一個金屬污染物、非金屬污染物、和過量之電子電荷之其中一者，藉以促成該晶圓上面之非均勻性類型的決定。