晶圆级多材料薄膜沉积失稳检测方法与流程

本发明涉及薄膜，特别是涉及一种晶圆级多材料薄膜沉积失稳检测方法。

背景技术：

1、晶圆级多材料薄膜沉积是先进逻辑器件、存储器件与射频器件制造中的基础工艺环节。在这类器件的叠层结构中，金属层、介质层、阻挡层与种子层按工艺配方交替堆叠，单片晶圆上往往需要完成数十层乃至上百层不同材料的沉积。由于不同材料所适配的沉积方式、工作气氛与工作温度差异显著，金属层通常在物理气相沉积腔或电化学沉积腔内完成，介质层通常在化学气相沉积腔或原子层沉积腔内完成，单一腔体难以兼容全部材料的沉积条件。为此，量产线普遍采用多腔集群式设备架构，由中央传输模块的机械手将晶圆在各沉积腔之间往返转移，从而在一次装片周期内完成多材料叠层的连续制备。叠层内部各界面的结合状态，直接决定后续化学机械抛光、光刻与封装环节中薄膜是否发生剥离、起皮与界面裂纹，是影响整片晶圆良率与器件可靠性的关键因素。

2、针对多材料薄膜沉积过程中的失稳检测，现有技术主要依托腔内原位监测手段。典型做法是在沉积腔内布置原位光学反射光谱单元、腔体温度场传感阵列与沉积速率监测部件，同步采集晶圆表面各测点的反射强度、温度与瞬时沉积速率，构建多源原始信号矩阵。在此基础上，对信号作去噪与归一化处理，按沉积配方的时序标记分割材料层，由沉积速率积分得到各测点各层的膜厚并计算层内膜厚方差；再结合各层的弹性模量与热膨胀系数，按斯托尼方程推算相邻材料层之间的界面失配应力，得到全晶圆应力分布场与应力梯度。最终将应力分布场与膜厚方差融合为失稳判别特征向量，加权计算各测点的失稳指数，与预设阈值比对后聚类定位失稳区域，输出含失稳类型、位置坐标与置信度的检测结果。此类方案的全部输入量均取自沉积腔内的原位采集通道，其判据建立在膜厚异常与应力异常这两类宏观可测量之上，对膜厚不均、局部剥离与界面裂纹等已显性化的失稳形态具备一定的检出能力。

3、然而，晶圆在多腔之间转移时，已沉积表面暴露于过渡环境并发生极薄的界面氧化与吸附污染。转移间隙不落在任何沉积腔的原位采集时序内，该退化层厚度处于亚纳米量级、不改变宏观膜厚，亦不引起应力分布场的显著变化，却削弱层间结合力并成为后续剥离失稳的起点。现有方案对这类发生在腔外、却决定腔内后续失稳的界面退化毫无感知能力。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述缺陷，进而提出一种晶圆级多材料薄膜沉积失稳检测方法及系统。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明第一方面公开了一种晶圆级多材料薄膜沉积失稳检测方法，包括：

4、在腔间转移通道内布置椭偏表征单元与氧分压探头，将晶圆表面离散为若干测点，采集各所述测点的暴露时长、时均有效氧分压与椭偏反射相位差，构建转移间隙界面暴露矩阵，所述暴露时长为晶圆自前一沉积腔闸阀开启至后一沉积腔闸阀闭合期间该测点的暴露时段长度；

5、依据所述转移间隙界面暴露矩阵中的暴露时长与时均有效氧分压，得到各所述测点的退化层生长预估厚度，依据所述转移间隙界面暴露矩阵中的椭偏反射相位差与所述退化层生长预估厚度，得到各所述测点的等效光学厚度与面内覆盖度，构建界面退化特征矩阵；

6、采集晶圆进入后一沉积腔后各所述测点在新材料层生长初期的曲率时序序列，提取曲率变化速率，将所述曲率变化速率与所述界面退化特征矩阵融合，得到各所述测点的界面结合力衰减因子，构建界面结合力分布场；

7、依据所述曲率时序序列得到各所述测点的新旧层间失配应力，将所述新旧层间失配应力与所述界面结合力分布场融合，得到各所述测点的剥离失稳倾向指数，构建全晶圆剥离失稳倾向分布；

8、依据所述全晶圆剥离失稳倾向分布生成动态判定阈值，筛选出所述剥离失稳倾向指数大于所述动态判定阈值的超阈测点，对所述超阈测点作空间聚类，划定隐性失稳区域，输出含所述隐性失稳区域的位置坐标、诱因界面层序号与置信度的隐性失稳检测结果。

9、进一步的，将晶圆表面离散为若干测点，具体包括：

10、沿所述腔间转移通道的机械手行进路径上方布置所述椭偏表征单元与所述氧分压探头，所述椭偏表征单元采用单波长激光源，入射角设于金属与介质叠层的布儒斯特角区间；

11、在晶圆随机械手匀速通过所述椭偏表征单元下方的过程中，按等弧长与等半径环带划分方式将晶圆表面离散为所述若干测点，为各所述测点赋予由半径与相对行进方向的方位角构成的测点极坐标；

12、所述氧分压探头安装于所述腔间转移通道内壁，所述测点极坐标供各所述测点的暴露时长计算与椭偏反射相位差采集引用。

13、进一步的，为各所述测点赋予由半径与相对行进方向的方位角构成的测点极坐标，具体包括：

14、由闸阀开合与机械手启停的固定基准时长、各所述测点在行进方向上的几何投影位置与机械手行进线速度之商、以及按测点归一化半径线性放大的边缘滞留修正因子三者合成各所述测点的暴露时长；

15、按各所述测点的暴露起止时刻窗口截取所述氧分压探头连续采集的通道氧分压时序信号，取窗口内算术均值作为该测点的时均有效氧分压；

16、由所述椭偏表征单元对各所述测点采集p偏振反射光强与s偏振反射光强，经检偏器旋转法解出该测点的椭偏反射相位差，所述椭偏反射相位差含由相邻测点相位连续性展开确定的相位级次整数。

17、进一步的，依据所述转移间隙界面暴露矩阵中的椭偏反射相位差与所述退化层生长预估厚度，得到各所述测点的等效光学厚度与面内覆盖度，具体包括：

18、按自限制型生长规律，由自限制饱和厚度、基准氧化速率常数、所述暴露时长与所述时均有效氧分压相对标定基准氧分压的幂次比合成所述退化层生长预估厚度；

19、以所述退化层生长预估厚度为迭代初值，将所述椭偏反射相位差代入薄层介质相位延迟模型，按退化层折射率、通道气氛折射率、下层已沉积膜的衬底折射率与椭偏入射角求解所述等效光学厚度，迭代收敛判据设为相邻两次厚度变化量小于给定收敛量；

20、取所述等效光学厚度与所述退化层生长预估厚度之比作为所述面内覆盖度，并将该比值限幅于零至一的区间。

21、进一步的，采集晶圆进入后一沉积腔后各所述测点在新材料层生长初期的曲率时序序列，提取曲率变化速率，具体包括：

22、由后一沉积腔内的多光束激光曲率仪对与所述测点一一配准的测点阵列逐点扫描，由反射光斑间距的相对变化解算局部曲率，得到各所述测点的所述曲率时序序列；

23、对各所述测点的所述曲率时序序列在采集窗口内作一阶线性最小二乘拟合，剔除卡盘吸附抖动引起的起始采样点，取拟合直线斜率作为该测点的所述曲率变化速率；

24、对拟合残差标准差超过第一残差阈值的测点，以相邻测点的曲率变化速率均值补齐其所述曲率变化速率。

25、进一步的，将所述曲率变化速率与所述界面退化特征矩阵融合，得到各所述测点的界面结合力衰减因子，具体包括：

26、在所述界面退化特征矩阵中筛选出所述等效光学厚度小于第一厚度阈值且所述面内覆盖度小于第一覆盖度阈值的测点，构成基准测点子集，取所述基准测点子集内各测点的所述曲率变化速率的算术均值作为无退化基准曲率变化速率；

27、由所述面内覆盖度与所述等效光学厚度相对键合阻隔特征厚度的指数削弱率之积构成键合损失比例，取一减所述键合损失比例所得的残余键合面积比的阻隔通路幂次；

28、取所述曲率变化速率与所述无退化基准曲率变化速率之比的力学通路幂次，将该幂次与所述残余键合面积比的阻隔通路幂次相乘，得到所述界面结合力衰减因子。

29、进一步的，将所述新旧层间失配应力与所述界面结合力分布场融合，得到各所述测点的剥离失稳倾向指数，具体包括：

30、将所述界面结合力分布场内各测点的所述界面结合力衰减因子按数值由大到小排序，取排序后高值段测点的算术均值作为基准结合力衰减因子；

31、取所述新旧层间失配应力与所述界面结合力衰减因子和界面本征临界剥离应力之积的商，作为过载比，并对所述过载比赋予过载通路权重；

32、取一减所述界面结合力衰减因子与所述基准结合力衰减因子之比的锐化幂次，作为归一化结合力损失，并对所述归一化结合力损失赋予相对损失通路权重；

33、将加权后的所述过载比与加权后的所述归一化结合力损失相加，得到所述剥离失稳倾向指数。

34、本发明第二方面公开了一种晶圆级多材料薄膜沉积失稳检测系统，应用于第一方面所述的方法，包括：

35、界面暴露采集模块，用于在腔间转移通道内布置椭偏表征单元与氧分压探头，将晶圆表面离散为若干测点，采集各所述测点的暴露时长、时均有效氧分压与椭偏反射相位差，构建转移间隙界面暴露矩阵，所述暴露时长为晶圆自前一沉积腔闸阀开启至后一沉积腔闸阀闭合期间该测点的暴露时段长度；

36、界面退化反演模块，用于依据所述转移间隙界面暴露矩阵中的暴露时长与时均有效氧分压，得到各所述测点的退化层生长预估厚度，并依据所述转移间隙界面暴露矩阵中的椭偏反射相位差与所述退化层生长预估厚度，得到各所述测点的等效光学厚度与面内覆盖度，构建界面退化特征矩阵；

37、结合力衰减估计模块，用于采集晶圆进入后一沉积腔后各所述测点在新材料层生长初期的曲率时序序列，提取曲率变化速率，将所述曲率变化速率与所述界面退化特征矩阵融合，得到各所述测点的界面结合力衰减因子，构建界面结合力分布场；

38、剥离倾向融合模块，用于依据所述曲率时序序列得到各所述测点的新旧层间失配应力，将所述新旧层间失配应力与所述界面结合力分布场融合，得到各所述测点的剥离失稳倾向指数，构建全晶圆剥离失稳倾向分布；

39、失稳判定输出模块，用于依据所述全晶圆剥离失稳倾向分布生成动态判定阈值，筛选出所述剥离失稳倾向指数大于所述动态判定阈值的超阈测点，对所述超阈测点作空间聚类，划定隐性失稳区域，输出含所述隐性失稳区域的位置坐标、诱因界面层序号与置信度的隐性失稳检测结果。

40、本发明第三方面公开了一种终端，包括处理器及存储介质；其特征在于：

41、所述存储介质用于存储指令；

42、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。

43、本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。

44、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

45、（1）本发明在腔间转移通道内布置椭偏表征单元与氧分压探头，将原本处于任何沉积腔原位采集时序之外的转移间隙纳入逐点表征，由暴露时长与时均有效氧分压给出退化层生长预估厚度作为光学反演的初值与约束，再由椭偏反射相位差解出等效光学厚度并分离出面内覆盖度。极薄界面氧化与吸附污染不改变宏观膜厚，现有依赖腔内膜厚与应力信号的方案对其无从感知；本发明将该类界面退化转化为带有厚度维度与形貌维度的可比对特征，填补了腔外界面退化的采集空白。

46、（2）本发明将腔外采集的界面退化特征与晶圆回到沉积腔后新材料层生长初期的曲率变化速率关联，得到界面结合力衰减因子，并与新旧层间失配应力融合为剥离失稳倾向指数，经动态判定阈值筛选与空间聚类输出含位置坐标、诱因界面层序号与置信度的检测结果。由此，一类膜厚正常、应力未超常规判据、却因界面被极薄退化层削弱而濒临剥离的隐性失稳，在后续叠层沉积完成前被定位到晶圆坐标并追溯到具体界面层，实现了对腔外诱因所致失稳的早期定量检测与溯源。