半导体结构的检测方法及其检测装置
阅读说明：本技术 半导体结构的检测方法及其检测装置 (Method and device for detecting semiconductor structure ) 是由 魏强民 卢世峰 夏志良 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种半导体结构的检测方法及其检测装置。该检测方法包括建立扭曲值与至少一个电学性能参数之间的关系对照表；获取透射电子显微镜输出的半导体结构的剖面图像,包括至少一个孔的截面图形,截面图形所在平面垂直于孔的轴向；识别孔的多个边界点,获得多个边界点对应的多个边界坐标；根据多个边界坐标进行椭圆的数值拟合,并获得椭圆的长轴与短轴；计算长轴与短轴的差值,将差值作为孔的扭曲值；以及根据关系对照表和孔的扭曲值,判断孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。该检测方法将每个孔的长轴与短轴差值作为孔的扭曲程度的表征参数,从而量化了孔的扭曲程度,最终达到量化分析扭曲程度对电学性能影响的目的。(The application discloses a detection method and a detection device of a semiconductor structure. The detection method comprises the steps of establishing a relation comparison table between a distortion value and at least one electrical property parameter; acquiring a section image of the semiconductor structure output by a transmission electron microscope, wherein the section image comprises a section pattern of at least one hole, and a plane where the section pattern is located is vertical to the axial direction of the hole; identifying a plurality of boundary points of the hole, and obtaining a plurality of boundary coordinates corresponding to the plurality of boundary points; carrying out ellipse numerical fitting according to the boundary coordinates, and obtaining the long axis and the short axis of the ellipse; calculating the difference value of the long axis and the short axis, and taking the difference value as the distortion value of the hole; and judging whether the electrical property parameters corresponding to the holes meet a reasonable range according to the relation comparison table and the distortion values of the holes. According to the detection method, the difference value of the long axis and the short axis of each hole is used as a characterization parameter of the distortion degree of the hole, so that the distortion degree of the hole is quantified, and the purpose of quantitatively analyzing the influence of the distortion degree on the electrical property is finally achieved.)
技术领域
本发明涉及半导体技术，更具体地，涉及一种半导体结构的检测方法及其检测装置。
背景技术
随着半导体器件的小型化，半导体器件的关键尺寸已经减小到纳米级别，这就意味着关键尺寸将会决定半导体器件性能，因此，对与精确测量关键尺寸，并且掌握关键尺寸在纳米级别上的变化程度，已经成为必不可少的环节。
在现有技术中，可以通过测量工具对半导体器件的一般性的简单形貌或者半导体器件单一且较大的关键尺寸等进行测量，但对于复杂且关键尺寸较小的结构(如3D NAND)来说，现有技术中的测量工具并不能满足需要。例如在3D NAND关键的深孔蚀刻工艺中，在深度方向会产生孔的扭曲，这种扭曲会严重影响到产品的电学性能，如何建立一种表征方法，准确地测量刻蚀孔的这种变化，成为3D NAND研发成功的关键。
此外，在测量时需要人工观察，对于复杂且关键尺寸较小的结构人工很难分辨出差异度，存在精度低的问题，并且无法定性地给出好与坏的评价，对于深孔刻蚀工艺来说，不能准确地衡量刻蚀孔的扭曲变化程度，尤其在扭曲程度很小时，不能给蚀刻工艺提供有价值的意见，更无法给出电学性能和孔扭曲程度的关系。
因此，希望进一步改进半导体结构的检测方法及其检测装置，从而提高测量精度、效率以及可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的半导体结构的检测方法及其检测装置，以解决现有技术中无法量化分析扭曲程度的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种半导体结构的检测方法，包括：建立扭曲值与至少一个电学性能参数之间的关系对照表；获取透射电子显微镜输出的所述半导体结构的剖面图像，包括至少一个孔的截面图形，所述截面图形所在平面垂直于所述孔的轴向；识别所述孔的多个边界点，获得所述多个边界点对应的多个边界坐标；根据所述多个边界坐标进行椭圆的数值拟合，并获得所述椭圆的长轴与短轴；计算所述长轴与所述短轴的差值，将所述差值作为所述孔的所述扭曲值；以及根据所述关系对照表和所述孔的扭曲值，判断所述孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。
优选地，建立所述关系对照表的步骤包括：测试每个作为样品的所述孔的扭曲值对应的电学性能参数；以及将所述扭曲值与所述电学性能参数之间的关系以对照图和/或对照表的形式输出。
优选地，获得所述多个边界点对应的多个边界坐标的步骤包括：根据所述剖面图像中各像素的灰度值获得二阶导数处理结果；以及基于所述二阶导数处理结果获得所述边界上的多个边界坐标。
优选地，根据所述剖面图像中各像素的灰度值获得二阶导数处理结果的步骤包括：根据所述剖面图像的每一行像素的灰度值获得多个单位长度与所述灰度值的函数；以及对每个所述函数进行二阶导数处理，分别获得每个所述函数的二阶导数，并基于每个所述函数的二阶导数识别每一行像素的边界点。
优选地，对每个所述函数进行二阶导数处理之前，根据所述剖面图像中各像素的灰度值获得二阶导数处理结果的步骤还包括对每个所述函数进行高频过滤处理。
优选地，还包括根据每个所述孔的轴向方向上的多个扭曲值综合判断所述孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体结构的检测装置，包括：建立模块，用于建立扭曲值与至少一个电学性能参数之间的关系对照表；获取模块，用于获取透射电子显微镜输出的所述半导体结构的剖面图像，包括至少一个孔的截面图形，所述截面图形所在平面垂直于所述孔的轴向；识别模块，用于识别所述孔的多个边界点，获得所述多个边界点对应的多个边界坐标；拟合模块，用于根据所述多个边界坐标进行椭圆的数值拟合，并获得所述椭圆的长轴与短轴；计算模块，用于计算所述长轴与所述短轴的差值，将所述差值作为所述孔的所述扭曲值；以及第一判断模块，用于根据所述关系对照表和所述孔的扭曲值，判断所述孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。
优选地，所述建立模块包括：样品测试单元，用于测试每个作为样品的所述孔的扭曲值对应的电学性能参数；以及输出单元，用于将所述扭曲值与所述电学性能参数之间的关系以对照图和/或对照表的形式输出。
优选地，还包括第二判断模块，用于根据每个所述孔的轴向方向上的多个扭曲值综合判断所述孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。
优选地，所述识别模块包括：处理单元，用于根据所述剖面图像中各像素的灰度值获得二阶导数处理结果；以及坐标转换单元，基于所述二阶导数处理结果获得所述边界上的多个边界点坐标函数生成单元。
优选地，所述处理单元包括：函数生成子单元，用于根据所述剖面图像的每一行像素的灰度值获得多个单位长度与所述灰度值的函数；以及函数计算子单元，用于对每个所述函数进行二阶导数处理，分别获得每个所述函数的二阶导数，并基于每个所述函数的二阶导数识别每一行像素的边界点。
优选地，所述处理单元还包括：频率过滤子单元，用于对每个所述函数进行高频过滤处理。
优选地，所述检测装置为自动检测装置。
根据本发明实施例的半导体结构的检测方法及其检测装置，通过获取透射电子显微镜输出的半导体结构的剖面图像，可以获得半导体结构的细节特征，像素尺寸一般从几个纳米到几十个纳米，甚至在纳米级以下；通过剖面图像识别每个孔剖面图像的边界坐标并进行椭圆拟合，进一步确定了每个孔的长轴与短轴，将每个孔的长轴与短轴差值作为孔的扭曲值，从而量化了孔的扭曲程度；通过建立建扭曲值与至少一个电学性能参数之间的关系对照表，并根据关系对照表和孔的扭曲值，判断孔对应的电学性能参数是否满足合理范围，达到了量化分析扭曲程度对电学性能影响的目的。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了本发明实施例半导体结构的检测方法的步骤示意图。
图2示出了图1中S01的步骤示意图。
图3示出了图1中S03的步骤示意图。
图4示出了图3中S031的步骤示意图。
图5a示出了沿相同水平方向不同高度的截取剖面图像的示意图。
图5b示出了本发明实施例半导体结构的剖面图像示意图。
图6示出了图5b中局部灰度矩阵示意图。
图7示出了图6的函数图像示意图。
图8示出了对图7进行高频过滤后的函数图像示意图。
图9示出了对图8进行二阶导数处理后的函数示意图。
图10示出了本发明实施例的边界图像示意图。
图11示出了图10中的边界坐标示意图。
图12示出了椭圆拟合示意图。
图13a至13e示出了多个不同的椭圆拟合示意图。
图14示出了本发明实施例的扭曲值与电学性能参数的散点示意图。
图15示出了本发明实施例半导体结构的检测装置的结构示意图。
图16示出了图15中建立模块的结构示意图。
图17示出了图15中识别模块的结构示意图。
图18示出了图17中处理单元的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了本发明实施例半导体结构的检测方法的步骤示意图。
在步骤S01中，建立扭曲值与至少一个电学性能参数之间的关系对照表。该对照表是之后量化分析孔的扭曲程度对电学性能影响的基础。如图2所示，可以通过以下步骤S011至S012来建立对照表。
在步骤S011中，测试每个作为样品的孔的扭曲值对应的孔的电学性能参数，其中，测试每个作为样品的孔的扭曲值的过程可以通过步骤S02至步骤S05进行说明，此处暂不详述。
在步骤S012中，将扭曲值与电学性能参数之间的关系以对照图和/或对照表的形式输出，以便于工作人员可以清楚的了解扭曲值与电学性能参数之间的关系。
在步骤S02中，获取透射电子显微镜(Transmission electron microscope，TEM)输出的半导体结构的剖面图像。
在该步骤中，例如沿半导体结构100的相同水平方向不同高度截取剖面图像，如图5a所示，例如分别沿AA线与BB线分别截取剖面图像，可以获得相同孔101的不同深度的截面图形。其中，为了清楚表达，图5a中仅示出了一个孔101的情况。然而本发明实施例并不显于此，本领域技术人员可以根据需要对半导体中孔的数量进行其他设置。例如该半导体结构为3D存储器，可以包括多个孔101，作为沟道孔或其他深孔结构。
在该步骤中，获得的剖面图像为直接或间接获得的灰度图像，包括至少一个孔的截面图形，截面图形所在平面垂直于孔的轴向，如图5b所示。在实际应用中，可以将晶圆置于透射电子显微镜之下，输出孔的剖面图像。由于晶圆的面积比透射电子显微镜的视野面积大，则透射电子显微镜输出的孔的剖面图像是晶圆中某预设区域的图像。
在步骤S03中，识别孔的多个边界点，获得多个边界点对应的多个边界坐标。由于半导体器件的关键尺寸已经减小到纳米级别，对于测量器件关键尺寸很重要的一个步骤就是获得精确的图形边界，才能为之后的关键尺寸测量提供准确的参数。如图3所示，可以通过以下步骤S031至S032来识别图形的边界。
在步骤S031中，根据剖面图像中各像素的灰度值获得二阶导数处理结果。由于对剖面图像进行二阶导数处理后会突出图像灰度的突变，而不强调灰度缓慢变化的区域，因此对边界的定位能力更强。如图4所示，可以通过以下步骤S031a至S031c来获得二阶导数处理结果。
在步骤S031a中，根据剖面图像的每一行像素的灰度值获得多个单位长度与灰度值的函数。为了清楚起见，本实施例仅截取了剖面图像的一部分进行说明，截取部分参见图5b中白色虚框部分，在下面的说明中会详细描述对白色虚框部分内的图形进行边界提取的步骤。
如图6所示，白色虚框部分的图像由m×n个像素组成，每个像素具有相应的灰度值，分别对每一行灰度值进行扫描，获得多个单位长度与灰度值的函数，例如对图6中虚框中的一行像素进行扫扫描，获得如图7所示的函数，其中，横坐标x的单位是nm，纵坐标y表示单位长度对应该行像素的灰度值。
在一些优选的实施例中，可以对每个像素的灰度值进行扩大，例如均扩大相同的倍数，从而扩大相应的灰度值之间的差值。然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对每个像素对应的灰度值进行不同的处理，例如对灰度值进行反向处理，或者将不同区域的灰度值扩大不同的倍数，目的在于在保留图形特征曲线的情况下，扩大相应的灰度值之间的差值，有利于提高灵敏度。
在步骤S031b中，对每个函数进行高频过滤。在该步骤中，例如对图7中的函数进行高频过滤，获得如图8所示的函数。在进行高频过滤后，可以将图像中的噪声滤除。
在步骤S031c中，对每个所述函数进行二阶导数处理，分别获得每个函数的二阶导数，并基于每个函数的二阶导数识别每一行像素的边界点。在该步骤中，例如先对图8中的函数进行二阶导数处理，获得如图9所示的二阶导数。然后获取预设参数，判断每个二阶导数的多个导数值是否大于预设参数，大于预设参数的导数值对应的像素为边界点。
在本实施例中，可以根据需要对预设值进行相应的调整，获得边界点的数量与预设值的设置有关。
在步骤S032中，基于二阶导数处理结果获得边界上的多个边界点坐标。在该步骤中，需要计算每一行像素的边界点坐标，多个边界点坐标构成图形的边界曲线。之后根据每个二阶导数获得边界图像，如图10所示。
在该步骤中，需要分别将每个导数中的多个导数值转换为灰度，每个导数对应一行像素。由于边界10是由边界点组成，与边界两侧的像素灰度值差值较大，因此可以根据边界图像获得清晰、准确的图形边界。在该步骤中，还需要将边界点坐标以坐标系的形式输出，如图11所示，其中，横纵坐标的单位均为nm。
在步骤S04中，根据多个边界坐标进行椭圆的数值拟合，并获得椭圆的长轴与短轴，如图12所示，其中，拟合的椭圆21与边界坐标组成的不规则图形22相对应，Dmax表示长轴的长度，Dmin表示短轴的长度。
在步骤S05中，计算长轴与短轴的差值。在该步骤中，将差值作为孔的扭曲值。图13a至13e示出了多个不同的椭圆拟合示意图，类似的，计算半导体结构中每个孔的扭曲值。
当计算出作为样品的孔的扭曲值后，执行步骤S011至步骤S012，需要测试每个作为样品的孔的扭曲值对应的孔的电学性能参数，将扭曲值与电学性能参数之间的关系以对照图和/或对照表的形式输出。在一些具体实施例中，电学性能参数包括耦合电压，并且将扭曲值与电学性能参数之间的关系以散点图的形式输出，如图14所示。
在步骤S06中，根据关系对照表和孔的扭曲值，判断孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。当半导体结构中存在多个孔时，可以对每个孔进行编号，批量自动测量每个孔的扭曲值，然后例如以表格的形式输出每个孔的扭曲值，对应对照表依次判断每个孔的电学性能参数是否满足合理范围。
当判断结果为不满足合理范围时，需要改进刻蚀工艺，在具体的刻蚀工艺中，可以调整刻蚀的工艺参数，包括：反应压力、反应时间、反应温度、反应速度、射频功率、气体或液体流量等的一种或多种，从而增大孔的扭曲值满足合理范围的概率，进而优化电学性能。
在步骤S07中，获得孔的不同深度与扭曲值的对应关系。由于在步骤S02中沿半导体结构的相同水平方向不同高度截取剖面图像，从而获得了相同孔101的不同深度的截面图形。将每一个剖面图像经过上述步骤S03至S05进行处理，可以获得相同孔在不同深度的刻痕度，结合对照表进一步对孔的水平方向与垂直方向进行全方位分析，为改善蚀刻工艺提供量化标准。
图15示出了本发明实施例半导体结构的检测装置的结构示意图，图16示出了图15中建立模块的结构示意图，图17示出了图15中识别模块的结构示意图，图18示出了图17中处理单元的结构示意图。
如图15至图18所示，本发明实施例半导体结构的测试装置包括：建立模块110、获取模块120、识别模块130、拟合模块140、计算模块150、第一判断模块160以及第二判断模块170。
建立模块110用于建立扭曲值与至少一个电学性能参数之间的关系对照图和/或对照表。获取模块120用于获取透射电子显微镜输出的半导体结构的剖面图像，包括至少一个孔的截面图形，截面图形所在平面垂直于孔的轴向。识别模块130用于识别孔的多个边界点，获得多个边界点对应的多个边界坐标。拟合模块140用于根据多个边界坐标进行椭圆的数值拟合，并获得椭圆的长轴与短轴。计算模块150用于计算长轴与短轴的差值，将差值作为孔的扭曲值。第一判断模块160用于根据关系对照表和孔的扭曲值，判断孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。第二判断模块170用于根据每个孔的轴向方向上的多个扭曲值综合判断孔对应的电学性能参数是否满足合理范围。
建立模块110包括样品测试单元111与输出单元112。其中，样品测试单元111用于测试每个作为样品的孔的扭曲值对应的孔的电学性能参数。输出单元112用于将扭曲值与电学性能参数之间的关系以对照图和/或对照表的形式输出。
识别模块130包括处理单元131与坐标转换单元132。其中，处理单元131用于根据剖面图像中各像素的灰度值获得二阶导数处理结果。坐标转换单元132基于二阶导数处理结果获得边界上的多个边界点坐标函数生成单元。
处理单元131包括：函数生成子单元1311、频率过滤子单元1312以及函数计算子单元1313。其中，函数生成子单元1311用于根据剖面图像的每一行像素的灰度值获得多个单位长度与灰度值的函数。频率过滤子单元1312用于对每个函数进行高频过滤处理。函数计算子单元1313用于对每个函数进行二阶导数处理，分别获得每个函数的二阶导数，并基于每个函数的二阶导数识别每一行像素的边界点。
通过本发明实施例半导体结构的测试装置自动对半导体结构进行检查，实现上述检测方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例的半导体结构的检测方法及其检测装置，通过获取透射电子显微镜输出的半导体结构的剖面图像，可以获得半导体结构的细节特征，像素尺寸一般从几个纳米到几十个纳米，甚至在纳米级以下；通过剖面图像识别每个孔剖面图像的边界坐标并进行椭圆拟合，进一步确定了每个孔的长轴与短轴，将每个孔的长轴与短轴差值作为孔的扭曲值，从而量化了孔的扭曲程度；通过建立建扭曲值与至少一个电学性能参数之间的关系对照表，并根据关系对照表和孔的扭曲值，判断孔对应的电学性能参数是否满足合理范围，达到了量化分析扭曲程度对电学性能影响的目的。
由于半导体结构的检测装置是自动完成对半导体结构进行检测的，因此提高了测量的效率和可靠性。
在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。