本公开涉及半导体检测技术领域，尤其涉及一种用于半导体器件的激光辅助的电子束检测设备和方法，特别是用于对半导体器件cmos集成电路的缺陷进行检测的电子束检测装置和方法。
背景技术：
近年来，在半导体产业中，电子束检测装置例如扫描电镜通常被用于芯片缺陷的检测，例如对于cmos集成电路的中的开路缺陷(诸如cmos与接触孔断开)和短路缺陷的检测。
例如，对于cmos型集成电路，cmos与接触孔断开是最常见的缺陷之一。一个cmos型集成电路例如包括两种基本类型单元，即nmos和/或pmos，并且在相关技术中通常采用以下方式检测cmos与接触孔断开这种缺陷：电子束检测装置处于正充电模式，即二次电子产率大于1的情况下，此时pmos中的pn结处于正向导通状态，相应的金属接触孔节点上正电荷累积，二次电子产率维持不变。反之，若此pn结或连接的路径有开路，则会有电荷积累，其会对该节点上产生的二次电子有吸引作用，导致有效产率降低，表现为开路缺陷处所呈现出的图像比连接完好位置处的图像更暗，此时可以区分pmos中的开路连接缺陷。然而，在正充电模式下，nmos中的pn结处于反偏状态，由此无论nmos是否与其对应接触孔连接，其上的电荷均无法流走，因此根据由所述电子束检测装置检测到的与nmos对应的金属接触孔的图像难以区分正常连接的金属孔和断路连接缺陷，容易造成误判。由此，仅在正充电模式下，无法有效地区分与nmos对应的金属接触孔是否存在断路的连接故障。
作为对比的是，在这种电子束检测装置处于负充电模式(例如通过提高扫描电子束的能量而实现)的情况下，即二次电子产率小于1的情况下，根据以上类似原理，仅可以检测nmos中的开路缺陷，表现为nmos中开路缺陷处所呈现的图像比连接完好位置处的图像更亮，但无法有效地区分与pmos对应的金属接触孔是否存在断路的连接故障。
且作为另一对比的是，在这种电子束检测装置施加强的电场使nmos的pn结反向击穿的情况下，能使得nmos上累计的电荷可以流走，由此显然能够检测与所述nmos对应金属接触孔是否存在断路的连接故障。但强电场的引入带来设计上的困难和器件永久性损伤的风险。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了用于检测半导体器件的激光辅助的电子束检测设备和方法。
为实现上述目的，所述技术方案如下：
根据本公开的第一方面，提供了一种用于半导体器件的激光辅助的电子束检测设备，包括电子束检测装置和激光照射装置。所述电子束检测装置包括：电子束源，被配置成发射入射电子束；偏转器，被配置成偏转电子束投射至半导体器件的待测表面；和电子检测器，被配置成检测由入射电子束投射至所述待测表面而产生的出射电子。以及所述激光照射装置包括：激光源，被配置成产生激光；和引导装置，被配置成引导激光投射到半导体器件，其中，投射的激光在半导体器件的cmos的pn结上经由光伏效应改变出射电子，使得在所述电子检测器正常工作状态下所述半导体器件的cmos中的pmos的pn结处于正偏状态且nmos的pn结由于光伏效应而被短路处于导通状态。
根据本公开的实施例，所述引导装置包括：光束整形器，被配置成对所述激光进行整形以形成均匀化的所需形状的激光光斑；和第一反射件，位于所述光束整形器下游且被配置成接收经整形的激光并将其以预定角度范围反射到所述待测表面。
根据本公开的实施例，所述引导装置还包括：折返光学装置，被配置成接收来自所述待测表面的出射激光并且将其往回反射形成折返激光；和第二反射件，被布置在所述待测表面与所述折返光学装置之间，且被配置成将来自所述待测表面的出射激光朝向所述折返光学装置反射并且还将来自所述折返光学装置的折返激光反射到所述待测表面。
根据本公开的实施例，所述光束整形器包括：第一排微透镜阵列，所述第一排微透镜阵列包括在与所述激光源发射的激光的光轴方向正交的方向上串联的多个微透镜，且被配置成对激光进行均匀化。
根据本公开的实施例，所述光束整形器还包括：第二排微透镜阵列，所述第二排微透镜阵列包括在与所述激光源发射的激光的光轴方向正交的方向上串联的多个微透镜，布置于所述第一排微透镜阵列下游、并且被配置成充当场镜。
根据本公开的实施例，所述光束整形器还包括：第一透镜，所述第一透镜布置于所述第二排微透镜阵列与第一反射件之间，且将经整形的激光朝向第一反射件会聚。
根据本公开的实施例，所述引导装置还包括：散射件，位于所述第二排微透镜阵列与所述第一透镜之间。
根据本公开的实施例，所述第一透镜是傅里叶透镜，且被配置用以将来自所述光束整形器的激光光斑在所述傅里叶透镜的后焦面上形成所需大小的光斑。
根据本公开的实施例，所述光束整形器包括：成对的柱面透镜，呈同轴地布置且被配置成对激光进行均匀化。
根据本公开的实施例，所述成对的柱面透镜是正交的。
根据本公开的实施例，所述光束整形器还包括：第一透镜，所述第一透镜布置于所述成对的柱面透镜与第一反射件之间，且将经整形的激光朝向第一反射件会聚。
根据本公开的实施例，所述引导装置还包括：散射件，位于所述成对的柱面透镜与所述第一透镜之间。
根据本公开的实施例，所述光束整形器包括：匀光板和复眼透镜中的至少一个。
根据本公开的实施例，所述光束整形器还包括：准直透镜，布置于所述激光源与所述第一排微透镜阵列之间，且被配置用以对激光进行准直。
根据本公开的实施例，所述折返光学装置包括：角锥透镜；和第二透镜，被布置在所述第二反射件与所示角锥透镜之间，并且所述角锥透镜被配置成将从所述第二反射件反射并继而透射穿过所述第二透镜的出射激光改变光束位置和入射角之后再往回透射经过所述第二透镜以朝向所述第二反射件传播；且所述第二透镜被配置成将从第二反射件朝向所述折返光学装置反射的出射激光会聚至所述角锥棱镜。
根据本公开的实施例，所述角锥透镜被构形为关于其光轴对称的、且与所述第二透镜同轴布置，且被配置将从所述第二反射件朝其反射的出射激光关于其光轴对称地往回朝向所述第二反射件反射。
根据本公开的实施例，所述折返光学装置是反射镜。
根据本公开的实施例，朝向所述半导体器件投射的激光被投射到所述待测表面。
根据本公开的实施例，所述出射电子包括由入射电子束投射至所述待测样品而产生的二次电子和背散射电子中的至少一种。
另外，根据本公开的另一方面，提供了一种用于半导体器件的激光辅助的电子束检测方法，其使用根据前述电子束检测设备来在所述电子检测器正常的工作状态下同时检测分别与pmos和nmos对应的金属接触孔是否存在断路的连接故障。
附图说明
现在参照随附的示意性附图，仅以举例的方式，描述本公开的实施例，其中，在附图中相应的附图标记表示相应的部件。附图的简要描述如下：
图1示出根据本公开实施例的电子束检测设备的示意正视图；
图2示出如图1所示的电子束检测设备的结构示意图；
图3示出根据本公开一个实施例的如图1和2所示的电子束检测设备中的光束整形器的结构示意图；
图4示出根据本公开另一个实施例的如图1和2所示的电子束检测设备中的光束整形器的结构示意图；和
图5示出根据本公开一个实施例的如图1和2所示的电子束检测设备中的折返光学装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本公开的技术方案通过实施例结合附图的方式进行进一步的详细解释。在说明书中，相同或相似的附图标记和字母指示相同或相似的部件。参照附图对本公开实施例的以下说明旨在对本公开的总体发明构思进行解释，不应当理解为对本公开的一种限制。
附图被用于说明本公开的内容。附图中各部件尺寸和形状不反映用于半导体器件的激光辅助的电子束检测设备的部件的真实比例。
首先阐述本公开基于的工作原理。
在本公开实施例中，在电子束检测装置处于正充电模式的正常工作状态的情况下，通过利用一束额外的激光束照射待测的半导体器件样品来引发光生伏特效应(下文简称光伏效应)以改变出射电子。具体地，光生伏特效应调制nmos的i-v曲线，造成nmos表面的电势(该电势是由样品的充电效应产生的)发生下降，最终改变出射电子。由此，投射的激光在半导体器件的cmos的pn结上经由光伏效应改变出射电子，使得在所述电子检测器正常工作状态下所述半导体器件的cmos中的pmos的pn结处于正偏状态且nmos的pn结由于光伏效应而被短路处于导通状态。由于光伏效应导致其中的nmos上累积的电荷能够经由与其连接完好的对应金属接触孔而导通流走，由此实现仅需一次在正充电模式的正常工作状态下的单一检测过程即可同时检测分别与pmos和nmos对应的金属接触孔是否存在断路的连接故障。在本公开的进一步实施例中，相应地需要降低待测半导体器件样品对于激光束的反射造成的光能损失以提高激光光能的利用率；并且在实践中还需考虑到，在将激光源置于电子束检测设备内的情况下由于设备的内部结构所造成的空间限制导致的激光通常倾斜入射和继而投射到样品表面的有效照射区域内的激光光斑的形状变化、以及激光光束为高斯分布的固有属性而导致样品表面的有效照射区域内的激光光斑不均匀，这又相应需要对朝向样品表面的有效照射区域透射的激光束的整形。
图1示出根据本公开实施例的电子束检测设备的示意正视图；且图2示出如图1所示的电子束检测设备的结构示意图。
由此，根据本公开实施例的总体技术构思，如图1和2所示，在本公开实施例的一方面中，提出了一种用于半导体器件(作为待测样品)的激光辅助的电子束检测设备1，包括充当主要组件的电子束检测装置10和充当辅助组件以利用激光照射待测的样品表面来引发光伏效应的激光照射装置20。具体地，所述电子束检测装置10例如图示为包括：电子束源110，被配置成发射入射电子束；偏转器120，被配置成偏转电子束投射至半导体器件的待测表面；和电子检测器130，被配置成检测由入射电子束投射至所述待测表面而产生的出射电子(例如包括背散射电子和二次电子)。并且，所述激光照射装置20例如包括：激光源210，被配置成产生激光；和引导装置220，被配置成引导激光投射到半导体器件，其中，投射的激光在半导体器件的pn结上经由光伏效应产生电动势以改变出射电子，使得在所述电子检测器正常的工作状态下所述半导体器件的cmos中的pmos的pn结处于正偏状态且nmos的pn结由于光伏效应而被短路处于导通状态。由此，则能够实现在所述电子检测器正常的工作状态下同时检测分别与pmos和nmos对应的金属接触孔是否存在断路的连接故障。
如图1所述，图1中的箭头表示相关技术中例如从电子束检测设备外部朝向待测样品表面倾斜地入射的激光束；而如图1中的激光照射装置20所示，其包括在整个电子束检测设备的整体结构内，例如位于产生电子束的系统的整体腔体内部，即采用了内光路设计，从而能够使得激光束在所述设备内部入射到样品表面上的角度更小。根据菲涅尔公式，光束入射角较小时，反射率更低，硅片对光能量吸收更大，更有利于产生光电效应，提高了光能利用率。
在本公开的实施例中，例如，如图2所示，所述引导装置220包括：光束整形器2201,2201’和第一反射件2202，所述光束整形器2201,2201’被配置成对所述激光进行整形以形成均匀化的所需形状的激光光斑；和第一反射件2202，位于所述光束整形器2201,2201’下游且被配置成接收经整形的激光并将其以预定角度范围反射到所述待测表面。
在本公开的进一步实施例中，如图2所示，所述引导装置220例如包括：光束整形器2201,2201’，被配置成对所述激光进行整形以形成均匀化的所需形状的激光光斑；和第一反射件2202，位于所述光束整形器2201,2201’下游且例如相对于所述光束整形器2201,2201’的光轴和所述待测样品的表面都成角度布置，且被配置成接收经整形的激光并将其以预定角度范围反射到所述待测表面。由几何光学关系得知，例如，在所述激光源发出的激光束的光轴水平的情况下，所述第一反射件2202例如为相对于水平方向倾斜布置的平面反射镜，或凹面镜。如果作为第一反射件2202的平面反射镜相对于水平方向的倾斜角为θ，则由于几何光学关系可知，激光束在所述平面镜形式的第一反射件2202上的入射角β＝90°-θ，而激光束仅所述第一反射件2202反射后再朝向水平方向的样品表面入射的入射角α＝90°-2θ,由此可知，第一反射件2202相对于水平方向的倾斜角θ越大，则激光束在待测样品处的入射角α越小，即该处对于激光束的反射率越低，即该处硅片对光能量吸收更大，更有利于产生光电效应，提高了光能利用率。
所述第一反射件2202也例如选择为反射型激光扩束镜，便利于扩展激光束直径和压缩发散角。
通过对入射到待测样品上的激光束进行整形，能够增强激光束在待测样品上形成的光斑的照射均匀性，并且便于改善由于激光束朝向待测样品倾斜地入射而导致的激光光斑变形进而能够提高单位照射面积内的光能量，由此有利于提高光能利用率。
在本公开的再进一步实施例中，如图2所示，所述引导装置220例如还包括：折返光学装置2204，被配置成接收来自所述待测表面的出射激光并且将其往回反射形成折返激光；和第二反射件2203，被布置在所述待测表面与所述折返光学装置2204之间，且被配置成将来自所述待测表面的出射激光朝向所述折返光学装置2204反射并且还将来自所述折返光学装置2204的折返激光反射到所述待测表面。
所述第二反射件2203例如用于收集从样品反射光束，同时将折返回路的光束以另一个角度入射到样品表面同一有效位置，并且例如优选为使得折返回路的光束入射到样品表面上之后不再在该处被反射朝向激光源210，由此使得初次入射的激光束和折返的激光束之间发生的干扰最小化。
所述第二反射件2203也例如选择为反射型激光扩束镜，便利于扩展激光束直径和压缩发散角。
通过在所述电子束检测设备1的所述激光照射装置20中额外设置所述位于所述待测样品下游的折返光学装置2204，便利了通过由此形成的激光折返回路来重复利用反射激光能量，也有利于提供激光光能利用率。
图3示出根据本公开一个实施例的如图1和2所示的电子束检测设备中的光束整形器2201的结构示意图。
在本公开的具体实施例中，如图3所示，例如，所述光束整形器2201包括第一排微透镜阵列22010，所述第一排微透镜阵列22010包括在与所述激光源210发射的激光的光轴方向(图3示出为水平方向)正交的方向(图3示出为竖直方向)上串联的多个微透镜，且被配置成对激光进行均匀化，即将入射到其上的激光束分割成均匀化的多个子光束。
进一步地，如图3所示，所述光束整形器2201例如还包括第二排微透镜阵列22011，所述第二排微透镜阵列22011包括在与所述激光源210发射的激光的光轴方向正交的方向上串联的多个微透镜，布置于所述第一排微透镜阵列22010下游、并且被配置成充当用于实现光路转折的作用的场镜以提高激光的边缘光束的入射和增加入射通量以及进一步均化激光。
更进一步地，如图3所示，所述光束整形器2201例如还包括作为聚焦透镜的第一透镜22012，所述第一透镜22012被布置于所述第二排微透镜阵列22011与第一反射件2202之间，且将经所述第一排微透镜阵列22010和所述第二排微透镜阵列22011整形的激光的各个子光束朝向第一反射件2202会聚为组合光束。
例如，所述第一透镜是傅里叶透镜，且被配置用以将来自所述光束整形器的激光光斑在所述傅里叶透镜的后焦面上形成所需大小的光斑。
另外，例如，如图3所述，所述光束整形器2201还例如包括准直透镜22013，布置于所述激光源210与所述第一排微透镜阵列22011之间，且被配置用以对从激光束210朝向所述光束整形器2201内入射的激光进行准直。经过输送准直透镜22013后，输出光束例如为椭圆光，该输出光束的光斑形状与所述第一排微透镜阵列22010和第一反射件2202配合，可以使入射到待测样品上的光斑为需要的形状，例如正方形或圆形。
在额外的实施例中，例如，所述引导装置220还例如选择性包括散射件，其位于所述第二排微透镜阵列22011与所述第一透镜22012之间，以使得经所述第一排微透镜阵列22010和所述第二排微透镜阵列22011整形的各个子光束在进入第一透镜22012实现会聚之前充分地发散扩束以利于子光束的后续混合。
由此，通过上述设置，基于微透镜阵列进行匀光整形，使得经整形而成的朝向第一反射件2202投射并继而朝向待测样品表面反射的激光束光斑内的能量分布接近平顶分布，由此使得光束平坦、能量分布均匀。由此激光束对于待测样品上的有效照射区域的光伏作用也是均匀的，便于在整个有效照射区域上同时实现对于分别与pmos和nmos对应的金属接触孔是否存在断路的连接故障的检测。
图4示出根据本公开另一个实施例的如图1和2所示的电子束检测设备中的光束整形器2201’的结构示意图。
在本公开的另一替代的具体实施例中，如图4所示，例如，所述光束整形器2201’包括成对的柱面透镜，它们呈同轴地布置且被配置成对激光进行均匀化。更具体地，例如，所述成对的柱面透镜是正交的。
例如，图4示出一对柱面透镜，其中位于上游的柱面透镜22014被配置用于准直y轴方向光束，相应地，位于下游的柱面透镜22015被配置用于准直x轴方向光束；或替代地，于上游的柱面透镜22014被配置用于准直x轴方向光束，相应地，位于下游的柱面透镜22015被配置用于准直y轴方向光束。换言之，它们二者是正交设置的。
在进一步的实施例中，所述光束整形器2201’还包括第一透镜22016，所述第一透镜22016布置于所述成对的柱面透镜22014、22015与第一反射件2202之间，且将经整形的激光朝向第一反射件会聚以继而将光束成像到待测样品的表面上。
在此实施例中，激光源210、柱面透镜22014、柱面透镜22015、第一透镜22016和第一反射件2202配合，可以使入射到待测样品上的光斑为需要的形状，例如圆形、长方形或椭圆形。
在此实施例中，所述引导装置220还例如包括散射件，其位于位于所述成对的柱面透镜22014、22015与所述第一透镜22016之间，以使得经所述成对的柱面透镜整形的光束在进入第一透镜22016之前充分地发散扩束以利于子光束的后续混合。
由此，通过上述设置，基于彼此正交排列的成对的(例如两个，即一对)柱面透镜进行激光束整形，光斑形状的调整更加灵活。
在本公开的替代的实施例中，所述光束整形器还例如选择为包括匀光板和复眼透镜中的至少一个。
图5示出根据本公开一个实施例的如图1和2所示的电子束检测设备中的折返光学装置的结构示意图。
根据本公开的实施例，所述折返光学装置2204例如包括：角锥透镜22042和第二透镜22041，所述第二透镜22041被布置在所述第二反射件2203与所示角锥透镜之间，并且所述角锥透镜22042被配置成将从所述第二反射件2203反射并继而透射穿过所述第二透镜22041的出射激光改变光束位置和入射角之后再往回透射经过所述第二透镜22041以朝向所述第二反射件2203传播；且所述第二透镜22041被配置成将从第二反射件2203朝向所述折返光学装置2204反射的出射激光会聚至所述角锥棱镜22042。简言之，即，在所述折返光学装置2204中，所述第二透镜22041将发散的反射光聚焦为平行光束入射到角锥棱镜22042，同时将角锥棱镜22042反射回的光束聚焦；进而，角锥棱镜22042将光束进行反射，改变光束位置和入射角后返回到所述第二透镜22041光轴的另一侧。
优选地，所述角锥透镜22042被构形为关于其光轴对称的、且与所述第二透镜22041同轴布置，且被配置将从所述第二反射件2203朝其反射的出射激光关于其光轴对称地往回朝向所述第二反射件2203反射。
在替代的实施例中，所述角锥棱镜22042也例如可由反射镜组代替，例如反射式扩束镜。
由此，通过上述设置，激光的光路中同时增加了利用反射光能量的折返回路，有利于充分利用激光能量。
如上所述的实施例中，优选地，例如，朝向所述半导体器件投射的激光被投射到将要由电子束扫描的所述待测样品的待测表面。
由于本公开的实施例的构思主旨在于，利用入射到待测样品上的激光束来激发光伏效应，因而可知，激光束所投射到的待测样品的表面未必需要一定限定为将要由电子束扫描的待测表面；替代地，具体例如，投射到半导体器件上的激光被投射到所述半导体器件的与所述待测表面背离的表面上、且激光的波长被选择为使得激光在半导体器件内侵彻至足以对所述待测表面附近的pn结引发光伏效应的深度。
并且，在根据本公开的实施例中，例如，对于所述电子束检测装置而言，典型地，由其电子检测器130所检测的所述出射电子包括由入射电子束投射至所述待测样品而产生的二次电子和背散射电子中的至少一种。
本公开实施例的技术方案概括如下：
1.本公开实施例的激光照射装置20位于电子束检测设备1的腔体内部，由此，入射到样品上的角度更小，硅片对光能量吸收更大，更有利于产生光电效应，提高光能利用率。
2.本公开实施例的激光照射装置20由激光源210，和引导装置220(包括光束整形器220，第一反射件2202，第二反射件2203和折返光学装置2204)构成，待测样品位于第一和第二反射件之间。
3.本公开实施例的激光照射装置20采用光束整形器2201,2201’对入射光束进行整形，达到在待测样品表明光斑形状为指定形状的目的；
4.本公开实施例的激光照射装置20采用折返光学装置2204来实现对于反射光能量的二次利用，进一步提高光能利用率；
5.本公开实施例的激光照射装置20中的基于微透镜阵列的光束整形器2201中，采用基于微透镜阵列的匀光系统，提高激光照射的均匀性和光能利用率；
6.本公开实施例的激光照射装置20的基于微透镜阵列的光束整形器2201中，微透镜阵列形式不同会导致光斑形状不同，便利于光斑的设置；
7.本公开实施例的激光照射装置20的基于柱面透镜的光束整形器2201’中，柱面透镜焦距和两者之间距离不同会导致光斑形状不同，便利于光斑的设置。
由此，本公开实施例具备如下优越的技术效果：
本公开实施例提出了一种用于提高电子束检测中用于在半导体样品中激励出光伏效应的激光照射的光能利用率和照明均匀性的方法。该方法通过设计特定的光束整形光路，改善了由于倾斜入射带来的光斑变形问题，能够提高照射面积内的光能量。在具体光路中同时增加了利用反射光能量的折返回路，有利于充分利用激光能量。同相关技术相比，本公开实施例采用内光路设计，即光路位于整个电子束检测设备的腔体内，使光束以较小的入射角入射硅片。根据菲涅尔公式，光束入射角较小时，反射率更低，硅片对光能量吸收更大，更有利于提高光能利用率，产生光电效应。本公开实施例具体提出两种光束整形方案：一种采用微透镜阵列进行匀光整形，光斑内能量分布接近平顶分布，进一步提高了光斑内能量均匀性；一种采用垂直排列的两柱透镜组进行整形，光斑形状的调整更加灵活。
在本公开实施例的另一方面中，提供一种用于半导体器件的激光辅助的电子束检测方法，其使用根据前述的电子束检测设备来在所述电子检测器正常的工作状态下同时检测分别与pmos和nmos对应的金属接触孔是否存在断路的连接故障。其具体内容和相应的技术效果不再赘述。
另外，根据前述的本公开实施例可以理解，经由任意两种或两种以上的组合的任何技术方案，也落入本公开的保护范围内。
需要理解的是，本公开的说明书中方位术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等，是用来解释附图所示的方位关系。这些方位术语不应解释为对本公开保护范围的限制。
本公开的实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。