用于檢測(cè)三維結(jié)構(gòu)的缺陷的光學(xué)方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及光學(xué)檢查/測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，并且涉及用于檢測(cè)三維結(jié)構(gòu)(諸如半導(dǎo)體晶片)的缺陷的光學(xué)方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，縮小裝置尺寸已經(jīng)成為越來(lái)越復(fù)雜的任務(wù)。已知通過(guò)以下方法可克服這些困難:使用多個(gè)半導(dǎo)體裝置(芯片)的垂直集成，從而允許實(shí)現(xiàn)每單位上較大數(shù)量的裝置(例如，在存儲(chǔ)器應(yīng)用中)或不同功能的芯片的集成，從而允許實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)(例如傳感器、處理器和存儲(chǔ)器)的更好性能。被稱(chēng)為硅通孔(TSV)的技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于多個(gè)半導(dǎo)體裝置的垂直集成。TSV是用以創(chuàng)建3D封裝和3D集成電路的高性能技術(shù)(與其替代品相比，諸如封裝疊加)，這是因?yàn)橥椎拿芏雀咔疫B接的長(zhǎng)度更短。根據(jù)TSV，導(dǎo)電支柱形成于硅襯底內(nèi)，以后將用于接觸連續(xù)芯片。TSV技術(shù)提供不同層的組件之間的電互連，并且還提供機(jī)械支撐。在TSV技術(shù)中，通孔通過(guò)半導(dǎo)體工藝被制造在不同有源集成電路裝置或其它裝置的硅芯片，且通孔填充有金屬(諸如Cu、Au、W)、焊料，或高摻雜的半導(dǎo)體材料，諸如多晶硅。然后設(shè)有這種通孔的多個(gè)組件被堆疊并粘合在一起。
[0003]TSV工藝中的關(guān)鍵步驟是通孔形成的步驟，其中接觸件的圖案被蝕刻到硅中。為了維持所需通孔質(zhì)量，重要的是控制通孔的深度和輪廓兩者。
[0004]W02012/098550(已轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人)公開(kāi)了用于測(cè)量具有通孔的圖案化結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)被配置并可操作以實(shí)現(xiàn)通孔輪廓參數(shù)的測(cè)量。所述系統(tǒng)包括用于將照射光傳播到被測(cè)量的結(jié)構(gòu)的照射通道、用于收集從照射結(jié)構(gòu)返回到檢測(cè)單元的光的檢測(cè)通道，和被構(gòu)造并可操作為通過(guò)執(zhí)行以下操作中的至少一種操作來(lái)實(shí)施暗視野檢測(cè)模式的調(diào)節(jié)組件:影響沿照射通道和檢測(cè)通道中的至少一個(gè)傳播的光的至少一個(gè)參數(shù)；影響沿至少檢測(cè)通道的光的傳播。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本領(lǐng)域需要一種用于監(jiān)控TSV工藝的新技術(shù)。這與在該工藝中可產(chǎn)生通孔的缺陷的事實(shí)相關(guān)聯(lián)，且相應(yīng)地為了維持所需通孔質(zhì)量，有必要檢測(cè)有缺陷的通孔。本發(fā)明提供了用于基于光反射測(cè)量法(reflectometry)檢測(cè)通孔缺陷的新穎方法和系統(tǒng)。應(yīng)指出，雖然下面的描述具體指TSV，但是本發(fā)明的原理也可用于檢測(cè)由蝕刻硅層之外的任何技術(shù)產(chǎn)生的凹槽/通孔的缺陷。可由本發(fā)明的技術(shù)檢查缺陷的通孔是高長(zhǎng)徑比(aspect rat1)通孔，即深而窄的通孔，TSV是這種類(lèi)型的通孔的具體的非限制性實(shí)例。
[0006]TSV由深硅蝕刻產(chǎn)生，從而在長(zhǎng)徑比硅中產(chǎn)生具有高長(zhǎng)徑比的垂直孔。通孔(通孔直徑)的典型橫截面尺寸在1-50 μ m的范圍內(nèi)，且深度高達(dá)200 μ m，假設(shè)長(zhǎng)徑比高達(dá)20:1。重要的是檢測(cè)通孔的任何缺陷，因?yàn)槿毕菘赡茉谏院蟮闹圃觳襟E中引起TSV的有缺陷的覆蓋和/或填充(在隨后的制造步驟中導(dǎo)致不當(dāng)涂層和沉積處理)，以及可能會(huì)引起TSV(填充有銅)和硅襯底之間的電短路，最終使整個(gè)裝置無(wú)法使用。檢測(cè)這樣的缺陷對(duì)于芯片的未來(lái)功能具有決定性的重要作用并且因此具有顯著工業(yè)利益。
[0007]及時(shí)檢測(cè)的缺陷類(lèi)型的實(shí)例與在通孔底部形成尖峰(spike)有關(guān)。在這方面，參考圖1，其示意示出帶有底部缺陷的TSV的橫截面。
[0008]表征這種通孔(即具有高長(zhǎng)徑比幾何形狀的凹槽)的一種可能方法是通過(guò)頻譜反射測(cè)量法。在該技術(shù)中，寬波段光從頂部聚焦在晶片(一般是圖案化結(jié)構(gòu))的含通孔區(qū)域上，并從通孔的內(nèi)表面(主要從通孔底部)和晶片頂表面反射。依賴(lài)于波長(zhǎng)的反射由從晶片上的照射區(qū)域的不同部分反射的光的干涉特性來(lái)確定。
[0009]從通孔表面和晶片頂表面反射的寬波段光之間的干涉可被表達(dá)為含通孔區(qū)域的給定深度通孔的頻譜特征。照射的含通孔區(qū)域的這種頻譜特征被表征為一個(gè)或多個(gè)參數(shù)(諸如振蕩，例如快速振蕩)，并且可以例如由下式描述:
[0010]A (k) ^ A0 (k) +A1 (k) cos (2Dk) (I),
[0011]其中A反射頻譜，k = 2 31 / λ是光波數(shù)，Aci和A^k的慢變化函數(shù)，主要是由從晶片頂部和通孔底部界面的反射強(qiáng)度確定，且D是通孔深度。
[0012]等式⑴中的第二項(xiàng)A1GOcosODk)是振蕩項(xiàng)，這是從晶片頂表面和通孔的內(nèi)表面(例如通孔底部)反射的光部分之間的干涉(interference)的直接結(jié)果。頻譜振蕩具有k的特定周期，由2D給出。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，這些振蕩被用作通孔表面的質(zhì)量的直接量度。為了從通孔表面反射顯著信號(hào)，以便產(chǎn)生頻譜振蕩，通孔的內(nèi)表面(特別是其底表面)是沒(méi)有缺陷的平滑和清晰表面。
[0014]一般而言，通孔中(例如底部區(qū)域)的任何缺陷顯著改變圖案化結(jié)構(gòu)的含通孔區(qū)域的波長(zhǎng)相關(guān)反射(頻譜響應(yīng))，即與非缺陷含通孔區(qū)域的頻譜特征相比引起頻譜響應(yīng)的至少一個(gè)參數(shù)的可檢測(cè)變化，例如引起振蕩可視性的嚴(yán)重退化。這可在所測(cè)量的反射信號(hào)中識(shí)別。例如，信號(hào)的強(qiáng)快速振蕩對(duì)應(yīng)于與通孔表面和晶片頂面的干涉分量，而來(lái)自其內(nèi)部具有缺陷的通孔的反射測(cè)量信號(hào)缺少這些振蕩，或者至少它們可視性急劇受損。
[0015]量化這種振蕩的可視性的一種方式是通過(guò)測(cè)量的頻譜分析。這樣的分析提供數(shù)據(jù)的典型頻率的存在的量化測(cè)量。用于這樣的分析非常普遍的工具是傅立葉變換，其中振蕩在傅立葉頻譜產(chǎn)生明顯尖峰。該峰的位置由振動(dòng)頻率(其(如所述)由TSV深度決定來(lái)確定)確定。使用傅立葉變換量化快速振蕩的可視性的方法當(dāng)然僅僅是頻譜分析的許多可能方法中的一種。其它方法，諸如用于諧波分解的Pisarenko和MUSIC算法、Welch、Yule-Walker和Burg算法，本征向量頻譜分解等等。人們可使用任何這樣的方法來(lái)識(shí)別和定量測(cè)量信號(hào)中的快速頻率的存在，對(duì)應(yīng)于與通孔深度相一致的值。當(dāng)然，僅需要通孔深度的非常粗略的估計(jì)，以便識(shí)別這樣的頻率預(yù)期所在的合理范圍。
[0016]可為孤立結(jié)構(gòu)或相似元件的點(diǎn)陣(lattice)實(shí)施所提出的方法。
[0017]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)廣泛方面，提供了用于含通孔結(jié)構(gòu)的檢查的方法。所述方法包括:
[0018]接收指示測(cè)量的含通孔區(qū)域的頻譜響應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0019]處理和分析所述頻譜響應(yīng)數(shù)據(jù)，并且在識(shí)別頻譜響應(yīng)的至少一個(gè)參數(shù)相對(duì)于含通孔區(qū)域的頻譜特征的變化時(shí)，生成指示所述區(qū)域中的通孔的內(nèi)表面上的可能缺陷的輸出數(shù)據(jù)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了用于含通孔結(jié)構(gòu)的檢查的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，其用于接收指示所測(cè)量的含通孔區(qū)域的頻譜響應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)；以及處理分析設(shè)備，其用于處理頻譜響應(yīng)數(shù)據(jù)，并且在識(shí)別到頻譜響應(yīng)的至少一個(gè)參數(shù)相對(duì)于含通孔區(qū)域的頻譜特征的變化時(shí)，生成指示所述區(qū)域中的通孔中的可能缺陷的輸出數(shù)據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]為了更好地理解本文公開(kāi)的主題并舉例說(shuō)明其如何可在實(shí)踐中實(shí)施，現(xiàn)在將參考附圖僅通過(guò)非限制實(shí)例的方式描述實(shí)施例，其中:
[0022]圖1示意地示出具有底部缺陷的TSV的橫截面；
[0023]圖2是本發(fā)明的檢查系統(tǒng)的框圖；
[0024]圖3示意地示出在結(jié)構(gòu)的含通孔區(qū)域上測(cè)量的反射系統(tǒng)的光傳播方案；
[0025]圖4A和圖4B用圖形示出用于在通孔中沒(méi)有缺陷(圖4A)和具有缺陷(圖4B)的TSV的測(cè)量反射頻譜的實(shí)例；和
[0026]圖5用圖形示出用于圖4A和圖4B所示的數(shù)據(jù)的基于傅立葉變換的分析。
【具體實(shí)施方式】
[0027]圖1示意地示出在其中具有缺陷的TSV的橫截面。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通孔的內(nèi)表面(例如在其底部上)的這樣缺陷可通過(guò)使用頻譜反射測(cè)量有效地檢測(cè)，其中所測(cè)量數(shù)據(jù)表征從通孔的內(nèi)表面與晶片表面反射的光之間的干涉。這是因?yàn)?，通過(guò)在通孔中的任何缺陷顯著改變頻譜響應(yīng)(與不具有通孔缺陷的相同區(qū)域的頻譜特征比較)，例如改變反射信號(hào)的幅度，并引起信號(hào)的頻譜振蕩的嚴(yán)重退化。
[0028]參考圖2，其示出用于在位于支撐臺(tái)12的晶片W(構(gòu)成圖案化結(jié)構(gòu))上測(cè)量的本發(fā)明中的測(cè)量系統(tǒng)10的框圖。系統(tǒng)10被配置且可操作為頻譜反射系統(tǒng)，用于測(cè)量來(lái)自晶片的光的波長(zhǎng)相關(guān)的反射。系統(tǒng)10包括主要結(jié)構(gòu)部件，諸如測(cè)量單元14和控制單元16。
[0029]測(cè)量單元14可被配置為在一個(gè)或多個(gè)測(cè)量模式中操作，其中至少一個(gè)是明場(chǎng)模式。在本非限制實(shí)例中，系統(tǒng)被示出用于利用法線(xiàn)入射光傳播方案進(jìn)行明場(chǎng)測(cè)量。
[0030]然而，應(yīng)理解，系統(tǒng)不限于法線(xiàn)入射配置也不限于僅使用明場(chǎng)模式。測(cè)量單元可被設(shè)置為通過(guò)進(jìn)行明場(chǎng)和暗場(chǎng)測(cè)量模式中的一種或或兩者或所謂的“灰場(chǎng)”模式來(lái)監(jiān)控各種通孔輪廓參數(shù)?；覉?chǎng)檢測(cè)模式呈現(xiàn)用于光響應(yīng)信號(hào)的預(yù)定組合的暗和明場(chǎng)檢測(cè)情況，例如，諸如以提供從結(jié)構(gòu)的頂表面鏡面反射的光的強(qiáng)度和從通孔的內(nèi)表面返回的光的強(qiáng)度之間的預(yù)定比率。
[0031]如圖2所示，測(cè)量單元14包括光源單元18、光導(dǎo)組件20和檢測(cè)單元22。光源是產(chǎn)生用于晶片W上的照射區(qū)域的多個(gè)波長(zhǎng)的光束B(niǎo)1的寬波段源，且檢測(cè)單元22包括分光計(jì)26，其用于從照射區(qū)域接收多個(gè)波長(zhǎng)的反射B2。光導(dǎo)組件20包括光束分離器24和包括例如物鏡(其可用于自動(dòng)聚焦的目的由合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng))的透鏡單元26。入射光束&被引導(dǎo)以沿照射通道傳播以以一定角度(在本實(shí)施例中是零角度)撞擊到晶片W上，且鏡面