[發明專利]用于檢測三維結構的缺陷的光學方法和系統

有效

• 申請號: 201380035738.5
• 申請日: 2013-07-02
• 公開（公告）號: CN104704345B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 吉拉德·巴拉克;埃拉德·多坦;阿隆·貝萊利
• 申請（專利權）人: 諾威量測設備股份有限公司
• 主分類號: G01N21/00
• 分類號: G01N21/00;G01N22/00;H01L21/00
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 余剛,吳孟秋

技術領域

本發明一般涉及光學檢查/測量技術領域，并且涉及用于檢測三維結構(諸如半導體晶片)的缺陷的光學方法和系統。

背景技術

隨著半導體技術的進步，縮小裝置尺寸已經成為越來越復雜的任務。已知通過以下方法可克服這些困難：使用多個半導體裝置(芯片)的垂直集成，從而允許實現每單位上較大數量的裝置(例如，在存儲器應用中)或不同功能的芯片的集成，從而允許實現混合動力系統(例如傳感器、處理器和存儲器)的更好性能。被稱為硅通孔(TSV)的技術已經被開發用于多個半導體裝置的垂直集成。TSV是用以創建3D封裝和3D集成電路的高性能技術(與其替代品相比，諸如封裝疊加)，這是因為通孔的密度更高且連接的長度更短。根據TSV，導電支柱形成于硅襯底內，以后將用于接觸連續芯片。TSV技術提供不同層的組件之間的電互連，并且還提供機械支撐。在TSV技術中，通孔通過半導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，或高摻雜的半導體材料，諸如多晶硅。然后設有這種通孔的多個組件被堆疊并粘合在一起。

TSV工藝中的關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量，重要的是控制通孔的深度和輪廓兩者。

WO2012/098550(已轉讓給本申請的受讓人)公開了用于測量具有通孔的圖案化結構的光學系統。所述系統被配置并可操作以實現通孔輪廓參數的測量。所述系統包括用于將照射光傳播到被測量的結構的照射通道、用于收集從照射結構返回到檢測單元的光的檢測通道，和被構造并可操作為通過執行以下操作中的至少一種操作來實施暗視野檢測模式的調節組件：影響沿照射通道和檢測通道中的至少一個傳播的光的至少一個參數；影響沿至少檢測通道的光的傳播。

發明內容

本領域需要一種用于監控TSV工藝的新技術。這與在該工藝中可產生通孔的缺陷的事實相關聯，且相應地為了維持所需通孔質量，有必要檢測有缺陷的通孔。本發明提供了用于基于光反射測量法(reflectometry)檢測通孔缺陷的新穎方法和系統。應指出，雖然下面的描述具體指TSV，但是本發明的原理也可用于檢測由蝕刻硅層之外的任何技術產生的凹槽/通孔的缺陷?？捎杀景l明的技術檢查缺陷的通孔是高長徑比(aspect ratio)通孔，即深而窄的通孔，TSV是這種類型的通孔的具體的非限制性實例。

TSV由深硅蝕刻產生，從而在長徑比硅中產生具有高長徑比的垂直孔。通孔(通孔直徑)的典型橫截面尺寸在1-50μm的范圍內，且深度高達200μm，假設長徑比高達20：1。重要的是檢測通孔的任何缺陷，因為缺陷可能在稍后的制造步驟中引起TSV的有缺陷的覆蓋和/或填充(在隨后的制造步驟中導致不當涂層和沉積處理)，以及可能會引起TSV(填充有銅)和硅襯底之間的電短路，最終使整個裝置無法使用。檢測這樣的缺陷對于芯片的未來功能具有決定性的重要作用并且因此具有顯著工業利益。

及時檢測的缺陷類型的實例與在通孔底部形成尖峰(spike)有關。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。

表征這種通孔(即具有高長徑比幾何形狀的凹槽)的一種可能方法是通過頻譜反射測量法。在該技術中，寬波段光從頂部聚焦在晶片(一般是圖案化結構)的含通孔區域上，并從通孔的內表面(主要從通孔底部)和晶片頂表面反射。依賴于波長的反射由從晶片上的照射區域的不同部分反射的光的干涉特性來確定。

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為含通孔區域的給定深度通孔的頻譜特征。照射的含通孔區域的這種頻譜特征被表征為一個或多個參數(諸如振蕩，例如快速振蕩)，并且可以例如由下式描述：

A(k)≈A₀(k)+A₁(k)cos(2Dk) (1),

其中A反射頻譜，k＝2π/λ是光波數，A₀和A₁是k的慢變化函數，主要是由從晶片頂部和通孔底部界面的反射強度確定，且D是通孔深度。

等式(1)中的第二項A₁(k)cos(2Dk)是振蕩項，這是從晶片頂表面和通孔的內表面(例如通孔底部)反射的光部分之間的干涉(interference)的直接結果。頻譜振蕩具有k的特定周期，由2D給出。

根據本發明的一些實施例中，這些振蕩被用作通孔表面的質量的直接量度。為了從通孔表面反射顯著信號，以便產生頻譜振蕩，通孔的內表面(特別是其底表面)是沒有缺陷的平滑和清晰表面。