用于检测三维结构的缺陷的光学方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及光学检查/测量技术领域，并且涉及用于检测三维结构(诸如半导体晶片)的缺陷的光学方法和系统。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术的进步，缩小装置尺寸已经成为越来越复杂的任务。已知通过以下方法可克服这些困难:使用多个半导体装置(芯片)的垂直集成，从而允许实现每单位上较大数量的装置(例如，在存储器应用中)或不同功能的芯片的集成，从而允许实现混合动力系统(例如传感器、处理器和存储器)的更好性能。被称为硅通孔(TSV)的技术已经被开发用于多个半导体装置的垂直集成。TSV是用以创建3D封装和3D集成电路的高性能技术(与其替代品相比，诸如封装叠加)，这是因为通孔的密度更高且连接的长度更短。根据TSV，导电支柱形成于硅衬底内，以后将用于接触连续芯片。TSV技术提供不同层的组件之间的电互连，并且还提供机械支撑。在TSV技术中，通孔通过半导体工艺被制造在不同有源集成电路装置或其它装置的硅芯片，且通孔填充有金属(诸如Cu、Au、W)、焊料，或高掺杂的半导体材料，诸如多晶硅。然后设有这种通孔的多个组件被堆叠并粘合在一起。
[0003]TSV工艺中的关键步骤是通孔形成的步骤，其中接触件的图案被蚀刻到硅中。为了维持所需通孔质量，重要的是控制通孔的深度和轮廓两者。
[0004]W02012/098550(已转让给本申请的受让人)公开了用于测量具有通孔的图案化结构的光学系统。所述系统被配置并可操作以实现通孔轮廓参数的测量。所述系统包括用于将照射光传播到被测量的结构的照射通道、用于收集从照射结构返回到检测单元的光的检测通道，和被构造并可操作为通过执行以下操作中的至少一种操作来实施暗视野检测模式的调节组件:影响沿照射通道和检测通道中的至少一个传播的光的至少一个参数；影响沿至少检测通道的光的传播。
【发明内容】
[0005]本领域需要一种用于监控TSV工艺的新技术。这与在该工艺中可产生通孔的缺陷的事实相关联，且相应地为了维持所需通孔质量，有必要检测有缺陷的通孔。本发明提供了用于基于光反射测量法(reflectometry)检测通孔缺陷的新颖方法和系统。应指出，虽然下面的描述具体指TSV，但是本发明的原理也可用于检测由蚀刻硅层之外的任何技术产生的凹槽/通孔的缺陷。可由本发明的技术检查缺陷的通孔是高长径比(aspect rat1)通孔，即深而窄的通孔，TSV是这种类型的通孔的具体的非限制性实例。
[0006]TSV由深硅蚀刻产生，从而在长径比硅中产生具有高长径比的垂直孔。通孔(通孔直径)的典型横截面尺寸在1-50 μ m的范围内，且深度高达200 μ m，假设长径比高达20:1。重要的是检测通孔的任何缺陷，因为缺陷可能在稍后的制造步骤中引起TSV的有缺陷的覆盖和/或填充(在随后的制造步骤中导致不当涂层和沉积处理)，以及可能会引起TSV(填充有铜)和硅衬底之间的电短路，最终使整个装置无法使用。检测这样的缺陷对于芯片的未来功能具有决定性的重要作用并且因此具有显著工业利益。
[0007]及时检测的缺陷类型的实例与在通孔底部形成尖峰(spike)有关。在这方面，参考图1，其示意示出带有底部缺陷的TSV的横截面。
[0008]表征这种通孔(即具有高长径比几何形状的凹槽)的一种可能方法是通过频谱反射测量法。在该技术中，宽波段光从顶部聚焦在晶片(一般是图案化结构)的含通孔区域上，并从通孔的内表面(主要从通孔底部)和晶片顶表面反射。依赖于波长的反射由从晶片上的照射区域的不同部分反射的光的干涉特性来确定。
[0009]从通孔表面和晶片顶表面反射的宽波段光之间的干涉可被表达为含通孔区域的给定深度通孔的频谱特征。照射的含通孔区域的这种频谱特征被表征为一个或多个参数(诸如振荡，例如快速振荡)，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反射频谱，k = 2 31 / λ是光波数，Aci和A^k的慢变化函数，主要是由从晶片顶部和通孔底部界面的反射强度确定，且D是通孔深度。
[0012]等式⑴中的第二项A1GOcosODk)是振荡项，这是从晶片顶表面和通孔的内表面(例如通孔底部)反射的光部分之间的干涉(interference)的直接结果。频谱振荡具有k的特定周期，由2D给出。
[0013]根据本发明的一些实施例中，这些振荡被用作通孔表面的质量的直接量度。为了从通孔表面反射显著信号，以便产生频谱振荡，通孔的内表面(特别是其底表面)是没有缺陷的平滑和清晰表面。
[0014]一般而言，通孔中(例如底部区域)的任何缺陷显著改变图案化结构的含通孔区域的波长相关反射(频谱响应)，即与非缺陷含通孔区域的频谱特征相比引起频谱响应的至少一个参数的可检测变化，例如引起振荡可视性的严重退化。这可在所测量的反射信号中识别。例如，信号的强快速振荡对应于与通孔表面和晶片顶面的干涉分量，而来自其内部具有缺陷的通孔的反射测量信号缺少这些振荡，或者至少它们可视性急剧受损。
[0015]量化这种振荡的可视性的一种方式是通过测量的频谱分析。这样的分析提供数据的典型频率的存在的量化测量。用于这样的分析非常普遍的工具是傅立叶变换，其中振荡在傅立叶频谱产生明显尖峰。该峰的位置由振动频率(其(如所述)由TSV深度决定来确定)确定。使用傅立叶变换量化快速振荡的可视性的方法当然仅仅是频谱分析的许多可能方法中的一种。其它方法，诸如用于谐波分解的Pisarenko和MUSIC算法、Welch、Yule-Walker和Burg算法，本征向量频谱分解等等。人们可使用任何这样的方法来识别和定量测量信号中的快速频率的存在，对应于与通孔深度相一致的值。当然，仅需要通孔深度的非常粗略的估计，以便识别这样的频率预期所在的合理范围。
[0016]可为孤立结构或相似元件的点阵(lattice)实施所提出的方法。
[0017]因此，根据本发明的一个广泛方面，提供了用于含通孔结构的检查的方法。所述方法包括:
[0018]接收指示测量的含通孔区域的频谱响应的测量数据；
[0019]处理和分析所述频谱响应数据，并且在识别频谱响应的至少一个参数相对于含通孔区域的频谱特征的变化时，生成指示所述区域中的通孔的内表面上的可能缺陷的输出数据。
[0020]根据本发明的另一个方面，提供了用于含通孔结构的检查的系统，所述系统包括控制系统，所述控制系统包括:数据输入设备，其用于接收指示所测量的含通孔区域的频谱响应的测量数据；以及处理分析设备，其用于处理频谱响应数据，并且在识别到频谱响应的至少一个参数相对于含通孔区域的频谱特征的变化时，生成指示所述区域中的通孔中的可能缺陷的输出数据。
【附图说明】
[0021]为了更好地理解本文公开的主题并举例说明其如何可在实践中实施，现在将参考附图仅通过非限制实例的方式描述实施例，其中:
[0022]图1示意地示出具有底部缺陷的TSV的横截面；
[0023]图2是本发明的检查系统的框图；
[0024]图3示意地示出在结构的含通孔区域上测量的反射系统的光传播方案；
[0025]图4A和图4B用图形示出用于在通孔中没有缺陷(图4A)和具有缺陷(图4B)的TSV的测量反射频谱的实例；和
[0026]图5用图形示出用于图4A和图4B所示的数据的基于傅立叶变换的分析。
【具体实施方式】
[0027]图1示意地示出在其中具有缺陷的TSV的横截面。本发明人已经发现通孔的内表面(例如在其底部上)的这样缺陷可通过使用频谱反射测量有效地检测，其中所测量数据表征从通孔的内表面与晶片表面反射的光之间的干涉。这是因为，通过在通孔中的任何缺陷显著改变频谱响应(与不具有通孔缺陷的相同区域的频谱特征比较)，例如改变反射信号的幅度，并引起信号的频谱振荡的严重退化。
[0028]参考图2，其示出用于在位于支撑台12的晶片W(构成图案化结构)上测量的本发明中的测量系统10的框图。系统10被配置且可操作为频谱反射系统，用于测量来自晶片的光的波长相关的反射。系统10包括主要结构部件，诸如测量单元14和控制单元16。
[0029]测量单元14可被配置为在一个或多个测量模式中操作，其中至少一个是明场模式。在本非限制实例中，系统被示出用于利用法线入射光传播方案进行明场测量。
[0030]然而，应理解，系统不限于法线入射配置也不限于仅使用明场模式。测量单元可被设置为通过进行明场和暗场测量模式中的一种或或两者或所谓的“灰场”模式来监控各种通孔轮廓参数。灰场检测模式呈现用于光响应信号的预定组合的暗和明场检测情况，例如，诸如以提供从结构的顶表面镜面反射的光的强度和从通孔的内表面返回的光的强度之间的预定比率。
[0031]如图2所示，测量单元14包括光源单元18、光导组件20和检测单元22。光源是产生用于晶片W上的照射区域的多个波长的光束B1的宽波段源，且检测单元22包括分光计26，其用于从照射区域接收多个波长的反射B2。光导组件20包括光束分离器24和包括例如物镜(其可用于自动聚焦的目的由合适的电机驱动)的透镜单元26。入射光束&被引导以沿照射通道传播以以一定角度(在本实施例中是零角度)撞击到晶片W上，且镜面