專利名稱：用于直接地測量在晶片上的高高寬比蝕刻部件的深度的系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用于測量在晶片上的蝕刻部件的系統，并且更具體地涉及用于從晶片的非蝕刻表面直接地測量高高寬比蝕刻部件的深度的系統。
背景技術：
在電子領域中，最尋求的目標之一是小型化。用于使得電子裝置和電子存儲器變得更小的努力繼續驅動著制造商。存在促進持續的微型化的多種技術。非常重要的，正在增長的一種技術是晶片的深蝕刻，并且經過這個處理的晶片的容量會增加。隨著包括蝕刻部件的晶片上的蝕刻部件的橫向尺寸繼續減小，用于控制蝕刻處理的能力變得更困難。對于制造具有窄深蝕刻的晶片的公司，如果被定義為蝕刻深度與蝕刻寬度的比率的高寬比大于大約5 1，則光學非接觸測量技術通常是不可行的。其原因是因為當從頂部觀看時，光學技術不能從蝕刻部件的底部接收信息。例如，如果蝕刻部件(也稱為溝槽)的寬度小于照射光斑尺寸，則蝕刻開口本身限制可以照射底部的光的量。然而，如果通過增大照明光學器件的數值孔徑來使得照射光斑較小，則照明的角譜將包含以陡峭角度照射蝕刻部件的底部的光線。結果，當高寬比較大并且蝕刻寬度較小時，無法將照射光的大部分引導到蝕刻部件的底部上。因此，利用該處理的工程師必須從掃描電子顯微鏡獲得測量值。這些測量通常成本大、耗時，并且最重要的是具有破壞性。最重要的電子裝置之一是半導體，并且半導體的主要元件之一是絕緣體上硅 (SOI)晶片。在半導體晶片上的電子器件的制造期間，一些晶片要經過被稱為變薄的處理。 存在為什么必須將晶片變薄的多種原因，但是最常見的是為了迅速地散熱，暴露互連層， 并且產生絕緣體上硅(SOI)晶片。SOI晶片由在絕緣體的薄層頂部上的硅的薄層構成，并且這些層被全厚的硅晶片支撐。當前，所制造的全部半導體晶片的大約5%是SOI晶片，但是這個百分比將在未來繼續增大。最廣泛使用的用于將晶片變薄的方法是背面研磨和化學蝕刻。這些方法作用于晶片的非蝕刻表面的下表面。晶片制造商必須將晶片的下表面拋光或研磨為具有高均勻性的期望厚度。如果晶片研磨得太薄，則它可能缺少所需要的結構完整性，或者將過度暴露互連部分。即使如此，工業趨勢也朝著制造一致地較薄的晶片來發展。半導體制造的另一個重要方面是晶片厚度的測量。用于測量晶片厚度的當前技術包括電容傳感器，該電容傳感器測量晶片的電容；以及，高度傳感器技術，其利用兩個傳感器，一個傳感器在晶片之上并且一個傳感器在晶片之下。電容傳感器的使用通常需要深度了解晶片材料，并且可以通常僅僅在使用單種晶片材料而不是由多層不同材料構成的晶片時能正確地作用。另外，電容傳感器具有大約200微米的厚度下限，并且限于小的材料樣品。
高度傳感器技術通常作用于更薄的樣品，并且當其檢測晶片的物理表面時，可以適應于多層晶片堆疊，該多層晶片堆疊實際上由任何材料構成。高度傳感器技術要求在所有三個軸上的精細對齊，并且要求校準以“教導”傳感器軸在空間中分開多遠。這種校準要求是所進行的測量的精確下限。用于連接各種功能的電子芯片的當前和發展的技術包括被稱為硅通孔(TSV)的處理。TSV實質上是在硅晶片中的小腔，具有1至100微米的典型直徑，和25至500微米的典型深度。這些蝕刻部件，以及諸如溝槽的其他部件被稱為高高寬比部件，因為它們的深度比它們的寬度大得多。TSV通常被填充導電材料，因此，在TSV的頂部上建立電子芯片。當芯片完成時，將晶片從下表面拋光或變薄，直到暴露了 TSV。TSV因此便利對于其他芯片或器件建立的連接。在晶片制造處理期間，TSV的深度是關鍵元素。如果TSV不夠深，則當暴露TSV時， 晶片不保持繼續處理所需的物理完整性。如果TSV太深，則在晶片足夠薄之前將暴露它們。 制造處理工程師無法在制造處理期間迅速地、精確地和非破壞性地測量晶片的厚度。當前， 晶片變薄，直到可視檢察確認暴露了 TSV，而不能處理對晶片厚度的精確了解。存在對于測量在晶片上的蝕刻部件的深度的多種要求。當使用光學技術時，高高寬比蝕刻部件難以測量，因為光不能傳播到蝕刻部件的底部并且然后返回。這適用于共聚焦技術以及干涉技術。光學技術受限于2或3比1的高寬比。對于具有更高高寬比的蝕刻部件，當前用于直接測量深度的唯一方法是通過破壞性地將晶片分割，然后從側面觀看蝕刻部件。這種方法是不期望的，因為晶片樣品被破壞，并且必須使用的電子顯微鏡昂貴并且耗時。對于絕緣體上硅(SOI)應用存在另一個晶片變薄處理。SOI是實質上是包括兩個晶片的融合的晶片堆疊，并且在兩個晶片之間有薄氧化物層。然后將被稱為器件晶片的第一晶片拋光到特定厚度。被稱為操作(handle)晶片的第二晶片是犧牲性的，并且僅用于保持器件晶片的結構完整性。當今的技術僅測量整個晶片堆疊，并且不能在兩種晶片之間區別。因此，處理工程師必須測量第一 /操作晶片，測量氧化層，然后減去這些測量值，以便計算第二 /器件層的厚度。在本發明中使用的傳感器可以在兩種晶片之間區別，并且可以直接地測量第一 /器件層，由此減縮誤差預算并且改善精度。現有技術的搜索未公開可以讀取到與本發明的權利要求直接相關的文獻或專利。 然而，下面的美國專利被認為相關
權利要求
1.一種用于直接地測量在具有蝕刻表面和非蝕刻表面的晶片上的高高寬比蝕刻部件的深度的系統，所述系統包括a)反射計，其被定位為面向晶片的所述非蝕刻表面，其中，所述反射計具有用于產生聚焦入射光的裝置，所述聚焦入射光被施加到所述晶片的所述非蝕刻表面；以及，用于接收和處理反射光的裝置，所述反射光也從所述晶片的所述非蝕刻表面施加，其中，所述反射計的輸出是模擬譜光學頻率信號，b)模數(ADC)轉換器，其將所述模擬譜光學頻率信號轉換為對應的數字數據信號，c)計算機，其與軟件組合，具有用于處理從所述ADC施加的所述數字數據信號并且顯示所述晶片的所述高高寬比蝕刻表面的深度的裝置。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述反射計由紅外線反射計構成，所述紅外線反射計具有物鏡，所述物鏡在所述晶片上產生焦斑。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，作為寬帶光源的所述紅外線反射計由下述部件構成a)光纖環行器或分束器，b)準直儀，c)物鏡，以及d)光電檢測器，其中，所述寬帶光源連接到所述光纖環行器或所述分束器，所述光纖環行器或所述分束器中的任何一個連接到所述準直儀和所述光電檢測器兩者，所述準直儀與所述物鏡對接，所述物鏡定位于所述晶片的所述非蝕刻表面之上。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述寬帶光源由掃描激光器或寬帶非相干光源構成。
5.根據權利要求4所述的系統，其中，所述寬帶非相干光源選自由LED、鹵素光源、水銀弧光燈和超發光二極管構成的組。
6.根據權利要求3所述的系統，其中，所述光電檢測器當所述光源是掃描激光器時由光電檢測器構成，或當所述光源是非相干光源時由光譜儀構成。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述光源產生涵蓋其中所述晶片透明的范圍的一組波長。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，當被施加所述數字數據信號時所述軟件執行下面的操作a)傅立葉變換，b)找到峰值幅值，以及c)計算厚度。
9.根據權利要求3所述的系統，進一步包括晶片保持固定器，所述晶片保持固定器具有比所述晶片的所述蝕刻表面大的開口、用于橫向位移的裝置、和用于將所述非蝕刻表面定位為面向所述紅外線反射計的裝置。
10.一種用于直接地測量在具有蝕刻表面和非蝕刻表面的晶片上的高高寬比蝕刻部件的深度的系統，所述系統包括a)紅外線反射計，包括(1)掃描激光器，其具有用于產生跨波長范圍在時間上掃描的波長、觸發信號和時鐘信號的裝置，(2)光纖環行器，其具有被施加來自所述掃描激光器的所述波長的第一輸入、第二輸入、第一光輸出和第二光輸出，(3)準直儀，其被施加來自所述光纖環行器的所述第二光輸出，并且產生準直的光輸出，所述準直的光輸出被施加到在所述光纖環行器上的所述第二輸入，(4)物鏡，其與所述準直儀對接，并且被定位為面向所述晶片的所述非蝕刻表面，其中， 從所述物鏡發射聚焦入射光，所述聚焦入射光被施加到所述晶片的所述非蝕刻表面，從那里，晶片發射反射光，所述反射光被施加到所述物鏡，(5)光電檢測器，其被施加來自所述光纖環行器的所述第一光輸出，并且產生模擬譜光學頻率信號。b)模數轉換器(ADC)，其作為數據獲取裝置，所述ADC具有分別被施加來自所述掃描激光器的所述觸發信號和所述時鐘信號的第一輸入和第二輸入，其中，所述ADC進一步具有第三輸入，所述第三輸入被施加從所述光電檢測器施加的模擬譜光學頻率信號，其中，所述 ADC產生對應的數字數據信號，c)與軟件組合的計算機，其具有用于處理從所述ADC施加的所述數字數據信號，并且產生在顯示器上描繪在所述晶片上的所述高高寬比蝕刻部件的深度的顯示信號的裝置，以及d)晶片保持固定器，其具有大于所述晶片的所述蝕刻表面的開口、用于橫向位移的裝置、和用于將所述晶片的所述非蝕刻表面定位為面向所述紅外線反射計上的所述物鏡的裝置。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，所述晶片選自由Si、GaAS、GaAlAS、InP,SiC, SiO2和藍寶石構成的組。
12.根據權利要求10所述的系統，其中，所述反射計使用小光斑尺寸來照射所述晶片的所述非蝕刻表面。
13.根據權利要求10所述的系統，其中，所述掃描波長的范圍是從1260nm至1360nm， 該范圍涵蓋其中所述晶片透明的范圍。
14.根據權利要求10所述的系統，其中，所述軟件當被施加所述數字數據信號時執行下面的操作a)傅立葉變換，b)找到峰值幅值，以及c)計算厚度。
15.一種用于直接地測量在具有蝕刻表面和非蝕刻表面的晶片上的高高寬比蝕刻部件的深度的系統，所述系統包括a)寬帶非相干紅外光源(BIIS)，其具有用于產生非相干光源的裝置，b)光纖環行器，其具有被施加來自所述BIIS的非相干光信號的第一輸入、第二輸入、 第一光輸出和第二光輸出，c)準直儀，其被施加來自所述光纖環行器的所述第二光輸出，并且產生準直的光輸出， 該準直的光輸出被施加到在所述光纖環行器上的所述第二輸入，d)物鏡，其與所述準直儀對接，并且被定位為面向所述晶片的所述非蝕刻表面，其中，從所述物鏡發射聚焦入射光，所述聚焦入射光被施加到所述晶片的所述非蝕刻表面，從那里，晶片發射反射光，所述反射光被施加到所述物鏡，e)光譜儀，其被施加來自所述光纖環行器的光信號，并且產生光分布信號，f)與軟件組合的計算機，其具有用于處理從所述光譜儀施加的所述光分布信號并且產生在顯示器上描繪在所述晶片上的所述高高寬比蝕刻部件的深度的數字數據信號的裝置， 以及g)晶片保持固定器，其具有大于所述晶片的蝕刻區域的開口、用于橫向位移的裝置、和用于將所述晶片的所述非蝕刻表面定位為面向所述物鏡的裝置。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述光譜儀能夠由光柵光譜儀或傅立葉變換紅外線光譜儀(FTIR)構成。
17.用于測量在具有蝕刻表面和非蝕刻表面的晶片上的高高寬比蝕刻部件的深度的第一方法，其中，所述蝕刻表面的寬度等于或大于所施加的照射光斑尺寸，所述第一方法包括下面的步驟a)測量所述晶片的所述非蝕刻表面的厚度，b)測量所述晶片的所述蝕刻表面的厚度，以及c)將兩個測量結果相減，以確定所述蝕刻部件的所述深度。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述第一方法由順序掃描方法構成。
19.用于測量在具有蝕刻表面和非蝕刻表面的晶片上的高高寬比蝕刻部件的深度的第二方法，其中，所述蝕刻表面的寬度小于所施加的照射光斑尺寸的直徑，所述第二方法包括下面的步驟a)同時地照射所述蝕刻表面和與所述蝕刻表面相鄰的區域，以及b)直接地測量在來自所述蝕刻表面、所述非蝕刻表面的反射之間的干涉，和所述蝕刻表面的所述深度。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述第二方法由直接方法構成。
全文摘要
一種用于直接地測量在包括蝕刻表面(82)和非蝕刻表面(84)的晶片(80)上的高高寬比蝕刻部件的深度的系統(10)。該系統(10)使用紅外線反射計(12)，該紅外線反射計(12)在一個優選實施例中包括掃描激光器(14)、光纖環行器(16)、光電檢測器(22)和組合準直儀(18)與物鏡(20)。從物鏡(20)產生聚焦入射光(23)，該聚焦入射光(23)被施加到晶片(80)的非蝕刻表面(84)。從晶片(80)產生反射光(25)，該反射光(25)通過反射計(12)被處理，并且被施加到ADC(24)，在ADC(24)處產生對應的數字數據信號(29)。數字數據信號(29)被施加到計算機(30)，計算機(30)與軟件(32)組合地測量蝕刻部件的深度，然后在顯示器(34)上觀看該深度。
文檔編號H01L21/66GK102460672SQ201080028092
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月14日 優先權日2009年6月23日
發明者大衛·L·格朗特, 大衛·S·馬克斯 申請人:大衛·L·格朗特, 大衛·S·馬克斯