[发明专利]用于检测三维结构的缺陷的光学方法和系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

WO2012/098550(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

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 ratio)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。

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1-50μm的范围内，且深度高达200μm，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。

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。

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。

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：

A(k)≈A₀(k)+A₁(k)cos(2Dk) (1),

其中A反射频谱，k＝2π/λ是光波数，A₀和A₁是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。

等式(1)中的第二项A₁(k)cos(2Dk)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。

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。