TWI408363B - 通孔結構之測量系統和方法 - Google Patents

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Description

通孔結構之測量系統和方法
本揭露係關於一種半導體結構之測量系統和方法，特別係關於一種通孔結構之測量系統和方法。
隨著消費者對於電子產品的尺寸要求輕薄短小之趨勢下，半導體製程技術也持續進步以符合消費者之需求。特而言之，一種新的3D堆疊技術係孕育而生。3D堆疊技術係利用貫穿矽通孔之技術(through silicon via，TSV)以將複數個晶片垂直堆疊以節省空間，進而達到縮小尺寸之目的。貫穿矽通孔技術為一種利用通孔結構達成連接該等垂直堆疊晶片之技術，並可取代引線焊接(wire bonding)之技術而節省引線焊接技術所需之繞線及額外之中介層。
由於上述優點，貫穿矽通孔技術對於高深寬比(aspect ratio)之小尺寸電子產品具有相當廣泛之應用。據此，針對根據貫穿矽通孔技術所形成之通孔結構進行量測亦成為重要的課題。一般而言，針對大孔徑之通孔結構而言，例如孔徑大於10微米之通孔結構，目前可利用光學顯微鏡進行量測。然而，現行針對高密度(例如通孔和空間比大於1之通孔結構)、高深寬比(例如深寬比大於10之通孔結構)或是小孔徑(例如孔徑小於10微米之通孔結構)之通孔結構所存在之量測方法，例如利用電子顯微鏡或是彈簧式探針等裝置之量測方法，多半具有速度慢及會破壞所量測之通孔結構之缺點。換言之，目前仍難以以非破壞性及光學 式之量測方法量測高密度、高深寬比或是小孔徑之通孔結構，特別是通孔之深度及底部形狀。
然而，貫穿矽通孔技術仍然持續朝高密度及高深寬比之方向前進。根據2008年底修訂的國際半導體技術藍圖(international technology roadmap for semiconductor，ITRS)，在2010年量產之貫穿矽通孔之孔徑需達1.4微米，而深寬比需大於10。
據此，業界所需要的是一種針對通孔結構之測量系統和方法，其可快速得以非破壞式的方式量測通孔結構之深度和底部形狀。本揭露即提供該系統及方法。
本揭露之通孔結構的測量系統和方法係透過比對收集之反射光譜及模擬之反射光譜而決定通孔結構之尺寸及底部形狀，故可快速的獲得該等尺寸資訊，同時避免破壞所量測之通孔結構。
本揭露揭示一種測量通孔結構之系統，其包含一反射儀、一模擬單元和一比對單元。該反射儀係設定以收集至少一通孔結構之反射光譜。該模擬單元係設定以提供該至少一通孔結構之模擬之反射光譜。該比對單元係設定以比對該收集之反射光譜和該模擬之反射光譜以決定該至少一通孔結構之深度和底部形狀。
本揭露另揭示一種利用通孔結構之反射光譜決定通孔結構尺寸之方法。該方法首先獲取至少一通孔結構之測量反射光譜。其次，針對該測量反射光譜所包含之頻率資料 進行計算。再來，根據計算結果決定該至少一通孔結構之深度。
本揭露再揭示一種利用通孔結構之反射光譜決定通孔結構底部形狀之方法。該方法首先獲取通孔結構之測量反射光譜。其次，針對該測量反射光譜所包含之振幅資料進行計算。再來，根據計算結果決定該至少一通孔結構之底部形狀。
上文已經概略地敍述本揭露之技術特徵，俾使下文之詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，下文揭示之概念與特定實施例可作為基礎而相當輕易地予以修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。
本揭露在此所探討的方向為一種通孔結構之測量系統和方法。為了能徹底地瞭解本揭露，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及組成。顯然地，本揭露的施行並未限定於本揭露技術領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本揭露不必要之限制。本揭露的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本揭露還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本揭露的範圍不受限定，其以之後 的專利範圍為準。
以下所述之根據本揭露之實施例之針對通孔結構之測量系統和方法係應用薄膜理論以進行通孔結構之測量。特而言之，根據本揭露之實施例之針對通孔結構之測量系統和方法係利用反射儀照射通孔結構以收集通孔結構之反射光譜。另一方面，根據本揭露之實施例之針對通孔結構之測量系統和方法係根據費涅公式(Fresnel equation)模擬通孔結構之反射光譜，並透過比對所收集之反射光譜和模擬之反射光譜決定通孔結構之尺寸。此外，根據本揭露之實施例之針對通孔結構之測量系統和方法係利用一橢圓球體模型模擬通孔結構之底部形狀，並據此模擬通孔結構之反射光譜以透過比對所收集之反射光譜和模擬之反射光譜決定通孔結構之底部形狀。
圖1顯示根據本揭露之一實施例之一種測量通孔結構之系統100之示意圖。如圖1所示，該系統100包含一反射儀110、一模擬單元120和一比對單元130。該反射儀110係設定以收集一通孔結構150之反射光譜。該反射儀110可為市面上所販售之反射儀，例如Nanometrics或是Nova所提供之反射儀。該模擬單元120係設定以提供該通孔結構150之模擬之反射光譜，其中該模擬單元120可為一資料庫，其包含複數個根據通孔結構之不同深度和底部形狀所模擬之反射光譜，或該模擬單元120可為一電腦裝置，其設定以根據通孔結構之不同深度和底部形狀產生不同之模擬之反射光譜。該比對單元130係設定以比對該反射儀110所收集之反射 光譜和該模擬單元120所模擬之反射光譜以決定該通孔結構150之深度和底部形狀。如圖1所示，該系統100係利用分析反射光譜之方式測量該通孔結構150之尺寸，故該系統100可避免習知技術採用破壞式量測方法所帶來的缺點。
圖2顯示根據本揭露之一實施例之利用通孔結構之反射光譜決定通孔結構尺寸及底部形狀之流程圖。在步驟202，獲取一通孔結構之測量反射光譜，並進入步驟204。在步驟204，針對該測量反射光譜所包含之頻率和振幅資料進行計算，並進入步驟206。在步驟206，根據頻率之計算結果決定該通孔結構之深度，並根據振幅之計算結果決定該通孔結構之底部形狀。
圖3顯示一小孔徑和高深寬比的通孔結構300。應用圖1之系統100及圖2之方法於圖3之通孔結構300。將該反射儀110以垂直入射之角度照射該通孔結構300以獲取該通孔結構300之反射光譜。如圖3所示，該反射儀110所收集之反射光包含照射於該通孔結構300之矽表面之光束並反射回該反射儀110之反射光束302和照射於該通孔結構300之底部並反射回該反射儀110之反射光束304。若該兩反射光束之相位差為光波長之整數倍，則該等反射光束會造成建設性干涉而增加反射光之強度。此外，根據費涅公式，該等反射光束具有一180度之相位位移，且需乘上反射值，其中n 0 為空氣之介質，而n 為矽之介質。因此，不同之通孔深度會產生不同之反射光譜。該模擬單元120即可根據費涅公式以不同之深度模擬出不同之反射光譜。圖4即顯示在 通孔深度為30毫米及30.25毫米時所模擬之反射光譜。該比對單元130即可比較該反射儀110所收集之反射光譜和該模擬單元120所模擬之反射光譜以選擇誤差最小之模擬反射光譜，並根據該選擇之模擬反射光譜所設定的參數，亦即通孔深度，決定該通孔結構300之深度。
另一方面，根據本揭露之部分實施例，亦可藉由反向傅立葉轉換(inverse Fourier transform)通孔結構之反射光譜以獲得該通孔結構之深度。圖5顯示根據本揭露之一實施例之反射光譜進行反向傅立葉轉換所獲得之圖形。據此，即可根據圖5之圖形決定所量測之通孔結構之深度。
圖6顯示另一小孔徑和高深寬比的通孔結構600，其中該通孔結構600之表面具有一層薄膜氧化物層602。類似的，應用圖1之系統100及圖2之方法於圖6之通孔結構600。將該反射儀110以垂直入射之角度照射該通孔結構600以獲取該通孔結構600之反射光譜。如圖6所示，該反射儀110所收集之反射光包含照射於該通孔結構600之氧化物層表面之光束並反射回該反射儀110之反射光束604、穿過氧化物層到達矽表面並反射回該反射儀110之反射光束606以及照射於該通孔結構600之底部並反射回該反射儀110之反射光束608。若該等反射光束之相位差為光波長之整數倍，則該等反射光束會造成建設性干涉而增加反射光之強度。此外，根據費涅公式，該等反射光束具有一180度之相位位移，且該照射於氧化物層表面之光束並反射回該反射儀110之光束需乘上反射值，其中n 0 為空氣之介質，而n ox 為氧 化物層之介質；該穿過氧化物層到達矽表面並反射回該反射儀110之光束需乘上穿透值及反射值，其中n si 為矽之介質；該照射於該通孔結構600之底部並反射回該反射儀110之光束需乘上反射值。據此，該模擬單元120即可根據費涅公式以不同之深度模擬出不同之反射光譜。
圖7顯示根據圖6之通孔結構600所獲得之反射光譜。如圖7所示，該反射光譜具有一低頻成分和一高頻成分，其中該低頻成分係作為該高頻成分之載波。該低頻成分係對應至該氧化物層之厚度，而該高頻成分係對應至該通孔結構600之深度。可進一步將該低頻成分和高頻成分分離。圖8顯示圖7之反射光譜之低頻成分，而圖9顯示圖7之反射光譜之高頻成分。據此，該模擬單元120即可分別針對不同之氧化物層厚度及通孔結構深度模擬出不同之反射光譜。該比對單元130即可比較該反射儀110所收集之反射光譜和該模擬單元120所模擬之反射光譜以選擇誤差最小之模擬之反射光譜，並根據該選擇之模擬之反射光譜所設定的參數決定該通孔結構600之深度及氧化物層之厚度。
針對通孔結構之底部形狀，本揭露之實施例之通孔結構之測量系統和方法係利用一橢圓球體模型模擬通孔結構之底部形狀，並據此模擬通孔結構之反射光譜以透過比對所收集之反射光譜和模擬之反射光譜決定通孔結構之底部形狀。圖10顯示一通孔結構之底部形狀。如圖10所示，該通孔結構1000之底部形狀具有一橢圓曲線。據此，根據本 揭露之實施例之針對通孔結構之測量系統和方法即利用一橢圓球體模型模擬通孔結構之底部形狀，其中該橢圓球體模型可為下列公式表示：，a為橢圓球體之長軸，即通孔結構之半徑，而b為橢圓球體之短軸。圖11顯示該橢圓球體之立體圖。因此，當b等於0時，即對應至底部平坦之通孔結構；當b等於a時，即對應至底部形狀為圓形曲線之通孔結構。
若應用圖1之系統100及圖2之方法於圖10之通孔結構1000，當通孔結構之底部曲線越平坦時，該反射儀110可獲得越多之反射光線；當通孔結構之底部曲線增大時，該反射儀110便僅能獲得較少之反射光線。反應在反射光譜上，當通孔結構之底部曲線越平坦時，反射光譜上之高頻成分越大，其振幅越高，故圖形較陡峭；當通孔結構之底部曲線增大時，反射光譜上之高頻成分越小，其振幅越低，故圖形較平滑。圖12顯示當b等於0，亦即通孔結構之底部平坦時所獲得之反射光譜。圖13顯示當b等於0.2a時所獲得之反射光譜。圖14顯示當b等於0.5a時所獲得之反射光譜。如圖12至14所示，反射光譜平滑程度隨著通孔結構之底部形狀之曲線而變化。
當利用該模擬單元120根據橢圓球體模型模擬通孔結構之底部形狀時，該橢圓球體之長軸a為已知，其可根據測量(例如電子顯微鏡)或製程參數而得，並透過改變橢圓球體之短軸b而獲得不同之反射光譜。該比對單元130即可比較該反射儀110所收集之反射光譜和該模擬單元120所模 擬之反射光譜以選擇誤差最小之模擬之反射光譜，並根據該選擇之模擬之反射光譜所設定的參數，亦即橢圓球體之短軸b，決定通孔結構之底部形狀。據此，即可透過該比對單元130之比對結果決定通孔結構之深度、氧化物層厚度及底部形狀。
上述之實施例係針對單一通孔結構測量其深度、氧化物層厚度及底部形狀。然而，透過對反射光譜之分析計算，亦可應用本揭露所提供之通孔結構之測量系統和方法同時測量複數個通孔結構。另一方面，透過改變根據費涅公式所模擬之反射光譜之參數，亦可應用本揭露所提供之通孔結構之測量系統和方法測量填充以不同物質之通孔結構。
綜上所述，本揭露所提供之通孔結構之測量系統和方法可可快速得以非破壞式的方式量測通孔結構之深度和底部形狀，故相較於習知技術更適合於通孔結構之量測。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧系統
110‧‧‧反射儀
120‧‧‧模擬單元
130‧‧‧比對單元
202~206‧‧‧步驟
300‧‧‧通孔結構
302‧‧‧反射光束
304‧‧‧反射光束
600‧‧‧通孔結構
602‧‧‧薄膜氧化物層
604‧‧‧反射光束
606‧‧‧反射光束
608‧‧‧反射光束
1000‧‧‧通孔結構
圖1顯示根據本揭露之一實施例之種測量通孔結構之系統之示意圖；圖2顯示根據本揭露之一實施例之利用通孔結構之反射光譜決定通孔結構尺寸及底部形狀之流程圖； 圖3顯示一小孔徑和高深寬比的通孔結構；圖4顯示不同通孔深度時所模擬之反射光譜；圖5顯示根據本揭露之一實施例之反射光譜進行反向傅立葉轉換所獲得之圖形；圖6顯示另一小孔徑和高深寬比的通孔結構；圖7顯示根據本揭露之一實施例所獲得之反射光譜；圖8顯示根據本揭露之一實施例之反射光譜經分離而得之低頻成分；圖9顯示根據本揭露之一實施例之反射光譜經分離而得之高頻成分；圖10顯示一通孔結構之底部形狀；圖11顯示根據本揭露之一實施例之橢圓球體模型之立體圖；圖12顯示根據本揭露之一實施例所獲得之反射光譜；圖13顯示根據本揭露之另一實施例所獲得之反射光譜；以及圖14顯示根據本揭露之再一實施例所獲得之反射光譜。
202~206．．．步驟

Claims (20)

  1. 一種利用通孔結構之反射光譜決定通孔結構尺寸之方法，包含下列步驟：獲取至少一通孔結構之測量反射光譜，其中該測量反射光譜包含高頻成分和低頻成分，該低頻成分係作為該高頻成分之載波；針對該測量反射光譜所包含之頻率資料進行計算，其中該計算步驟係根據該測量反射光譜之高頻成分進行計算；以及根據計算結果決定該至少一通孔結構之深度，其中該決定步驟係根據該高頻成分之計算結果決定該通孔結構之深度。
  2. 根據請求項1所述之方法，其中該計算步驟係進一步根據該反射光譜之低頻成分進行計算，而該決定步驟係進一步根據該低頻成分之計算結果該通孔結構表面之氧化物層之厚度。
  3. 根據請求項1所述之方法，其中該計算步驟係比對該測量反射光譜和根據費涅公式針對該至少一通孔結構所得之模擬反射光譜，而該決定步驟係選擇和該測量反射光譜之誤差最小者之模擬反射光譜，並根據該選擇之模擬反射光譜所設定之參數決定該至少一通孔結構之深度。
  4. 根據請求項1所述之方法，其中該計算步驟係將該測量反射光譜進行傅立葉轉換，而該決定步驟係根據傅立葉轉換 後之結果決定該至少一通孔結構之深度。
  5. 根據請求項1所述之方法，其中該測量反射光譜係利用反射儀照射該至少一通孔結構以收集而得。
  6. 根據請求項5所述之方法，其中該測量反射光譜係由該反射儀同時照射複數個通孔結構以收集而得，而該決定步驟可同時決定該等通孔結構之深度。
  7. 一種利用通孔結構之反射光譜決定通孔結構底部形狀之方法，包含下列步驟：獲取通孔結構之測量反射光譜；針對該測量反射光譜所包含之振幅資料進行計算；以及根據計算結果決定該至少一通孔結構之底部形狀。
  8. 根據請求項7所述之方法，其中該測量反射光譜包含高頻成分和低頻成分，該低頻成分係作為該高頻成分之載波，而該計算步驟係針對該測量反射光譜之高頻成分於載波上之振幅計算該通孔結構之底部形狀。
  9. 根據請求項7所述之方法，其中該計算步驟係比對該測量反射光譜和根據費涅公式及橢圓球體模型針對該至少一通孔結構之底部形狀所得之模擬反射光譜，而該決定步驟係選擇和該測量反射光譜之誤差最小者之模擬反射光譜，並根據該選擇之模擬反射光譜所設定之參數決定該至少一通孔結構之底部形狀。
  10. 根據請求項9所述之方法，其中該橢圓球體模型可為下列公式表示：，a為橢圓球體之長軸，即該至少一通 孔結構之半徑，其為已知之參數，b為橢圓球體之短軸，而該決定步驟係選擇參數b以決定該至少一通孔結構之底部形狀。
  11. 根據請求項9所述之方法，其中該至少一通孔結構之半徑係根據測量或製程參數而得。
  12. 根據請求項7所述之方法，其中該測量反射光譜係利用反射儀照射該至少一通孔結構以收集而得。
  13. 根據請求項12所述之方法，其中該測量反射光譜係由該反射儀同時照射複數個通孔結構以收集而得，而該決定步驟可同時決定該等通孔結構之底部形狀。
  14. 一種測量通孔結構之系統，包含：一反射儀，設定以收集至少一通孔結構之反射光譜；一模擬單元，設定以提供該至少一通孔結構之模擬之反射光譜；以及一比對單元，設定以比對該收集之反射光譜和該模擬之反射光譜以決定該至少一通孔結構之深度和底部形狀。
  15. 根據請求項14所述之系統，其中該模擬單元係一資料庫，其包含複數個根據通孔結構之不同深度和底部形狀所模擬之反射光譜。
  16. 根據請求項14所述之系統，其中該模擬單元係一電腦裝置，其設定以根據通孔結構之不同深度和底部形狀產生不同之模擬之反射光譜。
  17. 根據請求項14所述之系統，其中該模擬之反射光譜係根據費涅公式所產生。
  18. 根據請求項14所述之系統，其中該模擬之反射光譜係根據一橢圓球體模型所產生，其中該橢圓球體模型係用以模擬該至少一通孔結構之底部形狀。
  19. 根據請求項18所述之系統，其中該橢圓球體模型可為下列公式表示：，a為橢圓球體之長軸，即該至少一通孔結構之半徑，其為已知之參數，b為橢圓球體之短軸，而該比對單元係選擇參數b以決定該至少一通孔結構之底部形狀。
  20. 根據請求項19所述之系統，其中該至少一通孔結構之半徑係根據測量或製程參數而得。
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