CN103996633A - 基于红外线的量测于硅穿孔周围应力及缺陷的侦测 - Google Patents

基于红外线的量测于硅穿孔周围应力及缺陷的侦测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于红外线的量测于硅穿孔周围应力及缺陷的侦测，其提供一种基于IR的测量的方法用以侦测在半导体装置的TSV周围的应力及/或缺陷。具体言之，在一典型具体实施例中，IR光束会由IR光源射出穿过在TSV周围的材料。一旦该IR光束穿过在该TSV周围的材料，用一或更多算法分析该光束以确定有TSV应力及/或缺陷(例如，嵌入裂痕等等)有关的信息。在一具体实施例中，该IR光束可分成第一部分与第二部分。该第一部分会穿过在TSV周围的材料同时该第二部分绕过该TSV。在该第一部分穿过该TSV周围的该材料后，这两个部分随后可再结合，以及如上述，可分析所得光束。

Description

基于红外线的量测于硅穿孔周围应力及缺陷的侦测
技术领域
本发明的具体实施例大致涉及基于红外线(infrared；简称IR)的测量。特别是，本发明的具体实施例涉及使用基于红外线(IR)的量测于硅穿孔(through silicon via；简称TSV)周围应力及缺陷的侦测。
背景技术
热机械可靠性已变成实作硅穿孔(TSV)的大问题，硅穿孔(TSV)为3D整合设计的重要组成部分。具体言之，由硅(Si)与铜(Cu)的CTE失配引起的加工诱发应力可能造成效能及可靠性的不利影响。此类效应主要包括移动率劣化、硅裂痕(Si cracking)、装置剥离(devicede-bonding)以及TSV冒出（pop-out）。
因此，TSV应力的测量及处理已变成装置设计及整合的重要部分。可惜，现存方法通常需要剖开装置，例如在使用诸如电子显微镜之类的工艺期间。也就是，显微镜可能受限于样本表面拓朴（surfacetopography）或者是需要物理损坏受测样本。
发明内容
本发明的数个态样大致涉及基于IR的测量于半导体装置的TSV周围/附近应力及缺陷的侦测的方法。具体言之，在一典型具体实施例中，IR光束会由IR光源射出穿过在TSV周围的材料。一旦该IR光束已穿过在该TSV周围的材料，用一或更多算法分析该光束，以确定关于TSV缺陷(例如，嵌入裂痕等等)的信息。在一具体实施例中，该IR光束可分成第一部分与第二部分。该第一部分会穿过在TSV周围的材料同时该第二部分绕过该TSV。在该第一部分穿过该TSV周围的该材料后，这两个部分随后可再结合(recombine)，以及如上述，可分析所得光束。
本发明的第一态样提供一种基于红外线(IR)的测量的方法，其包含下列步骤：使源于IR光源的IR光束穿过在半导体装置的硅穿孔(TSV)周围的材料；以及在该IR光束穿过该TSV周围的该材料后，分析该IR光束以确定关于该TSV周围的应力或缺陷的信息。
本发明的第二态样提供一种基于红外线(IR)的测量的方法，其包含下列步骤：使用IR光源射出IR光束；使该IR光束沿着预定路径穿过在半导体装置的硅穿孔(TSV)周围的材料；以及在该IR光束穿过该TSV周围的该材料后，分析该IR光束，以确定关于该TSV周围的应力或缺陷的信息。
本发明的第三态样提供一种基于红外线(IR)的测量的方法，其包含下列步骤：使用IR光源射出IR光束；将该IR光束分成第一部分与第二部分；使该IR光束的该第一部分穿过在半导体装置的硅穿孔(TSV)周围的材料；在该穿过步骤后，使该第一部分与该第二部分结合；以及在该结合后，分析该光束，以确定关于该TSV周围的应力或缺陷的信息。
附图说明
由以下本发明各态样结合附图的详细说明会更加明白本发明这些及其它的特征，其中：
图1举例图标有经历缺陷的硅穿孔(TSV)装置的半导体装置；
图2根据本发明的一具体实施例图标用基于IR的量测来分析TSV缺陷；以及
图3根据本发明另一具体实施例图标用基于IR的量测来分析TSV缺陷。
附图不一定按比例绘制。附图只是用来图标，并非旨在描写本发明的特定参数。附图旨在只描绘本发明的典型具体实施例，因此不应被视为用来限制范畴。附图中，类似的组件用相同的组件符号表示。
主要组件符号说明
10、56       半导体装置
12、58       TSV
14           嵌入裂痕
16           阻进区
50、70       IR光源
52、72       IR光束
54、80A、80B 光件
60、78       光束
62           侦测器
72A          第一部分
72B          第二部分
73           分束器
74           半导体装置
76           TSV
82           光束结合器
84           再结合光束
86           侦测器。
具体实施方式
此时参考图标具体实施例的附图更完整地描述数个示范具体实施例。不过，本揭示内容可实作成许多不同的形式以及不应被视为受限于在此提及的具体实施例。反而，提供所述具体实施例使得本揭示内容彻底和完整而且充分传达本揭示内容的范畴给此技术领域的技术人员。说明中，可省略习知特征及技术的细节以免不必要地混淆本发明具体实施例。
用于本文的术语只是要用来描述特定具体实施例而非旨在限制本揭示内容。如本文所使用的，英文单数形式“a”、“an”和“the”也旨在包括复数形式，除非上下文中另有明确指示。此外，英文用语“a”、“an”等不是表示量的限制，反而表示参考项目中的至少一者的存在。用语“集合”旨在意指至少有一个的数量。更应该理解，用语“包含(comprises)”及/或“包含(comprising)”、或者“包括(includes)”及/或“包括(including)”在用于本专利说明书时具体描述提及的特征、区域、整数、步骤、操作、组件及/或构件的存在，但不排除存在或加入一或更多其它特征、区域、整数、步骤、操作、组件、构件及/或彼等的群组的存在或添加。
本专利说明书中提到的“一个具体实施例”、“具体实施例”、“数个具体实施例”或“数个示范具体实施例”或类似语言意指结合该具体实施例所述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个具体实施例中。因此，出现于本专利说明书各处的词组“在一个具体实施例中”、“在一具体实施例中”、“在数个具体实施例中”或类似语言可能全都指称同一个具体实施例，但是不一定如此。
用语“覆于…上”或“在…顶上”，“设置于…上”或“设置于…顶上”，“底下”，“在…下面”或“之下”是指第一组件(例如，第一结构，例如，第一层)出现在第二组件(例如，第二结构，例如，第二层)上，其中，在第一组件与第二组件之间可能存在中介组件，例如接口结构(例如，接口层)。
如上述，本发明的态样涉及基于IR的量测于半导体装置的TSV周围/附近应力及缺陷的侦测的方法。具体言之，在一典型具体实施例中，IR光束会由IR光源射出通过在TSV周围的材料。一旦该IR光束穿过在TSV周围的材料，使用一或更多算法分析该光束以确定与TSV缺陷有关的信息，例如嵌入裂痕等等。在一个具体实施例中，该IR光束可分成第一部分与第二部分。该第一部分会穿过在TSV周围的材料，而该第二部分绕过该TSV。在该第一部分穿过该TSV周围的该材料后，这两个部分随后可再结合，然后如上述，可分析所得的光束。
图1图标有TSV12缺陷的半导体装置10的实施例。具体言之，如图标，TSV12在材料14内部有嵌入裂痕以及“阻进（keep-out）”区16。如上述，此类缺陷可能大幅影响此类装置的设计及/或整合。在先前技术的方法中，为了完全评估和解决缺陷，会由于需要剖开而破坏装置。不过，本发明方法用基于IR光的量测方法来避免这个必要。
具体言之，如图2至图3时所示及以下说明所描述者，本发明方法使IR光束通过在TSV周围的材料，然后分析所得的光束。一般而言，此方法利用光子能小于硅带隙(1.12eV)而变透光的IR光束，因而可提供沿着TSV的全长的详细信息。一般而言，以下原理及算法会应用于下文。此类原理之一是均匀的“媒体”会产生良好定义的周期性条纹(periodic fringe)。此类媒体可以揭示与TSV及/或其状态有关的各项信息。根据压光效应(piezo-optic effect)：
Δεij(ω)=Pijkl(ω)Xkl
在此Xkl为应力张量以及Pijkl为压光张量。因此，应力或埋藏裂痕缺陷的分布会导致折射率沿着光束路径有微扰(perturbation)(以及应力相依相移)，这可用以下算法揭示：
Δφ ( x , y ) = ∫ 0 T Δn ( x , y , z ) 2 π λ zdz
在此T为硅晶圆的总厚度。这导致条纹在TSV周围失真，以及可估计失真的数量为：P～10-9Pa-1，X～100Mpa，T～100m，因此相移为ΔΦ～32rad，这是很显著的效应。
图2是根据本发明的一态样图标直接成像法。如图标，IR光源50射出IR光束52(例如，小于约1.12eV)。一或更多光件54可用来引导光束52进入半导体装置56的TSV58。光束52会穿过TSV58的长度。所得的光束60会包含折射率的微扰及其它异常，以及侦测器62可接收及分析此光束以确定关于TSV58周围应力或缺陷的信息。
图3图标基于干涉测量(interferometry-based)技术的方法。如图标，IR光束72由IR光源70射出(例如，小于约1.12eV)。光束72会被分束器(beam splitter)73分成第一部分72A与第二部分72B。如图标，第一部分72A会穿过半导体装置74的TSV76(例如，经由光件(或数个)80A)同时部分72B绕过装置74。所得光束78会用光束结合器(beam combiner)82(例如，经由光件(或数个)80B)与部分72B再结合以产生再结合光束84而会被与图2类似的侦测器86分析以确定关于TSV76中或周围的应力或缺陷的信息。使用此方法可产生改良的对比及分辨率以及提供比较基础(也就是，在穿过TSV76周围的材料的部分72A与部分72B之间做比较)。
如图标及上述，描述于本文基于IR的方法可提供TSV图案周围应力的非侵入性、原位及高处理量侦测。为了优化工艺，所述方法也可用来在热循环期间实时监测应力以便防止形成高应力及缺陷。此外，所述方法可提供关于TSV周围的埋藏应力及/或缺陷的详细信息而不需剖开样本。图3的干涉测量(相敏)技术可提供更好的对比、分辨率及敏感度。
在各种具体实施例中，可提供及配置设计工具以产生用来图案化如本文所述的半导体层的数据集。例如，可建立数据集以产生用于微影操作期间的光罩以图案化用于如本文所述的结构的层。此类设计工具可包括一或更多模块的集合以及也可包含硬件、软件或彼等的组合。因此，例如，工具可为一或更多软件模块、硬件模块、软件/硬件模块或彼等的任何组合或排列的集合。作为另一实施例，工具可为运行软件或实作于硬件其中的计算装置或其它用具。如本文所使用者，模块的实作可用任何形式的硬件、软件或彼等的组合。例如，可实作一或更多处理器、控制器、特殊应用集成电路(ASIC)、可程序逻辑数组(PLA)、逻辑构件、软件例程、或其它机构以构成模块。在具体实作中，描述于本文的各种模块可实作成离散模块，或一或更多模块可部分或全部共享论及的功能及特征。换言之，本技术领域中的技术人员在阅读本文后会明白，描述于本文的各种特征及机能可实作于任何给定应用系统中以及以各种组合及排列实作于一或更多个别或共享模块中。尽管可将各种特征或机能的组件个别地描述或主张为独立的模块，然而本技术领域中的技术人员会了解一或更多共享软件及硬件组件可共享所述特征及机能，以及这种描述不得要求或暗示使用独立硬件或软件构件来实作所述特征或机能。
尽管已结合示范具体实施例来特别图标及描述本发明，然而此技术领域的技术人员应了解，仍有变体及修改。例如，尽管本文把示范具体实施例描述成一连串的动作或事件，然而应了解，本发明不受限于所述动作或事件的图标顺序，除非特别注明。根据本发明，有些动作可以不同的顺序发生及/或除了图标及/或描述于本文的以外，与其它动作或事件并行。此外，并非所有图标步骤可要求实施本发明的方法。此外，本发明方法的实施可与图标及描述于本文的结构的形成及/或加工有关连以及与未图标的其它结构有关连。因此，应了解，随附权利要求书旨在涵盖所有落在本发明的真正精神内的修改和变化。

Claims (20)

1.一种基于红外线IR的测量的方法，包含：
使源于IR光源的IR光束穿过在半导体装置的硅穿孔TSV周围的材料；以及
在该IR光束穿过该TSV周围的该材料后，分析该IR光束，以确定关于该TSV周围的应力或缺陷的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，该分析包括：沿着该IR光束的路径，测量该TSV周围的该材料的一组光学性质的微扰。
3.根据权利要求2所述的方法，该测量包括：应用以下算法：
Δφ ( x , y ) = ∫ 0 T Δn ( x , y , z ) 2 π λ zdz .
4.根据权利要求1所述的方法，更包括：
由该IR光源射出IR光束；以及
将该光束分成第一部分与第二部分，该穿过包括使该第一部分穿过该TSV周围的该材料。
5.根据权利要求4所述的方法，更包括：在该第一部分穿经该TSV周围的该材料后，使该第一部分与该第二部分结合。
6.根据权利要求5所述的方法，该分析包括：在该结合后，分析该IR光束。
7.根据权利要求1所述的方法，该IR光束具有小于约1.12eV的光子能。
8.一种基于红外线IR的测量的方法，包含：
使用IR光源射出IR光束；
使该IR光束沿着预定路径穿过在半导体装置的硅穿孔TSV周围的材料；以及
在该光束穿过该TSV周围的该材料后，分析该光束，以确定关于该TSV周围的应力或缺陷的信息。
9.根据权利要求8所述的方法，该分析包括：沿着该光束的路径，测量折射率的微扰。
10.根据权利要求9所述的方法，该测量包括：应用以下算法：
Δφ ( x , y ) = ∫ 0 T Δn ( x , y , z ) 2 π λ zdz .
11.根据权利要求8所述的方法，更包括：将该IR光束分成第一部分与第二部分，该穿过包括使该第一部分穿过该TSV周围的该材料。
12.根据权利要求11所述的方法，更包括：在该第一部分穿过该TSV周围的该材料后，使该第一部分与该第二部分结合，以产生再结合IR光束。
13.根据权利要求12所述的方法，该分析包括：分析该再结合IR光束。
14.根据权利要求8所述的方法，该IR光束具有小于约1.12eV的光子能。
15.一种基于红外线IR的测量的方法，包含：
使用IR光源射出IR光束；
将该IR光束分成第一部分与第二部分；
使该IR光束的该第一部分穿过在半导体装置的硅穿孔TSV周围的材料；
在该穿过后，使该第一部分与该第二部分结合；以及
在该结合后，分析该光束，以确定关于该TSV周围的应力或缺陷的信息。
16.根据权利要求15所述的方法，该分析包括：沿着该光束的路径，测量折射率的微扰。
17.根据权利要求16所述的方法，该测量包括：应用以下算法：
Δφ ( x , y ) = ∫ 0 T Δn ( x , y , z ) 2 π λ zdz .
18.根据权利要求15所述的方法，该IR光束具有小于约1.12eV的光子能。
19.根据权利要求15所述的方法，该分析包括：应用干涉测量技术。
20.根据权利要求15所述的方法，该方法是实时进行。
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