CN105043297B - 一种无损、快速tsv结构侧壁形貌测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无损、快速的TSV结构侧壁形貌测量方法，包括如下步骤：利用高分辨率IR显微镜，调节聚焦深度，选取多个焦平面；选定其中一焦平面，并针对该焦平面所获得的图像，获得圆心的位置；计算边缘轮廓到圆心的距离，获得该焦平面图像的边缘到圆心的距离分布；改变焦平面位置，重复步骤三，计算出每一个焦平面图像的边缘到圆心的距离分布，获得在同一个旋转角度下，边缘在深度方向到圆心的距离分布；结合步骤五所得的计算结果，得到TSV结构侧壁的三维形貌分布；通过统计计算，获得TSV结构侧壁的形貌测量。

Description

一种无损、快速TSV结构侧壁形貌测量方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其是一种晶圆TSV结构侧壁形貌测量方法。

背景技术

主导电子制造业的电子制造技术一直遵循着1965年提出的“摩尔定律”（集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍）进行发展。但是在小型化、多功能、低成本和低功耗的持续推动下，当前二维（2D）电子制造中的特征尺寸日益接近物理极限，使得在单一芯片集成更高密度和更多功能的器件愈加困难，开发成本也急剧提高，于是出现了“超越摩尔（More than Moore）”的新概念。根据国际半导体技术路线图（InternationalTechnology Roadmap of Semiconductor, ITRS）报告预测，从2D制造走向三维（3D）集成制造目前被认为是超越摩尔定律、提升器件性能和性价比的首选解决方案。

为了实现芯片3D集成，芯片需要进行垂直方向的互连，其中“硅通孔”（ThroughSilicon Via，TSV）的主要作用是将在竖直方向堆叠起来的芯片互连起来，起到信号导通和传热等作用。相对于传统的引线互连方式，TSV互连路径缩短，有利于减少信号延迟和功率损耗，同时增大了集成度和带宽（在同样的尺寸上可以集成更多的功能器件）。由此可见，TSV结构已经成为3D集成技术的典型结构单元，因此开展针对TSV结构的研究，对实现以三维集成为代表的新一代微电子技术具有重要的意义。

由于TSV结构参数与制造工艺流程相关，目前主流的TSV制造工艺已经明确：（1）在晶圆一侧通过深反应离子刻蚀技术（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）刻蚀TSV盲孔。为了改善后续工艺绝缘层沉积的台阶覆盖率，一般TSV侧壁刻成83～89度的轻微锥形；（2）在刻蚀完成的孔壁上利用低压化学气相沉积（Semi-Atmosphere Chemical VaporDeposition，SACVD）或者低温离子增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD）生成二氧化硅（SiO₂）绝缘层；（3）在SiO₂层上通过物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）扩散阻挡层（Ti或者Ta或者其氮化物），然后在阻挡层上再沉积一层铜（Cu）种子层；（4）用电镀法将Cu填充进TSV孔；（5）退火工艺，以增大填充好的Cu的晶粒尺寸，并使其分布均匀；（6）化学机械法抛光（Chemical MechanicalPolishing，CMP）去除多余的Cu；（7）将晶圆从另一侧减薄，露出TSV的铜，使TSV盲孔变通孔。

为了实现上述TSV制作工艺流程, 保证含有TSV结构器件的性能，TSV结构的几何参数（侧壁形貌）需要精确测量。例如，TSV刻蚀需要测量侧壁的粗糙度，为后续薄膜沉积提供良好界面，减小侧壁的粗糙度，能有效的减少漏电流，从而提高器件的电学性能，同时界面粗糙度影响界面的结合能力，对界面完整性及性能可靠性产生影响。

近年来，国内外众多研究人员从仿真模拟和实验角度，对TSV结构的关键几何参数（侧壁形貌）的测量开展了大量的研究。

在TSV结构表面形貌测量方面，目前常用的扫描电镜（SEM）可以获得精确的测量结果，但是需要破坏器件做成样品，测量效率较低和成本较高，对于大量的TSV测量比较困难，因此测量结果的统计规律很难发现。有文献采用改进的聚焦离子束电镜方法（FIB-SEM），虽然提高了传统电镜测量的效率，但是该测试测量范围过小，总体测量效率仍然偏低，另外需要破坏结构形成测试样品。针对非破坏性无损测量，一些研究者采用光谱反射仪或白光干涉仪从刻蚀的晶圆正面进行测量，这些方法主要是针对TSV孔深度和直径的测量，由于Si材料对可见光的不透光性，侧壁的形貌无法利用这些方法进行测量。另有文献利用Si材料对红外光的可透光特性，采用红外（IR）干涉仪从晶圆背面入射，测量从TSV孔底和晶圆正表面的反射光相位偏移，以获得TSV的深度，但是该方法也无法测量TSV的侧壁形貌；另有文献尝试利用改进的原子力显微镜（AFM）探针，测量深沟槽侧壁的形貌，但是该方法测量效率较低，另外探针可能会带来测量表面损伤。另外，还有文献利用X射线层析成像（XCT）获得TSV结构内部信息，并通过图像重构获得三维信息，主要用于内部缺陷检测，但还没有关于侧壁形貌测量的报道。虽然，最近一些研究者提出离焦扫描光学显微镜（TSOM）技术，通过移动样品在光学显微镜中的位置，收集样品处于非焦平面的光学信号，形成能反映样品3D形貌纳米级的微小变化，但是最终的合成图像是多参数耦合的结果，目前还没有成熟的解耦方法（合成图像的变化具体由哪个尺寸参数变化引起的不明确），也有文献尝试利用TSOM技术测量TSV关键几何尺寸，但是没有给出准确结果，只是讨论了潜在的可能性。由此可见，目前的研究工作在实现无损、快速的TSV的形貌测量方面仍显不足，需要进一步研究，满足在线无损测量的实用化需求。

发明内容

本发明提供一种无损、快速的TSV结构侧壁形貌测量方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无损、快速的TSV结构侧壁形貌测量方法，包括如下步骤：

步骤一、利用高分辨率IR显微镜，调节聚焦深度，选取多个焦平面；

步骤二、选定其中一个焦平面，并针对该焦平面所获得的图像，获得圆心的位置；

步骤三、计算边缘轮廓到圆心的距离，获得该焦平面图像的边缘到圆心的距离分布；

步骤四、改变焦平面位置，重复步骤三，计算出每一个焦平面图像的边缘到圆心的距离分布，获得在同一个旋转角度下，边缘在深度方向到圆心的距离分布；

步骤五、结合步骤四所得的计算结果，得到TSV结构侧壁的三维形貌分布；

步骤六、通过统计计算，获得TSV结构侧壁的形貌测量。

其中，步骤二中获得圆心的位置是采用近似圆拟合方法。

其中，步骤三中边缘到圆心的距离分布采用坐标形式记录，横坐标为旋转角度，纵坐标为边缘到圆心的距离值，各焦平面图像中边缘到圆心的距离分布形成一曲线。

其中，步骤五中三维形貌分布采用在坐标中的图像来显示，横坐标为旋转角度，通过不同颜色或灰度来表示不同的形貌。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种快速、无损的TSV结构侧壁形貌的测量方法，通过已有的电镜微观分析手段标定图像信号的物理意义，从而建立可以直接通过图像信号分析，快速、无损地获得TSV结构形貌测量。

附图说明

图1为本发明实施例中IR显微镜分层成像示意图。

图2为本发明实施例中在成像焦平面上获得的图像示意图。

图3为本发明实施例中在同一个焦平面上的图像中，边缘到圆心的距离分布示意图。

图4为本发明实施例中在TSV结构深度方向的形貌计算示意图。

图5为本发明实施例中在选定的旋转角度下，边缘到圆心距离在深度方向上的分布示意图。

图6为本发明实施例中TSV结构侧壁三维形貌测量结果在平面的映射示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。

如图1至图6所示，本实施例采用基于IR显微成像分析的方法，获得TSV结构侧壁的三维形貌，具体的技术方案为：利用高分辨率IR显微镜，调节聚焦深度，获得不同位置的TSV结构的图像（如图1所示）；针对在选定焦平面所获得的图像（根据成像系统的光学放大率和CCD相机的参数，可以计算出图像每个像素的物理尺寸，如图2所示），首先通过近似圆拟合，获得圆心的位置，然后计算边缘轮廓到圆心的距离，可以获得该焦平面图像的边缘到圆心的距离分布（在平均半径附近波动，如图3所示）；改变焦平面位置（如图4所示），按照上述方法，可以计算出每一个焦平面图像的边缘到圆心的距离分布，因此可以获得在同一个旋转角度（如起始位置0度）下，边缘在深度方向到圆心的距离分布（如图5所示）；结合所得的计算结果，可以得到TSV结构侧壁的三维形貌分布（本实施例采用不同的颜色表示边缘到圆心的距离不同，如图6所示，本图因格式要求只显示灰度），从而可以通过统计计算，获得TSV结构侧壁的形貌测量（如粗糙度）。

本实施例无损、快速的TSV结构侧壁形貌测量方法包括如下步骤：

步骤一、利用高分辨率IR显微镜，调节聚焦深度，选取多个焦平面；

步骤二、选定其中一个焦平面，并针对该焦平面所获得的图像，获得圆心的位置；

步骤三、计算边缘轮廓到圆心的距离，获得该焦平面图像的边缘到圆心的距离分布；

步骤四、改变焦平面位置，重复步骤三，计算出每一个焦平面图像的边缘到圆心的距离分布，获得在同一个旋转角度下，边缘在深度方向到圆心的距离分布；

步骤五、结合步骤四所得的计算结果，得到TSV结构侧壁的三维形貌分布；

步骤六、通过统计计算，获得TSV结构侧壁的形貌测量。

其中，步骤二中获得圆心的位置是采用近似圆拟合方法。

其中，步骤三中边缘到圆心的距离分布采用坐标形式记录，横坐标为旋转角度，纵坐标为边缘到圆心的距离值，各焦平面图像中边缘到圆心的距离分布形成一曲线（如图3）。

其中，步骤五中三维形貌分布采用在坐标中的图像来显示，横坐标为旋转角度，通过不同颜色或灰度来表示不同的形貌（如图6）。

通过与其它方式获得的测量结果相验证，显示本测量方法获得的结果准确度较高，能满足评价TSV结构的制造性能和服役可靠性的要求。

Claims (4)

1.一种无损、快速的TSV结构侧壁形貌测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、利用高分辨率IR显微镜，调节聚焦深度，选取多个焦平面；

步骤二、选定其中一个焦平面，并针对该焦平面所获得的图像，获得圆心的位置；

步骤三、计算边缘轮廓到圆心的距离，获得该焦平面图像的边缘到圆心的距离分布；

步骤四、改变焦平面位置，重复步骤三，计算出每一个焦平面图像的边缘到圆心的距离分布，获得在同一个旋转角度下，边缘在深度方向到圆心的距离分布；

步骤五、结合步骤四所得的计算结果，得到TSV结构侧壁的三维形貌分布；

步骤六、通过统计计算，获得TSV结构侧壁的形貌测量。

2.根据权利要求1所述的TSV结构侧壁形貌测量方法，其特征在于，步骤二中获得圆心的位置是采用近似圆拟合方法。

3.根据权利要求1所述的TSV结构侧壁形貌测量方法，其特征在于，步骤三中边缘到圆心的距离分布采用坐标形式记录，横坐标为旋转角度，纵坐标为边缘到圆心的距离值，各焦平面图像中边缘到圆心的距离分布形成一曲线。

4.根据权利要求3所述的TSV结构侧壁形貌测量方法，其特征在于，步骤五中三维形貌分布采用在坐标中的图像来显示，横坐标为旋转角度，通过不同颜色或灰度来表示不同的形貌。