TW201433788A - 基於紅外線之量測於矽穿孔周圍應力及缺陷之偵測 - Google Patents

基於紅外線之量測於矽穿孔周圍應力及缺陷之偵測 Download PDF

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Abstract

提供一種基於IR之測量的方法用以偵測在半導體裝置之TSV周圍的應力及/或缺陷。具體言之，在一典型具體實施例中，IR光束會由IR光源射出穿過在TSV周圍的材料。一旦該IR光束穿過在該TSV周圍的材料，用一或更多演算法分析該光束以確定有TSV應力及/或缺陷(例如，嵌入裂痕等等)有關的資訊。在一具體實施例中，該IR光束可分成第一部份與第二部份。該第一部份會穿過在TSV周圍的材料同時該第二部份繞過該TSV。在該第一部份穿過該TSV周圍之該材料後，這兩個部份隨後可再結合，以及如上述，可分析所得光束。

Description

基於紅外線之量測於矽穿孔周圍應力及缺陷之偵測
本發明的具體實施例大致有關於基於紅外線(IR)之測量。特別是，本發明的具體實施例有關於使用基於紅外線(IR)之量測於矽穿孔(TSV)周圍應力及缺陷之偵測。
熱機械可靠性已變成實作矽穿孔(TSV)的大問題，矽穿孔(TSV)為3D整合設計的重要組成部分。具體言之，由矽(Si)與銅(Cu)之CTE失配引起的加工誘發應力可能造成效能及可靠性的不利影響。此類效應主要包括移動率劣化、矽裂痕(Si cracking)、裝置剝離(device de-bonding)以及TSV冒出(pop-out)。
因此，TSV應力的測量及處理已變成裝置設計及整合的重要部份。可惜，現存方法通常需要剖開裝置，例如在使用諸如電子顯微鏡之類的製程期間。亦即，顯微鏡可能受限於樣本表面拓樸(surface topography)或者是需要物理損壞受測樣本。
本發明的數個態樣大致有關於基於IR之測量於半導體裝置之TSV周圍/附近應力及缺陷之偵測的方法。具體言之，在一典型具體實施例中，IR光束會由IR光源射出穿過在TSV周 圍的材料。一旦該IR光束已穿過在該TSV周圍的材料，用一或更多演算法分析該光束，以確定關於TSV缺陷(例如，嵌入裂痕等等)的資訊。在一具體實施例中，該IR光束可分成第一部份與第二部份。該第一部份會穿過在TSV周圍的材料同時該第二部份繞過該TSV。在該第一部份穿過該TSV周圍之該材料後，這兩個部份隨後可再結合(recombine)，以及如上述，可分析所得光束。
本發明的第一態樣提供一種基於紅外線(IR)之測量的方法，其係包含下列步驟：使源於IR光源的IR光束穿過在半導體裝置之矽穿孔(TSV)周圍的材料；以及在該IR光束穿過該TSV周圍之該材料後，分析該IR光束以確定關於該TSV周圍之應力或缺陷的資訊。
本發明的第二態樣提供一種基於紅外線(IR)之測量的方法，其係包含下列步驟：使用IR光源射出IR光束；使該IR光束沿著預定路徑穿過在半導體裝置之矽穿孔(TSV)周圍的材料；以及在該IR光束穿過該TSV周圍之該材料後，分析該IR光束，以確定關於該TSV周圍之應力或缺陷的資訊。
本發明的第三態樣提供一種基於紅外線(IR)之測量的方法，其係包含下列步驟：使用IR光源射出IR光束；將該IR光束分成第一部份與第二部份；使該IR光束的該第一部份穿過在半導體裝置之矽穿孔(TSV)周圍的材料；在該穿過步驟後，使該第一部份與該第二部份結合；以及在該結合後，分析該光束，以確定關於該TSV周圍之應力或缺陷的資訊。
10、56‧‧‧半導體裝置
12、58‧‧‧TSV
14‧‧‧嵌入裂痕
16‧‧‧阻進區
50、70‧‧‧IR光源
52、72‧‧‧IR光束
54、80A、80B‧‧‧光件
60、78‧‧‧光束
62‧‧‧偵測器
72A‧‧‧第一部份
72B‧‧‧第二部份
73‧‧‧分束器
74‧‧‧半導體裝置
76‧‧‧TSV
82‧‧‧光束結合器
84‧‧‧再結合光束
86‧‧‧偵測器
由以下本發明各態樣結合附圖的詳細說明可更加明 白本發明以上及其他的特徵。
第1圖舉例圖示有經歷缺陷之矽穿孔(TSV)裝置的半導體裝置。
第2圖根據本發明之一具體實施例圖示用基於IR之量測來分析TSV缺陷。
第3圖根據本發明另一具體實施例圖示用基於IR之量測來分析TSV缺陷。
附圖不一定按比例繪製。附圖只是用來圖示，並非旨在描寫本發明的特定參數。附圖旨在只描繪本發明的典型具體實施例，因此不應被視為用來限制範疇。附圖中，類似的元件用相同的元件符號表示。
此時參考圖示具體實施例的附圖更完整地描述數個示範具體實施例。不過，本揭示內容可實作成許多不同的形式以及不應被視為受限於在此提及的具體實施例。反而，提供該等具體實施例使得本揭示內容徹底和完整而且充分傳達本揭示內容的範疇給熟諳此技術領域者。說明中，省略習知特徵及技術的細節以免不必要地混淆本發明具體實施例。
用於本文的術語只是要用來描述特定具體實施例而非旨在限制本揭示內容。如本文所使用的，英文單數形式“a”、“an”和“the”也旨在包括複數形式，除非上下文中另有明確指示。此外，英文用語a、an等不是表示量的限制，反而表示參考項目中之至少一者的存在。用語“集合”旨在意指至少有一個的數量。更應該理解，用語“包含(comprises)”及/或“包含 (comprising)”、或者“包括(includes)”及/或“包括(including)”在用於本專利說明書時具體描述提及之特徵、區域、整數、步驟、操作、元件及/或組件的存在，但不排除存在或加入一或更多其他特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件及/或彼等之群組的存在或添加。
本專利說明書中提到的“一個具體實施例”、“具體實施例”、“數個具體實施例”或“數個示範具體實施例”或類似語言係意指結合該具體實施例所述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個具體實施例中。因此，出現於本專利說明書各處的片語“在一個具體實施例中”、“在一具體實施例中”、“在數個具體實施例中”或類似語言可能全都指稱同一個具體實施例，但是不一定如此。
用語“覆於…上”或“在…頂上”，“設置於…上”或“設置於…頂上”，“底下”，“在…下面”或“之下”係指第一元件(例如，第一結構，例如，第一層)出現在第二元件(例如，第二結構，例如，第二層)上，其中在第一元件與第二元件之間可能存在中介元件，例如介面結構(例如，介面層)。
如上述，本發明的態樣係有關於基於IR之量測於半導體裝置之TSV周圍/附近應力及缺陷之偵測的方法。具體言之，在一典型具體實施例中，IR光束會由IR光源射出通過在TSV周圍的材料。一旦該IR光束穿過在TSV周圍的材料，使用一或更多演算法分析該光束以確定與TSV缺陷有關的資訊，例如嵌入裂痕、等等。在一個具體實施例中，該IR光束可分成第一部份與第二部份。該第一部份會穿過在TSV周圍的材料，而該第二部份 繞過該TSV。在該第一部份穿過該TSV周圍之該材料後，這兩個部份隨後可再結合，然後如上述，可分析所得之光束。
第1圖圖示有TSV 12缺陷的半導體裝置10之實施例。具體言之，如圖示，TSV 12在材料14內部有嵌入裂痕以及“阻進(keep-out)”區16。如上述，此類缺陷可能大幅影響此類裝置的設計及/或整合。在先前技術的方法中，為了完全評估和解決缺陷，會由於需要剖開而破壞裝置。不過，本發明方法用基於IR光的量測方法來避免這個必要。
具體言之，如第2圖至第3圖時所示及以下說明所描述者，本發明方法使IR光束通過在TSV周圍的材料，然後分析所得之光束。一般而言，此方法利用光子能小於矽帶隙(1.12eV)而變透光的IR光束，因而可提供沿著TSV之全長的詳細資訊。一般而言，以下原理及演算法會應用於下文。此類原理之一是均勻的“媒體”會產生良好定義的周期性條紋(periodic fringe)。此類媒體可以揭示與TSV及/或其狀態有關的各項資訊。根據壓光效應(piezo-optic effect)：△ε ij (ω)=P ijkl (ω)X kl
在此Xkl為應力張量以及Pijkl為壓光張量。因此，應力或埋藏裂痕缺陷的分布會導致折射率沿著光束路徑有微擾(以及應力相依相移)，這可用以下演算法揭示：
在此T為矽晶圓的總厚度。這導致條紋在TSV周圍失真，以及可估計失真的數量為：P~10-9Pa-1，X~100Mpa，T~100m，因此 相移為△Φ~32rad，這是很顯著的效應。
第2圖係根據本發明之一態樣圖示直接成像法。如圖示，IR光源50射出IR光束52(例如，小於約1.12eV)。一或更多光件54可用來引導光束52進入半導體裝置56的TSV 58。光束52會穿過TSV 58的長度。所得之光束60會包含折射率的微擾及其他異常，以及偵測器62可接收及分析此光束以確定關於TSV 58周圍應力或缺陷的資訊。
第3圖圖示基於干涉測量技術的方法。如圖示，IR光束72由IR光源70射出(例如，小於約1.12eV)。光束72會被分束器(beam splitter)73分成第一部份72A與第二部份72B。如圖示，第一部份72A會穿過半導體裝置74的TSV 76(例如，經由光件(或數個)80A)同時部份72B繞過裝置74。所得光束78會用光束結合器(beam combiner)82(例如，經由光件(或數個)80B)與部份72B再結合以產生再結合光束84而會被與第2圖類似的偵測器86分析以確定關於TSV 76中或周圍之應力或缺陷的資訊。使用此法可產生改良的對比及解析度以及提供比較基礎(亦即，在穿過TSV 76周圍之材料的部份72A與部份72B之間做比較)。
如圖示及上述，描述於本文基於IR的方法可提供TSV圖案周圍應力的非侵入性、原位及高處理量偵測。為了優化製程，該等方法也可用來在熱循環期間即時監測應力以便防止形成高應力及缺陷。此外，該等方法可提供關於TSV周圍之埋藏應力及/或缺陷的詳細資訊而不需剖開樣本。第3圖的干涉測量(相敏)技術可提供更好的對比、解析度及敏感度。
在各種具體實施例中，可提供及組構設計工具以產 生用來圖案化如本文所述之半導體層的資料集。例如，可建立資料集以產生用於微影操作期間的光罩以圖案化用於如本文所述之結構的層。此類設計工具可包括一或更多模組的集合以及也可包含硬體、軟體或彼等之組合。因此，例如，工具可為一或更多軟體模組、硬體模組、軟體/硬體模組或彼等之任何組合或排列的集合。作為另一實施例，工具可為運行軟體或實作於硬體其中的計算裝置或其他用具。如本文所使用者，模組的實作可用任何形式的硬體、軟體或彼等之組合。例如，可實作一或更多處理器、控制器、特殊應用積體電路(ASIC)、可程式邏輯陣列(PLA)、邏輯組件、軟體常式、或其他機構以構成模組。在具體實作中，描述於本文的各種模組可實作成離散模組，或一或更多模組可部份或全部共享論及的功能及特徵。換言之，本技技術領域中一般技術人員在閱讀本文後會明白，描述於本文的各種特徵及機能可實作於任何給定應用系統中以及以各種組合及排列實作於一或更多個別或共享模組中。儘管可將各種特徵或機能的元件個別地描述或主張為獨立的模組，然而本技技術領域中一般技術人員會了解一或更多共用軟體及硬體元件可共享該等特徵及機能，以及這種描述不得要求或暗示使用獨立硬體或軟體組件來實作該等特徵或機能。
儘管已結合示範具體實施例來特別圖示及描述本發明，然而熟諳此技術領域者應瞭解，仍有變體及修改。例如，儘管本文把示範具體實施例描述成一連串的動作或事件，然而應瞭解，本發明不受限於該等動作或事件的圖示順序，除非特別註明。根據本發明，有些動作可以不同的順序發生及/或除了圖示及/或描 述於本文的以外，與其他動作或事件並行。此外，並非所有圖示步驟要求實施本發明的方法。此外，本發明方法的實施可與圖示及描述於本文之結構的形成及/或加工有關連以及與未圖示的其他結構有關連。因此，應瞭解，隨附申請專利範圍旨在涵蓋所有落在本發明之真正精神內的修改和變化。
10‧‧‧半導體裝置
12‧‧‧TSV
14‧‧‧嵌入裂痕
16‧‧‧阻進區

Claims (20)

  1. 一種基於紅外線(IR)之測量的方法，係包含：使源於IR光源的IR光束穿過在半導體裝置之矽穿孔(TSV)周圍的材料；以及在該IR光束穿過該TSV周圍之該材料後，分析該IR光束，以確定關於該TSV周圍之應力或缺陷的資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，該分析包括：沿著該IR光束之路徑，測量該TSV周圍之該材料的一組光學性質之微擾。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，該測量包括：應用以下演算法：。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：由該IR光源射出IR光束；以及將該光束分成第一部份與第二部份，該穿過包括使該第一部份穿過該TSV周圍之該材料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，更包括：在該第一部份穿經該TSV周圍之該材料後，使該第一部份與該第二部份結合。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，該分析包括：在該結合後，分析該IR光束。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，該IR光束具有小於約1.12eV的光子能。
  8. 一種基於紅外線(IR)之測量的方法，係包含：使用IR光源射出IR光束； 使該IR光束沿著預定路徑穿過在半導體裝置之矽穿孔(TSV)周圍的材料；以及在該光束穿過該TSV周圍之該材料後，分析該光束，以確定關於該TSV周圍之應力或缺陷的資訊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，該分析包括：沿著該光束的路徑，測量折射率的微擾。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，該測量包括：應用以下演算法：。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，更包括：將該IR光束分成第一部份與第二部份，該穿過包括使該第一部份穿過該TSV周圍之該材料。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更包括：在該第一部份穿過該TSV周圍之該材料後，使該第一部份與該第二部份結合，以產生再結合IR光束。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，該分析包括：分析該再結合IR光束。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，該IR光束具有小於約1.12eV的光子能。
  15. 一種基於紅外線(IR)之測量的方法，係包含：使用IR光源射出IR光束；將該IR光束分成第一部份與第二部份；使該IR光束的該第一部份穿過在半導體裝置之矽穿孔(TSV)周圍的材料； 在該穿過後，使該第一部份與該第二部份結合；以及在該結合後，分析該光束，以確定關於該TSV周圍之應力或缺陷的資訊。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，該分析包括：沿著該光束的路徑，測量折射率的微擾。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，該測量包括：應用以下演算法：。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，該IR光束具有小於約1.12eV的光子能。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，該分析包括：應用干涉測量技術。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之方法，該方法係即時進行。
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