TWI404105B - 處理半導體裝置之方法以及使用一聚焦光束以在一基板上切割一孔洞之製程 - Google Patents

Description

處理半導體裝置之方法以及使用一聚焦光束以在一基板上切割一孔洞之製程

本發明關於一種用以引導的方法，其包含終點指示，該方法使用嵌埋在一工作件表面下的微小特徵。

現代積體電路由許多層的導體、絕緣體、及半導體組成。許多現代積體電路使用"覆晶"技術製造，該技術將該電路上下顛倒鑲埋到一載體上。為了在該晶片被鑲埋後檢驗或改變該等內層電路，便需要從該電路背部接近該電路。半導體晶圓典型地有數百微米厚，所以必須在到達該電路之前，先從該電路背部移除一些材料。當從該背部接近電路的時候，並沒有參考點可供引導，也就是說，並沒有簡單的方法可以精確地決定一特殊特徵在該電路上的位置。因此，要在一覆晶上接近該電路，則必須決定那裡要移除材料以露出該背部的電路，及必須決定何時停止移除材料以免損壞該電路。決定何時停止銑削稱為"終點指示"。

典型地，移除該背部材料是以幾個步驟來完成。一第一步驟典型地包含一製程，像是化學機械研磨法，其可以快速地將該整個晶片變薄，且留下足夠的材料，具有足以處理該晶片的機械強度。後續步驟包含在該相關電路特徵的大約位置中央的材料上，鑽出一大洞。該製程典型地使用雷射或離子束來完成。一快速移除材料的製程典型地無法精確停在某一深度上，所以當該背部孔洞接近該電路時，典型地必須使用一更為精確的第二製程。

一種從該背部慢慢接近該電路的方法使用離子束銑削及一"終點指示"技術，該技術指示何時靠近或抵達要被露出的特徵。在某一終點指示技術中，一光線顯示於該孔洞內，而當該孔洞接近該電路之電晶體區域時，該光線引發一電流。隨著該光束引發電流的增加，該使用者便知道正接近該電路的電晶體區域。

另一終點指示技術，其描述在Lundquist之美國專利申請案2002/0074494中使用聚焦離子束銑削，從該背部接近該電路之主動電晶體區域。當該離子束接近該電路時，該離子束產生電荷載體，造成一漏電流通過該電晶體。該離子束被調變，而一頻率敏感放大器在該調變頻率下，放大該電源供應漏電流。當該電流達到某一程度時，該使用者便可以假定該離子束非常靠近該電路的主動電晶體區域。雖然此方法可以說明使用者何時更接近一主動電晶體區域，但是除了提供該離子束的撞擊接近一主動電晶體區域的資訊之外，並無法提供有關該離子束正在撞擊的表面是在何處的資訊。

不論在一覆晶背部或一傳統電路前端，一般用以決定何時停止銑削的技術是要觀察已經被銑穿一層時該電路的影像。雖然一光學顯微鏡可用以形成一影像，但是一光學顯微鏡的解析度等級只有0.5微米，並不足以觀察到等級0.1微米的電路特徵。一種更為適合觀察微小裝置的方法是藉由使用帶電荷的粒子束成像，像是掃描離子顯微鏡或掃描電子顯微鏡。

一帶電荷的粒子束，像是一聚焦離子束或一電子束，是在一表面上掃描。該帶電荷粒子束的撞擊導致射出各種粒子，如二次電子、向後散射電子及離子。從每點所射出的粒子數取決於該點的組成及形貌(topography)。一影像係形成在一視訊螢幕上，該影像上每點的明亮度對應於從該表面在一對應點上所射出之粒子數量。如果一影像可以與該電路的已知資訊互相關聯，則該影像可以提供用於引導的資訊。

典型地，該工作件由一平台所支撐。該平台可以朝三個方向移動，即"X"、"Y"及"Z"，而該平台及光束的移動是使用系統座標指定及控制。典型地，一工作件有自己的座標系統，這是讓設計者使用，以指定各種特徵形成於何處。藉由找到被併入該工作件內的定位標記(registration mark)，稱為"基準(fiducials)"，便可以將工作件座標與系統座標相關聯，使得使用者可以使用工作座標指定在該工作件上的位置，而該系統可以移動該平台而指引該光束，也就是"引導"到該位置。該關聯稱為定位(registration)。然而從一晶片背部銑削該晶片，看不到該等基準，因此難以定位該工作件而找到一要求位置。

雖然成像技術對於在一平面上引導是有用的，但是該等技術對於終點指引卻有缺點。當使用成像以決定一層何時被露出時，該層可能在該終點指示決定之前就已損壞。再者，為了找出一影像中的參考點以決定該光束要落在該電路上何處，需要利用試誤法及較大的面積以露出，這很有可能損壞每個露出的區域。

Zaluzec的美國專利6,548,810,"Scanning Confocal Electron Microscope"說明一可以成像次表面特徵之電子顯微鏡，但是因為該系統使用透射式電子，該基板必須較薄且該系統必須被建構用以檢測透射式電子，因此無法便利地使用在既有的SEMs。

有需要提供一種用以在一半導體晶片上或其他具有嵌埋次表面特徵的工作件上引導或終點指示的改良方法。

本發明的一目的是要提供一種用以檢視次表面的方法，以決定嵌埋微小特徵的位置，例如將一物理系統之座標與該系統之一影像的座標相關聯，或與電腦設計資訊相關聯，或接近該嵌埋特徵時，決定何時停止一銑削操作。

當一帶電荷粒子束衝擊一表面時，便產生二次電子及向後散射電子。二次電子及向後散射電子的數量提供有關該表面的資訊。當一離子束衝擊該表面時，典型地，該等射出電子提供有關該表面上方數奈米厚的資訊(雖然次表面的電氣充電可以提供這些用以成像的特徵某種對比)。當一具有較高能量的電子束被導向一表面時，該等電子會穿透該表面到某一深度，該深度取決於該等電子能量，所以該等射出電子可以作為次表面特徵的指示。

在一較佳實施例中，一具有足以穿透該表面的能量的電子束被導向一基板，而形成一有關次表面特徵的影像。一使用者使用該次表面影像決定該光束衝擊的位置，及將該光束引導到一要求的次表面特徵。跟聚焦的離子束成像不一樣的地方在於該等二次電子產生在該表面數奈米深的地方，具有充分能量的電子可以穿透該表面超過一微米厚，提供有關次表面特徵的資訊。該次表面特徵可以是，例如一方位標記，像是在一積體電路上的一基準或任何特徵。檢視該基準可供使用者將該基板的地圖(map)，像是積體電路之電腦輔助設計資料，與該真實表面相關聯或定位，使得該使用者可以使用該地圖，將該光束在該表面上引導到該真實表面上一精確位置。

因為檢視的深度是由該電子能量決定，所以被檢視特徵表面下方的深度可以被決定。因此，該次表面電子束檢視也可用於終點指示，也就是說，用於決定何時停止銑削。

用於對準之次表面檢視對於背部引導特別有用，其中沒有露出的特徵要在其上定位。這對於當基準或其他標記被一層遮住時的前端對準也很有用。

前文已經較廣泛地陳述本發明之特徵及技術優點，使得本發明隨後詳細描述可以更容易了解。本發明額外特徵及優點將會描述於下文中。熟悉該項技藝者應了解的是所揭示的觀念及特定實施例可以很容易作為用以修改或設計其他實施本發明相同目的之結構的基礎。同樣地，熟悉該項技藝者應了解的是該等等效結構不能背離在文後請求項中所提出的本發明精神及範圍。

圖1概略顯示一可用以實施本發明之雙光束系統100。例如，某一適合的系統像是FEI公司Model Strata 400，該公司為本發明的受讓人。本發明可以使用任何具有產生一電子束能力的電子束系統來實施，該電子束具有充分的光束能量、信號檢測器及該特定應用所要求的解析度。

在所顯示的實施例中，一電子束柱102及一離子束柱104被定位成彼此相交某一角度，而每柱產生光束撞擊在一基板108的同一點106上。在其他實施例中，該等撞擊點是被隔開，而一平台精確地將該基板在該等光束撞擊位置之間移動。在該等實施例中，該等光束定位成彼此相交某一角度以減少該平台行進距離，或是該等光束也可以互相平行。在其他實施例，該離子束及電子束可以同軸向，如同在美國專利公開案20040108458中所描述。一檢測器112檢測當該目標被該離子束或該電子束撞擊後所發射的二次電子。或者，也可以使用一向後散射電子檢測器、一穿透鏡(through－the－lens)檢測器或其他檢測器。

熟悉該項技藝者應了解系統100包含許多額外特徵，像是一氣體射出系統116，用於粒子束沉積或增強型蝕刻。該基板108典型地保持在一高度真空狀態，例如大約10^{－ 5} mbar(.001 N/m² )，然而本發明也可以在一低真空系統中實施，像是一環境掃描電子顯微鏡，如Mancuso等人在美國專利4,785,182中所描述，其被讓與本發明的受讓人。雖然一較佳實施例包含一用以改變該工作件之聚焦離子束，該工作件也可以使用適當的蝕刻輔助化學物，利用一雷射或利用一電子束來改變，所以並非所有實施例都包含一FIB柱。

本發明之一態樣包含使用一具有足夠高能量的電子束，以形成一次表面影像，也就是說，一被其他材料所覆蓋的特徵影像。本發明所使用的電子能量典型高於掃描電子顯微鏡所使用的能量，而低於在穿透式電子顯微鏡中所使用的能量。該較佳電子能量會隨著該材料類型及該覆蓋層的厚度而變化。在不同實施例中，具有大於約5 keV能量的電子、具有大於約10 keV能量的電子、具有大於約15 keV能量的電子、具有大於約25 keV能量的電子、具有大於約30 keV能量的電子、或具有大於約50 keV能量的電子是較佳的。本發明並沒有受限於這些特定電子能量；較低能量可以用於較薄層，而較高能量可以用於較厚層。

圖2A－2D顯示使用各種能量之電子束及一二次電子檢測器所產生的影像，以在使用二氟化氙作為一增強蝕刻氣體且利用FIB銑削所產生的溝渠內觀察。在圖2A－2D中所顯示的基板包含金屬線，其嵌埋在大約1微米到2微米厚的矽下面，具有大約1微米厚較透明的FIB沉積氧化矽在該矽上。圖2A並沒有顯示該次表面金屬層任何細節，在該圖中，形成該影像之電子束具有一加速電壓5 kV。圖2B開始顯示某些有關該影像部分的電路細節，在該圖中形成該影像之電子束具有一加速電壓15 kV，可能是因為該矽層在該影像的那部份上面的厚度比較薄，或因為在那部份下面電荷累積在該電路部分。圖2C顯示更多可見的電路細節，在該圖中，形成該影像之電子束具有一加速電壓20 kV。圖2D顯示充分的電路細節，足以對該表面引導，或足以將該表面與電腦輔助設計資料、該表面之光學地圖或其他表示相關聯，該圖中，形成該影像之電子束具有一加速電壓30 kV。

該等電子束製程參數可以依據欲產生一可用影像的應用而變化。圖3A及3B顯示與圖2A－2D相同的基板，都是由一30 kV電子束所形成的影像，但是變化該樣品室內的壓力及該工作距離，也就是說，該電子透鏡與該工作件之間的距離。圖3A顯示在一高真空狀態下使用一工作距離27.7毫米所取得的影像，例如大約10^{－ 5} mbar(.0013 N/m² )，而圖3B顯示在壓力10^{－ 1} mbar(93 N/m² )及一工作距離4.9毫米的情形下所取得的影像。

根據本發明之一態樣，次表面成像可用以檢視次表面特徵以在該基板周圍引導，及決定何時停止銑削，以免損壞該基板。圖4是一顯示一較佳方法之流程圖，其將設計資料與在一裝置上一實體表面相關聯，以啟動在該裝置周圍引導。圖5顯示一裝置500，在該裝置上執行圖4的步驟。裝置500包含嵌埋電路，其包含一金屬層502。在步驟400，裝置500利用化學機械研磨法，從該背部504薄化到厚度約為200微米。在步驟402，一估計含有一要求次表面特徵的有關區域被定位，且在該裝置內銑削出一長寬200微米乘200微米的孔洞506，大約10－500微米深，該孔洞中心位在一估計含有有關電路的點上。在步驟404，在該506的底部銑削一1微米乘1微米長寬的孔洞512。週期性地，在步驟406，停止銑削而使用一具有足夠能量的能量電子束檢查該孔洞512底部，試圖檢視次表面特徵。該光束的電子較佳地具有能量大於15 keV，更佳地大於20 keV，更佳地甚至大於25 keV，最佳地約為30 keV或更大，或近乎50 keV或更大。所使用的電子能量取決於使用者想要看到的地方離該表面有多深及該電子柱的能力。

當該覆蓋材料的厚度對次表面成像來說夠薄時，該電子束影像在金屬層、絕緣層與半導體層之間顯示一標記對比。各類型半導體之間的對比並不明顯。因此本發明有助於檢視次表面金屬，這對於在該基板上定位是有用的。

當孔洞512的底部接近金屬層502時，這可以從該銑削速率及材料在該金屬層上面的厚度來推估，使用者便會停止銑削，然後使用如上面所述一足夠能量的電子束，在步驟406得到一次表面影像。起初，假如使用者十分謹慎，剛剛好在接近該金屬層之前停止銑削，則典型地，該電子束影像不會顯示該金屬層，因為在該金屬層上面的半導體材料太厚以致於無法被該電子束穿透。如同在決策方塊410中所示，假如仍然看不見該金屬層502，則該使用者繼續在步驟412的銑削。隨著移除更多材料，重複步驟406到412，使用者週期地獲得許多次表面影像。當孔洞512的底部接近金屬層502時，使用者起先將開始見到該次表面影像，即該等金屬線很模糊的影像。

當孔洞512的底部越來越接近時，該金屬層502的影像變得越來越清楚，然而依據該電子束能量，埋在材料1微米到2微米底下的金屬線的影像對使用者來說可能夠清楚，足以決定要將該光束引導到該整個電路的哪個地方。在步驟420，使用者可以用視覺引導該光束到特徵508。可選擇地，在步驟422，使用者可以將該實體電路的影像與該電路的已知地圖相關聯，以在步驟420協助引導到在該電路上一要求特徵508的位置。使用者在步驟424便可以操作在該精確特徵上或所要求位置上，而不會在努力尋找該光束位置時損壞其他區域。該次表面影像清晰的程度也提供有關該金屬層在該表面下方的深度的資訊，所以該使用者可以確保在該電路不小心受到損壞之前便停止銑削。因此，本發明用於終點指示在一平面上引導及在三度空間中引導都很有用。

在本發明之其他態樣中，使用者使用該次表面成像，以檢視嵌埋參考標記，以將該實體樣本與一參考影像對準，像是電腦輔助設計資料或當特徵被曝露時在處理階段中一裝置所取得的光學影像。在製造積體電路過程所執行的某些製程中，一層被沉積而覆蓋在該等用以在該裝置上對準及引導的基準上。然而該等基準有時候是可見的，因為在該覆蓋層中為凸起的區域，甚至如果該表面被"平面化"，這些符號會是模糊的，即該表面是被研磨以產生一平滑表面，以準備用於該下個處理層。

圖6是一顯示本發明其他實施例的較佳步驟的流程圖。圖7顯示一晶圓700，其包含多重裝置或電路702，每個電路包含許多基準704，其利用該等施加於該晶圓上以產生該電路的微影圖案而產生在該晶圓上。該電路及該等基準已經被一材料覆蓋，像是一金屬或絕緣物，該材料在前一製造步驟的過程中被沉積在晶圓上。在步驟600，一使用者引導到其預估含有一第一基準704的區域，然後以低倍率將一較高能量電子束指向一大範圍區域，以找出該基準。該電子束能量"較高"，也就是說，典型地它比只成像影像表面特徵的電子束能量更高。在步驟602，使用者引導到在步驟600所發現的基準的區域。在步驟604，該使用者以較高倍率觀察該基準，以更精確地決定其位置，而該系統記下該基準在該等系統座標上的位置。基於該第一基準的位置及方位，在步驟608該使用者可以引導到一第二基準的一般區域，而在低倍率下使用一較高的能量電子束，找出該嵌埋基準的位置。在步驟610，以增大倍率觀察該第二基準，然後該系統紀錄其在該系統座標系統中的座標。典型地，在步驟614使用者引導到一嵌埋第三基準，然後在低倍率下使用一較高的能量電子束，觀看在該基準周圍的區域，以找出該基準的位置。該第三基準以增大倍率來檢視，在步驟618該系統記下其座標。在步驟620，在該系統座標系統中該等基準的位置係相關聯於一工作件座標系統，像是來自電腦輔助設計(CAD)資料庫的資料，或檢驗系統，像是其他具有精確平台定位及可用以決定座標的位置讀取值的顯微鏡。在步驟622，該使用者引導到該工作件上任何一點，這使用該點的CAD座標，其被轉換成系統座標以移動該工作件及指引該光束。

在圖6之流程圖中所描述的製程可以很容易地使用影像辨識軟體加以自動化，例如來自Cognex Corporation,Natick,Massachusetts的軟體。

在此所使用的術語"引導"包含不僅決定一位置及在一基板的X及Y方向上移動，而且包含決定一垂直位置以協助終點指示，也就是說，當接近一嵌埋特徵，決定何時停止銑削。本發明並不限於在積體電路上使用，也可以用在對於任何包含被其他材料所覆蓋的微小特徵之多層基板。

雖然本發明及其優點已經詳加描述，但是應了解可以在不背離本發明於隨後請求項中所定義的精神及範圍，進行各種變化、替代及改變。例如，本發明不限於上述有關積體電路的範例，而適用於任何具有嵌埋特徵的微小裝置。再者，本應用的範圍並非要限制於說明書中所描述的製程、機器、製造、組成、裝置、方法及步驟的特定實施例。因為熟悉該項技藝者可以很容易從本發明的揭露中了解，實質上執行該相同功能或實質上達到與在此所描述的該等對應實施例相同的結果，目前所存在或稍後發展的製程、機器、製造、組成、裝置、方法或步驟，這些都可以根據本發明實施。因此，文後請求項是要將該等製程、機器、製造、組成、裝置、方法或步驟包含在其範圍內。

100．．．雙光束系統

102．．．電子束柱

104．．．離子束柱

106．．．點

108．．．基板

112．．．檢測器

116．．．氣體射出系統

500．．．裝置

502．．．金屬層

504．．．背部

506．．．孔洞

508．．．特徵

512．．．孔洞

700．．．晶圓

702．．．多重裝置或電路

704．．．基準

為了更徹底了解本發明及其優點，請參考上述說明以及伴隨圖式，其中：圖1概略顯示一雙光束(離子及電子柱)系統，其可以用於實施本發明之一較佳實施例。

圖2A－2D顯示一嵌埋金屬層使用各種電子束電壓所形成的影像。

圖3A及3B顯示圖2A－2D之嵌埋金屬層在不同系統參數下所得到的影像。

圖4是一顯示一使用在一半導體裝置上的較佳實施例之流程圖。

圖5顯示一裝置使用圖4之步驟操作。

圖6是一顯示一較佳實施例的流程圖，用以將系統座標與工作件座標相關聯。

圖7顯示一晶圓使用圖6中所示的方法操作。

100．．．雙光束系統

102．．．電子束柱

104．．．離子束柱

106．．．點

108．．．基板

112．．．檢測器

116．．．氣體射出系統

Claims (13)

1. 一種使用離子束研磨及電子束成像處理一半導體裝置的方法，其包含：將一聚焦離子束導向一半導體裝置，以研磨一孔洞趨近一嵌埋金屬層；將一具有足夠能量電子的電子束導向該孔洞底部，以取得一次表面影像，然後收集從該孔洞射出的電子，以透過至少0.1微米的矽，檢視該金屬層之次表面影像；基於該電子束中該等電子的能量決定該嵌埋金屬層之深度；及使用該金屬層的該次表面影像，決定何時停止用該聚焦離子束研磨。
2. 如請求項1之方法，其尚包含使用該次表面影像，以辨識一用以定位或用以處理之次表面特徵。
3. 如請求項2之方法，其中使用該次表面影像以找出一用以定位或用以處理之特徵包含將該影像與該裝置的地圖相關聯。
4. 如請求項1之方法，其中在該電子束中的電子具有一平均能量大於15 kV。
5. 如請求項1之方法，其中在該電子束中的電子具有一平均能量大於25 kV。
6. 如請求項1之方法，其中在該電子束中的電子具有一平均能量大於30 kV。
7. 一種使用一聚焦光束以在一基板上切割一孔洞，露出用 以成像或改變一次表面微小特徵的製程，其改良處包含決定該次表面特徵之位置或利用形成該特徵之次表面影像，決定何時一光束將要露出該次表面特徵，這是藉由將一具有一足夠高的能量的電子束導向覆蓋該次表面特徵之表面，以從二次或向後散射的電子產生該次表面微小特徵的影像，以及基於該電子束中電子的能量決定該微小特徵之深度。
8. 如請求項7之製程，其中在該電子束中的電子具有一平均能量大於15 kV。
9. 如請求項7之製程，其中在該電子束中的電子具有一平均能量大於25 kV。
10. 如請求項7之製程，其中在該電子束中的電子具有一平均能量大於30 kV。
11. 如請求項7之製程，其中覆蓋該次表面特徵之材料深度大於1.0微米。
12. 如請求項7之製程，其中覆蓋該次表面特徵之材料深度在1.0微米與2.0微米之間。
13. 如請求項7之製程，其中該次表面微小特徵包含一金屬。