TWI507658B - 測定具有伸入半導體晶圓表面之高深寬比之區域的深度之裝置及方法 - Google Patents

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Description

測定具有伸入半導體晶圓表面之高深寬比之區域的 深度之裝置及方法
本發明係關於一種測定裝置及方法，特別是關於一種測定具有伸入半導體晶圓表面之高深寬比之區域的深度之裝置及方法，這樣的區域可以是一個溝槽或通孔。
美國專利第7,738,113號揭露一種晶圓量測系統及裝置，用以測量晶圓的厚度、平坦度及溝槽深度，該晶圓的背面是被用來精確地測量一溝槽的背面側，因而能透過一非接觸式光學儀器得到該溝槽可以在上表面以及下表面上被測量之有效凹凸值。
由於半導體裝置趨於微型化，導致半導體裝置內部的部件越做越小，包含的部件如溝槽(trenches)和通孔(vias)，所述溝槽和通孔具有高深寬比(high aspect ratio)，隨著微型化，特別是橫向漸縮，所述部件的深寬比也因而增加，然而，深寬比增加會進一步提高測定所述部件之深度的困難度，因此，為了能夠較佳地測定具有高深寬比的部件，勢必要再發展更進步的測定裝置及方法。
本發明提供一種測定具有伸入半導體晶圓表面之高深寬比之區域的深度之方法，其包含：提供一半導體晶圓，具有一第一主要表面及一相對該第一主要表面的第二主要表面。該半導體晶圓包含至少一區域，伸入該第一主要表面內且具有一個寬度、一深度及一高深寬比；利用多波長光照射在該第一主要表面及第二主要表面之至少一個；多波長光被該半導體晶圓反射，測量被半導體晶圓反射之多波長光，以作為一波長函數；由該半導體晶圓反射的光形成一干涉圖案，透過傅立葉轉換(Fourier transform)該干涉圖案以分析所測得的光，並產生一圖像(graphical representation)，其具有多個與該半導體晶圓不同介面相關之峰值；從該等峰值之中的至少一個測定該區域的深度。
如上所述，一深入該第一表面的區域用以代表定位於該半導體晶圓之一表面平面以下的一平面內的一區域，該區域可以是一設置在該半導體晶圓之第一主要表面內的凹槽(depression)或凹陷區(recess)；該區域也可以用來涵蓋一通孔(through-hole)，該通孔延伸通過該半導體晶圓的整個厚度並在兩端設有開口，該凹槽、凹 陷區或通孔皆具有一高深寬比。
如上所述，高深寬比被定義為一具有至少1至10之寬度與深度比的區域，在另一實施例中，其至少有1至50。
該區域可以是一個溝槽(trench)或通孔(via)，在半導體技術中，溝槽是用來表示一個細長縱向之凹槽的慣用語，該凹槽具有一個可呈圓弧形的底部，通孔一般用來表示延伸通過半導體晶圓整個厚度，其兩端有開口，或是通孔可以是一端部封閉的開孔。相較於溝槽，通孔之平面方向的橫截面不是呈細長形。典型的通孔具有一圓形平面的橫截面，但例如亦可為矩形或六邊形等。該溝槽及通孔皆具有高深寬比，通孔也可以被稱為直通矽晶穿孔(Through Silicon Via，TSV)。
所述方法包含分析被半導體晶圓反射的光，其形成有一干涉圖案，透過傅立葉轉換該干涉圖案並產生一圖像，其具有多個與該半導體晶圓不同介面(interfaces)相關之峰值。所述方法的優點在於，所述峰值的光學位置可以更準確地被測定，因此，相較於非透過傅立葉轉換該干涉圖案之方法，利用本方法測定該區域的光學及幾何深度可以更精確。此外，依據該半 導體晶圓的介面數量，高深寬比的深度可以由距離差來測定，也就是圖像的兩峰值之間的距離。
所述方法採用傅立葉域光學相干斷層掃描(Fourier Domain optical coherence tomography，OCT)，也被稱為傅立葉轉換光學相干斷層成像和譜域光學相干斷層掃描，其用以產生一具有至少一峰值的圖像。該圖像具有相同於利用時域(time domain)光學相干斷層掃描而產生的形式。不過，在時域光學相干斷層掃描中，圖像是依序被測得，而且不使用傅立葉轉換。
在一實施例中，該半導體晶圓反射的多波長光的強度被測量以作為該波長的一反函數。
在一實施例中，該半導體晶圓反射的多波長光的強度是由一具有多個像素之檢測器所測量。以每個像素λ(p)收集的光的波長可利用如光譜儀進行測定，每個像素的各個波長之強度會被繪圖(mapped)而提供一個強度，用以作為函數k，其中k=2π/λ(p)，等距的函數k使用一快速傅立葉轉換。此方法可用於獲得一強度的圖像，以作為波長之反函數或作為一光學厚度之函數，其具有一個或以上峰值。
一個1024點之快速傅立葉轉換(fast fourier transform，FFT)可被應用在512像素，所述測定區域Z1 被給定為：
λ1 為最小波長，λ2 為最大波長。
該圖像中的至少一峰值可以相對應於一在半導體晶圓兩介面間定義之一階層(layer)的光學厚度，例如，該階層可由外界環境和第一主要表面之間的介面及第二主要表面和外界環境之間的介面來定義。或者，該階層可由該區域的底部和外界環境之間的介面及第二主要表面和外界之間的介面來定義。
該區域的幾何深度利用該區域的光學深度除以該階層的折射率(例如該半導體晶圓的材料折射率)而被測定。
該圖像也包含以傅立葉轉換干涉圖案的強度，以作為光學深度的函數。此時，高深寬比區域的光學深度可利用圖像峰值之間的距離差或圖像一峰值的絕對位置來進行測定。
在另一實施例中，在兩個或多個位置，利用多波長光照射在該第一主要表面及第二主要表面之至少一個。在一實施例中，該半導體晶圓 相對於照射該半導體晶圓的光移動，且由半導體晶圓反射的光在至少另一個位置被測定。
此實施方式可以被用以測量第二個獨立的對象(例如一第二通孔)的深度，或用以測量相同對象(例如一溝槽)在此對象不同位置的深度。在另一實施例中，該半導體晶圓相對於照射該半導體晶圓的光在二互相垂直的維度中移動，且分析該反射的光並產生一半導體晶圓的三維地圖。在笛卡爾(Cartesian)坐標系統中，如果光在半導體晶圓的Z軸方向入射，則晶圓可在X軸和Z軸方向移動。
所述多波長光的波長範圍為440nm(奈米)至500nm或是350nm到410nm，所述波長範圍分別為藍光或紫外光，所述光源的頻寬為25nm至30nm。
該半導體晶圓被多波長光照射，其發射是源自於由一發光二極體(LED)、一電子或雷射驅動的氙氣燈、一由單纖光源提供的超連續光、一超高亮度發光二極體(SLD)及一掃頻源超高亮度發光二極體(SLD)所組成之群組。
如果以發光二極體作為光源，發射的光之波長為450nm±30nm、470nm±30nm或380±30nm，假如光照射在包含該區域之晶圓表面，即 可測量該區域的深度。
在其他實施例中，照射在晶圓的光會映射在晶圓的背面，在這些實施例中，係使用紅外線。
在另一個實施例中，多波長光在照射半導體晶圓之前，會通過一光學分光器(optical beam splitter)，該光學分光器可具有一輸入臂、一輸出臂及一測量臂，該輸出臂、輸入臂及測量臂可為光纖，在以光纖為實施態樣下，該光學分光器為一相位耦合器(phase coupler)。
多波長光會先通過光學分光器的輸入臂與測量臂，再照射半導體晶圓上，從半導體晶圓反射的光可被導引至通過光學分光器的測量臂與輸出臂，該反射的光可以被導引至一光譜儀內，該光譜儀連接該光學分光器之輸出臂。
該光譜儀用以收集反射的光，該光譜儀包含多個像素，每一像素分配用以收集預定波長的光，該光譜儀可包含如512像素，該光譜儀還可進一步應用傅立葉轉換由反射光形成的干涉圖案，並產生一圖像。藉由將一額外的電腦連接至該光譜儀，可提供應用傅立葉轉換及產生圖像所需之處理能力。
本發明還提供一種測定具有伸入半導體晶圓表面之高深寬比之區域的深度之裝置，該裝 置包含：一多波長光源；一頭部，用於引導所述光源至該半導體晶圓上；一光譜儀，用於收集從該半導體晶圓反射之多波長光；及一分析裝置，用於通過執行傅立葉域光學相干斷層掃瞄由該半導體晶圓反射的光之一干涉圖案而測定該區域之深度；例如，該分析裝置可為一適當程式化的電腦。
多波長光源之發射可以是一發光二極體、一超高亮度發光二極體、一掃頻源超高亮度發光二極體、一電子或雷射驅動的氙氣燈及一由單纖光源提供的超連續光，該多波長光的波長範圍為440nm至500nm或是350nm到410nm。
該裝置包括一半導體晶圓支架，用以在該半導體晶圓被分析時夾持定位該半導體晶圓，該半導體晶圓支架可包含一結構簡單的機械夾具或真空夾盤。
用於引導所述光源至該半導體晶圓上的頭部，可以設置在鄰近半導體晶圓支架的前側以夾持該半導體晶圓，抑或是鄰近半導體晶圓支架的後側以夾持該半導體晶圓。
該裝置更包含一光學分光器，其具有一連接該光源的輸入臂、一連接該光譜儀的輸出臂及一連接該頭部的測量臂，光可通過該測量臂而 照射該半導體晶圓，從該半導體晶圓反射的光也可以由測量臂收集，並被導引通過該輸出臂至該光譜儀。
為了能夠繪出(mapping)伸入該半導體晶圓表面的深度，該半導體晶圓支架可以在至少一垂直於該頭部的方向或兩個垂直於該頭部的方向移動。另外，也可以是該頭部在至少一平行於半導體晶圓支架的方向移動。該頭部也可以在一垂直於半導體晶圓支架的方向移動，因此，垂直於被該半導體晶圓支架夾持之半導體晶圓。
本發明還涉及利用傅立葉域光學相干斷層掃描以測定在半導體晶圓表面內的至少一區域的深度之應用，因而該區域可以是伸入在半導體晶圓(例如矽晶圓)表面內的一溝槽、一有開放端的通孔或一有封閉端的通孔。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
參照第1圖所示，其揭示一裝置10，用以測定在一半導體晶圓13之一表面12內且具有高深寬比 之一區域11的深度。
該裝置10包含：一光源14，可產生多波長光；一頭部15，用以引導該光源至該半導體晶圓13上；一光譜儀16，用以收集由半導體晶圓13之表面12反射的多波長光；及一分析裝置21，透過執行傅立葉域光學相干斷層掃描，由半導體晶圓13反射的光的干涉圖案，測定該區域11之深度。
提供一種光學分光器17，其具有：一輸入臂18，連接該光源14至該光學分光器17；一測量臂19，用於引導所述光源14的光至該頭部15並且至半導體晶圓13之上，該頭部15與測量臂19也被用來收集由該半導體晶圓13之表面12反射的光，然後經由一輸出臂20將其引導通過該光學分光器17，並到達該光譜儀16。在本實施例中，該輸入臂18、測量臂19和輸出臂20為光纖，而且該光學分光器17為一相位耦合器。
該光源14產生多波長光，且具有藍光或紫外光的頻寬，在本實施例中，提供的所述光源為氙氣燈，不過也可以是發光二極體或一由單纖光源提供的超連續光。
該分析裝置21包含一適當程式化的處理 器，例如可以是一電腦的形式。該分析裝置21被程式化以針對由該光譜儀16收集到的干涉圖案執行一由傅立葉轉換，並且產生一個包含至少一峰值的圖像。
該半導體晶圓13被定位在一半導體晶圓支架22上，其可在兩個方向上移動，如圖1所示的x軸及y軸方向，分別垂直於該頭部15及垂直於光線，該光線如圖1所示的z軸方向，並照射在該半導體晶圓13的表面12。
該半導體晶圓支架22還包含一機構23，用以改變該半導體晶圓支架22之位置，其連接至該分析裝置21，因此該半導體晶圓13的位置在該分析裝置21中獲知，用以產生每一個干涉圖案。利用這種方式，該半導體晶圓13的位置可以搭配該半導體晶圓13之表面分析，以產生該半導體晶圓13之表面12的三維地圖。
圖2a為該區域11更詳細的視圖，該區域11具有高深寬比並伸入該半導體晶圓13本體內的第一表面12中。在本實施例中，該區域11是一伸入該第一表面12且封閉端部的通孔(via)。
在本實施例中，多波長光如箭頭24所示照射該表面12，由該半導體晶圓13反射的多波長光如箭頭25、26，27所示。
如圖2a所示，光從該半導體晶圓13的每個介面被反射。在本實施例中，光25由該第一表面12和外界環境之間的介面被反射，光26由該區域11底部28和外界環境之間的介面被反射，光27由該半導體晶圓13的第二表面29和外界環境之間的介面被反射。
圖2b揭示另一個實施例，其中該區域11’相較於圖2a具有更高的深寬比，因此，其深度更深。
如上所述，高深寬比被用來測定該區域11的寬度w與深度d的比例，該高深寬比在此定義的寬度與深度的比例為至少1至10。
在圖2中，利用箭頭25、26和27標示從半導體晶圓13之不同介面反射的光，其包含多波長和形成一干涉圖案30，其係以如圖3所示的強度與k值之曲線圖加以表示，其中k等於2π除以波長。在圖3以虛線表示，該干涉圖案30是具有恆定週期的正弦(sinus)形式。
該分析裝置21用以分析上述利用光譜儀16測量之干涉圖案30，該分析裝置21利用傅立葉轉換該干涉圖案30，進而產生如圖4a、4b所示的圖像31及31’，其分別對應圖2a、2b的區域11、11’。
特別是，由該半導體晶圓反射之多波長光的強度，是利用一具有多個像素的檢測器進行檢測。由每個像素λ(p)收集之多波長光是利用該光譜儀16進行測定。各個像素之各個波長的強度被繪圖(mapped)，以提供強度作為k值之函數，其中k=2π/λ(p)，等距k用以進行快速傅立葉轉換，以產生表示強度的圖像，以作為光學厚度的函數。
圖4揭示了圖像31、31’的兩實施態樣，其強度與光學厚度繪製。每一個圖像31、31’包含三個峰值32、33、34及32’、33’、34’。
在圖4a中，該峰值32具有一較小的光學厚度，其表示第一表面12和區域11底部28之間所形成的一階層的厚度，該第二峰值33表示該半導體晶圓13的第一表面12和該半導體晶圓13的第二表面29之間所形成的一階層的厚度，該第三峰值34表示該區域11之底部28與該半導體晶圓之第二表面29之間所形成的一階層的厚度，該區域11的深度d可以由峰值33、34之間的位置差異來測定。
如圖2b所示，該第一表面12和區域11’之底部28之間所形成的階層t2 ，大於如圖2a所示之區域11的階層t1 。
如圖4b所示，所述階層的光學厚度增加，造成第一峰值32’之位置相較於圖4a的峰值32更偏右，以及峰值34’之位置相較於圖4a的峰值34更偏左。
該第二峰值33’的位置相較於峰值33並不會改變，該峰值33作為半導體晶圓13的厚度，也就是該半導體晶圓13的第一表面12和第二表面29之間所形成的階層厚度相同。
該區域11、11’的幾何深度可以由該階層的光學厚度除以該階層之材料的折射率加以測定。
圖5揭示了另一個實施例，其中多波長光24被引導以照射在該半導體晶圓13的第二表面29，該裝置10及分析所述反射光的方法也適用於本實施例。該半導體晶圓13可以被定位在如圖1所示的半導體晶圓支架22上，因而該第二表面29朝上且該第一表面12與該半導體晶圓支架22相接觸。另外，該頭部15可以設置在該半導體晶圓支架22下方，該第二表面29至少在邊緣區域與該半導體晶圓支架22仍保持相接。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種 更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧裝置
11‧‧‧區域
12‧‧‧表面
13‧‧‧半導體晶圓
14‧‧‧光源
15‧‧‧頭部
16‧‧‧光譜儀
17‧‧‧光學分光器
18‧‧‧輸入臂
19‧‧‧測量臂
20‧‧‧輸出臂
21‧‧‧分析裝置
22‧‧‧半導體晶圓支架
23‧‧‧機構
24、25‧‧‧多波長光
26、27‧‧‧多波長光
28‧‧‧底部
29‧‧‧第二表面
30‧‧‧干涉圖案
30、31’‧‧‧圖像
32、33、34‧‧‧峰值
32’、33’、34’‧‧‧峰值
w‧‧‧寬度
d‧‧‧深度
t1 ‧‧‧階層
t2 ‧‧‧階層
第1圖揭示測定伸入半導體晶圓表面內之區域的深度之裝置的示意圖。
第2a及2b圖揭示多波長光照射在半導體晶圓並由此產生反射的示意圖。
第3圖揭示由半導體晶圓反射多波長光所產生的干涉圖案的曲線圖。
第4a及4b圖揭示經傅立葉轉換干涉圖案後之圖像的曲線圖。
第5圖揭示透過照射在半導體晶圓的第二側之測量區域的深度的示意圖。
10‧‧‧裝置
11‧‧‧區域
12‧‧‧表面
13‧‧‧半導體晶圓
14‧‧‧光源
15‧‧‧頭部
16‧‧‧光譜儀
17‧‧‧光學分光器
18‧‧‧輸入臂
19‧‧‧測量臂
20‧‧‧輸出臂
21‧‧‧分析裝置
22‧‧‧半導體晶圓支架
23‧‧‧機構

Claims (26)

  1. 一種測定具有伸入半導體晶圓表面之高深寬比之區域的深度方法，其步驟包含：提供一半導體晶圓，包含：一第一主要表面；一第二主要表面，相對於該第一主要表面；及一區域，伸入該第一主要表面內，該區域具有一個寬度、一深度及一高深寬比；利用多波長光照射在該第一主要表面及第二主要表面之至少一個；測量被半導體晶圓反射之多波長光，以作為一波長函數，由該半導體晶圓反射的光形成一干涉圖案；其中該多波長光之發射係源自於一掃頻源；或其中該多波長光的強度是由一光譜儀所測量，所述光譜儀包含一具有多個像素之檢測器，每一像素分配用以收集預定波長的光；根據傅立葉域光學相干斷層掃瞄對該干涉圖案執行傅立葉轉換以分析所測得的光，並產生一圖像，其具有多個與該半導體晶圓不同介面相關之峰值；及從該等峰值之中的至少一個測定該區域的深度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導體晶圓反射的多波長光的強度被測量以作為該波長的一反函數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該圖像包含一強度，以作為一光學深度的函數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該區域的光學深度是以該圖案內之峰值的位置進行測定。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中至少一峰值符合一由二介面定義之一階層的一光學厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中多波長光照射該半導體晶圓的第二主要表面，且利用該區域的光學深度除以該半導體晶圓的折射率來加以測定該區域的幾何深度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中透過該半導體晶圓的第一主要表面與外界之間的介面以及該區域之一底部與外界之間的介面定義一階層，分析所測得的光以測定該階層的光學厚度t1 。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中透過該半導體晶圓的第一、第二表面與外界之間的介面以及該區域之一底部與外界之間的介面定義一階層，分析所測得的光以測定該階層的光學厚度t2 。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導體晶圓相對於照射該半導體晶圓的光移動，且在至少一較遠的位置測定該半導體晶圓反射的光。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該半導體晶圓相對於照射該半導體晶圓的光在二互相垂直的維度中移動，分析該反射的光並產生一半導體晶圓的三維地圖。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導體晶圓為矽晶圓，該區域是選自於由一通孔、一封閉端部孔及一溝槽所組成之群組。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該多波長光的波長範圍為440nm至500nm或350nm到410nm。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中照射在該半導體晶圓的光包含有多個波長，其發射是源自於由一發光二極體、一超高亮度發光二極體、一掃頻源超高亮度發光二極體、一電子或雷射驅動的氙氣燈及一由單纖光源提供的超連續光所組成之群組。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中多波長光在照射該半導體晶圓之前通過一光學分光器，其具有一輸入臂、一輸出臂及一測量臂。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中多波長光通過該光學分光器的輸入臂及測量臂。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中多波長光通過該光學分光器的測量臂及輸出臂。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該反射的光被導引至一光譜儀，其連接於光學分光器的輸出臂。
  18. 一種測定具有伸入半導體晶圓表面之高深寬比之區域深度的裝置，其包含：一多波長光源；一半導體晶圓支架，具有一前側，用於夾持一半導體晶圓； 一頭部，用於引導該光源至該半導體晶圓上；一光譜儀，用於收集從該半導體晶圓反射之多波長光；及一分析裝置，用於對由該半導體晶圓反射的光之一干涉圖案執行傅立葉域光學相干斷層掃瞄而測定該區域之深度；其中該光譜儀包含一具有多個像素之檢測器，每一像素分配用以收集預定波長的光；或其中該多波長光源係一掃頻源。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該頭部設置在鄰近於該半導體晶圓支架的前側。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該頭部設置在鄰近於該半導體晶圓支架的前側的相對一側。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，更包含有一光學分光器，其具有一連接該光源的輸入臂、一連接該光譜儀的輸出臂及一連接該頭部的測量臂。
  22. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該半導體晶圓支架可朝該頭部之至少一垂直方向移動。
  23. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該半導體晶圓支架可朝該頭部之至少一平行方向移動。
  24. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該頭部可朝該半導體晶圓支架之至少一垂直方向移動。
  25. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中透過傅立 葉域光學相干斷層掃瞄測定在一半導體晶圓之一表面內之至少一區域之深度。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之裝置，其中透過傅立葉域光學相干斷層掃瞄測定設在該半導體晶圓內之一封閉端部孔或一開放端部孔的深度。
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