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3D互连键合套准和缺陷计量的红外显微技术
浏览次数:3808发布日期:2011-08-04

作者:Andrew C. RudackSEMATECHLay Wai KongUniversity of AlbanyGreg G. BakerOlympus Integrated Technologies America, Inc

3D互连结构的显微技术受到硅不透明性的挑战。红外(IR)显微技术提供了透硅的途径,基于可见光波长的显微镜做不到这一点。在3D制造过程中,用IR显微技术为键合晶圆界面处的表面下特征(对准标记、缺陷和孔洞)成像。这一实际解决途径能实现各种穿透硅的计量技术,包括重叠的对准、检查键合截面上每一晶圆原先存在的缺陷,以及检测键合过程中产生的新缺陷。

IR显微技术是非破坏性技术,因此它是检测与监控3D硅通孔(TSV)互连工艺要求的在线计量用的理想候选技术。本文概述IR显微技术的重叠与缺陷计量能力。说明了依据2009国际半导体技术路线图测量被键合晶圆重合对准的能力。根据电气设计预计各种铜互连测试结构的重叠允差,并将重叠结果与电气测试结果进行比较。通过倒装反转晶圆的缺陷坐标系完成键合晶圆的缺陷检查。讨论了新缺陷数据加入键合晶圆缺陷文档的衍生结果。清晰地阐明了使用IR显微技术测量晶圆对的重叠情况和研究键合晶圆对的界面缺陷。

3D互连键合套准和缺陷计量的红外显微技术
用于3D集成的键合晶圆对的质量是很重要的。键合质量受很多参数的影响,如上晶圆与下晶圆的重叠情况、键合工艺引起的孔洞、键合前晶圆上已有的缺陷、键合工艺过程中产生的缺陷。

可是,这种键合晶圆对给依靠电磁光谱可见部分的光学显微设备提出了挑战。硅是不透明的,且无法检查键合晶圆对界面处的缺陷。采用红外(IR)显微技术,硅晶圆对电磁光谱的近红外(NIR)波长是透明的,能实现键合晶圆对的界面处计量。

 

套准计量
键合晶圆对中的电气结构需要正确地对准,实现晶圆各层和用来连接它们的互连结构之间的电路连续性。例如,金属1加通孔加金属2各层需要完成像通孔链之类的电测试结构。键合晶圆对中,在上晶圆(785级:金属2层)和下晶圆(750级:金属1+通孔层)上使用对准标记;键合前将它们互相关联地定位,使得上下结构能正确套准。

晶圆键合工艺后,可用联合对准标记测量套准情况。用IR显微技术测量标记的的偏移量,然后与理想的对准比较就可以计算出XY和旋转的偏置值。例如,上下晶圆对准时在XY方向上的方块和十字结构之间测得的值为5微米(图2a,图2b),比较多个标记位置时没有发现旋转分量。

缺陷计量
键合晶圆对在键合前各晶圆上会有缺陷存在,或者由于键合工艺会在键合晶圆对的界面处产生缺陷。能用IR显微技术确定界面处这些缺陷的位置(图3)。

检查缺陷过程中用IR显微技术时,另一个要考虑的问题是,缺陷被对IR不透明的(如铜)有图形层遮住而看不见。缺陷仍在那里,但由于其上有不透明层而看不到。

晶圆键合对缺陷图提出了另一挑战。用来识别缺陷位置的坐标系需要处理现已键合在一起的上下晶圆缺陷二者的和。晶圆面对面键合增加了额外的复杂性,因为必须修改缺陷图坐标以反映上晶圆的倒装、旋转指向。然后,对准一个晶圆芯片图形将可以引导至在二片晶圆上的缺陷。

方法
对于键合晶圆对的下晶圆,用双大马士革CMOS加工制备金属1+通孔(M1V1)层晶圆样品。对于上晶圆,用单大马士革CMOS加工制备金属2M2)层晶圆样品。在可见检测设备中将晶圆分别扫描检查缺陷,键合前对上下晶圆建立缺陷图。晶圆预先对准并键合,然后在带有集成LEXT-IR显微镜的Olympus FR3220-IR缺陷检查设备中检测套准及缺陷情况。这种Olympus计量系统采用1310nm共焦激光扫描显微镜技术,非常适合键合晶圆对的计量。它不仅能测量套准标记,而且可以在用作缺陷检查工具时输入和处理多个缺陷坐标文档。

金属1、通孔1和金属2各层用SEMATECH 403AZ测试工具掩膜套件作图,它含有电气测试结构(包括通孔链中直径为0.5微米到15微米的通孔)。这些通孔需要置于形成电测试结构的金属1和金属2键合焊盘上一个设定距离(套准容差)之中。良好的套准使通孔相对键合焊盘放置而得到通孔链中良好的欧姆接触。采用键合晶圆对的组合对准标记时,测得的XY偏离值能用来决定键合晶圆对的套准精度是否足以产生电连接通孔链。

产生通孔链的套准计量
SEMATECH 430AZ测试工具上的M2:M1V1链之一是有置于2.25微米宽的M1M2键合焊盘上的直径1.5微米通孔。计算出这一特定通孔链的XY套准容差近似为0.5微米。键合晶圆对上的组合对准标记套准测量结果可用作通孔链电连接良率的早期指标,并确定通孔相对于M1M2键合焊盘是否定位良好。图4显示出键合晶圆对近于的套准(XY容差小于0.5微米),以及晶圆对相应的1.5微米通孔链的IR图像,展示了M1V1M2各层的良好定位。

电气测试得到的IV图显示此1.5微米M2:M1V1通孔链有良好的欧姆接触(图5)。M2层对M1V1层的良好套准可用来预测产生的通孔链。

没有产生通孔链的套准计量
1.5微米通孔链的套准容差被超过,通孔就不能相对于M1M2键合焊盘(2.25微米宽)正确置位。后果是键合晶圆对儿将不产生电气连接且没有欧姆接触。套准误差导致电路断开(图6)。根据组合对准标记测量的M2:M1V1套准容差为X方向-2.2微米,Y方向-3.2微米,超过了此通孔链的套准容差0.5微米。M2层对M1V1层的不良套准可用来预测没有产生的通孔链。

键合前存在的缺陷的计量
缺陷检测设备通过对键合前单晶圆表面的观察识别缺陷。用工作在可见光谱的光学显微技术时,缺陷将以缺陷图的形式输出,一般是以列出缺陷及其笛卡尔坐标的KLARF文档格式输出。这些缺陷图可输入到缺陷检查设备中,但对于键合晶圆对,不能使用可见光谱光学技术。硅是不透明的,检查不到键合晶圆对界面处的缺陷。

独特的缺陷标识码(包括它们在各个晶圆上的位置)使得在键合后缺陷能被跟踪。图7是用可视光学技术检测的典型缺陷,以及将金属2层键合到M1V1层后界面处的同一缺陷。

键合晶圆对时,上晶圆图形会挡住界面处的缺陷,致使缺陷只能局部可见。若上晶圆图形足够大,就能把缺陷全部遮住,并在检查缺陷过程中将其隐藏。图8显示铜M2图形局部阻挡了zui初在M1V1缺陷图上指出的缺陷。铜在电磁光谱的NIR部分是不透明的。尽管缺陷在IR检查中可能没看到,它仍然会损害电气良率或长期可靠性。

因键合而改变的缺陷的计量
键合晶圆对的各个晶圆上的缺陷在键合过程中会移动或偏离,或会改变其原始尺寸、位置或影响。键合工艺可能采用相当大的力以达到必要的键合强度,这会压碎缺陷移动它们的物理位置,从而改变其影响。一个起初影响可靠性的缺陷随后可能影响良率(图9)。

铜键合过程中产生的缺陷的计量
M2:M1V1键合晶圆对键合后检测显示了铜熔化和侵蚀,说明必须调整铜键合工艺以防止缺陷形成10)。

粘接键合过程中产生的缺陷的计量
用粘接剂键合晶圆(不是前面讨论的铜-铜键合)时,粘接剂覆盖不完全或键合中粘接剂固化不适当都会产生种种键合后的缺陷与孔洞。在检测这些缺陷类型时,指明粘接剂涂敷和键合系统的分隔可用来识别产生缺陷的根源(图11、图12)。

键合晶圆对晶圆坐标的倒置
面对面键合的晶圆对给识别它们界面处的单晶圆缺陷提出了另一种挑战。当面对面键合中槽口对准时,上晶圆缺陷坐标系必须在Y轴上倒置,必须为键合的晶圆对创制组合缺陷图。这样就为键合的晶圆对形成新的缺陷坐标图,缺陷检查过程中识别的任何晶圆新缺陷都能加入组合KLARF文档(图13)。


   
结论
红外显微技术是检查键合晶圆对界面的有效方法。硅在电磁光谱的NIR部分是透明的,这就使IR显微技术能用于键合前、后的晶圆对的计量,包括对套准和缺陷的计量。

感谢
作者对下列人员在准备本论文中给与的帮助深表谢意:Olympus Integrated Technologies America, Inc. Rich Poplawski Vadim MashevskyRudolph TechnologiesRolf Shervey;以及SEMATECHJohn HudnallParthiba SinghChris TaylorSteve Olson

This manuscript was originally published in the Proceedings of the 21st Annual IEEE/SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC 2010), July 11-13, 2010, San Francisco, California.

 

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