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3D IC凸块高度计量APC

阅读：1054发布：2020-06-19

IPRDB可以提供3D IC凸块高度计量APC专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及依赖于先进的工艺控制(APC)的凸块计量的方法，以向凸块计量模块提供描述衬底的翘曲的衬底翘曲参数，从而改善凸块计量模块的聚焦。在一些实施例中，方法测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数。基于测量的衬底翘曲参数来计算凸块计量模块的透镜的初始焦点高度。然后将凸块计量模块的透镜放置在初始焦点高度处，并且随后使用透镜来测量半导体衬底上的多个凸块的高度和关键尺寸。通过对凸块计量模块提供衬底翘曲参数，凸块计量模块可以使用实时工艺控制来计算晶圆翘曲，从而提高产量和收益。本发明还提供了3D IC凸块高度计量APC。，下面是3D IC凸块高度计量APC专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种执行衬底计量的方法，包括：

测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数；

基于所述一个或多个衬底翘曲参数来计算衬底计量模块的透镜的初始焦点高度；

将所述透镜移动至所述初始焦点高度；以及在将所述透镜移动至所述初始焦点高度之后，通过所述衬底计量模块来测量所述半导体衬底上的凸块的高度和宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个衬底翘曲参数包括所述半导体衬底相对于中间参考平面的高度，所述中间参考平面延伸穿过所述半导体衬底的中值高度。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果所述高度或所述宽度违反预定准则，那么对所述半导体衬底执行矫正措施。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定所述半导体衬底的方位；以及

在测量所述凸块的高度和宽度之前，使所述一个或多个衬底翘曲参数与所述半导体衬底的方位匹配。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体衬底的厚度小于或等于大约50μm。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：执行前道工序(FEOL)处理，以在所述半导体衬底的正面内形成一个或多个半导体器件；

形成从所述半导体衬底的正面延伸至所述半导体衬底内的位置处的多个衬底贯通孔；

以及

减薄所述半导体衬底，使得所述多个衬底贯通孔延伸穿过所述半导体衬底。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：将多维集成芯片内的所述半导体衬底堆叠在另一半导体衬底上。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用共聚焦显微镜或通过分析由反射所述半导体衬底的表面的粒子而形成的衍射图案来测量所述一个或多个衬底翘曲参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述初始焦点高度等于所述衬底翘曲参数与预定补偿值之和。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述衬底计量模块包括白光干涉仪，包括：光源，被配置为提供白光；

光束分离器，被配置为将所述白光分为与所述透镜相交的第一路径以及第二路径；

反射平面镜，被布置为与所述第二路径相交；以及位置控制元件，被配置为基于所述初始焦点高度来改变所述透镜的位置。

11.一种执行凸块计量的方法，包括：在半导体衬底的表面上方的多个不同位置处测量半导体衬底的多个位置；

通过预定补偿值与所述多个位置之和来计算凸块计量模块的物镜的多个初始焦点高度；

将所述凸块计量模块的物镜放置在所述多个初始焦点高度之一处；以及使用所述凸块计量模块在与所述多个初始焦点高度之一相对应的位置处测量所述半导体衬底上的一个或多个导电凸块的高度和关键尺寸。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所选位置处的初始焦点高度等于预定补偿值与在所述所选位置下面的点处测量的所述半导体衬底的位置之和。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：对所述半导体衬底的正面执行前道工序(FEOL)处理，以在所述半导体衬底的正面内形成一个或多个半导体器件；

形成多个衬底贯通孔，所述多个衬底贯通孔从所述半导体衬底的正面延伸至所述半导体衬底内的位置处；以及减薄所述半导体衬底，使得所述多个衬底贯通孔延伸穿过所述半导体衬底。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：将所述半导体衬底堆叠在多维集成芯片内的另一半导体衬底上。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括：如果所述高度或所述关键尺寸违反预定准则，那么对所述半导体衬底执行矫正措施。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括：将所述物镜放置在所述多个初始焦点高度中的随后一个初始焦点高度处；以及在与所述多个初始焦点高度中的随后一个初始焦点高度相对应的位置处测量所述半导体衬底上的一个或多个附加的凸块的高度和关键尺寸。

17.一种衬底计量系统，包括：

衬底翘曲测量模块，被配置为测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数；

凸块计量模块，包括被配置为测量所述半导体衬底上的导电凸块的高度和关键尺寸的光学组件；

前馈路径，从所述衬底翘曲测量模块延伸至所述凸块计量模块；以及先进的工艺控制(APC)元件，设置在所述前馈路径内并且被配置为基于所述一个或多个衬底翘曲参数计算所述光学组件内的物镜的初始焦点高度。

18.根据权利要求17所述的衬底计量系统，其中，所述凸块计量模块包括白光干涉仪，所述白光干涉仪具有：物镜，被配置为接收来自所述衬底的光；以及位置控制元件，被配置为基于所述一个或多个衬底翘曲参数来改变所述物镜的高度。

19.根据权利要求17所述的衬底计量系统，还包括：方位检测元件，被配置为确定所述半导体衬底的方位；以及方位对准元件，被配置为：在将所述凸块计量模块的透镜放置在所述初始焦点高度处之前，使所述一个或多个衬底翘曲参数与所述半导体衬底的方位匹配。

说明书全文

3D IC凸块高度计量APC

技术领域

[0001] 本发明的实施例一般地涉及半导体技术领域，更具体地，涉及衬底计量方法和系统。

背景技术

[0002] 多维集成芯片是具有彼此垂直堆叠并且电互连的多个衬底或管芯的集成电路。通过电互连堆叠的衬底或管芯，多维集成芯片用作单个器件，与传统的集成芯片相比，这种结构提供了提高的性能、降低的功耗以及减小的占位面积。因此，多维集成芯片提供了不断满足下一代集成电路的性能/成本要求的途径而不需要进一步的光刻缩放。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种执行衬底计量的方法，包括：测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数；基于所述一个或多个衬底翘曲参数来计算衬底计量模块的参数；以及通过根据所述参数操作所述衬底计量模块来测量所述半导体衬底上的凸块的高度和宽度。

[0004] 根据本发明的另一方面，提供了一种执行凸块计量的方法，包括：在半导体衬底的表面上方的多个不同位置处测量半导体衬底的多个位置；通过预定补偿值与所述多个位置之和来计算凸块计量模块的物镜的多个初始焦点高度；将所述凸块计量模块的物镜放置在所述多个初始焦点高度之一处；以及使用所述凸块计量模块在与所述多个初始焦点高度之一相对应的位置处测量所述半导体衬底上的一个或多个导电凸块的高度和关键尺寸。

[0005] 根据本发明的又一方面，提供了一种衬底计量系统，包括：衬底翘曲测量模块，被配置为测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数；凸块计量模块，包括被配置为测量所述半导体衬底上的导电凸块的高度和关键尺寸的光学组件；前馈路径，从所述衬底翘曲测量模块延伸至所述凸块计量模块；以及先进的工艺控制(APC)元件，设置在所述前馈路径内并且被配置为计算所述光学组件内的物镜的初始焦点高度。

附图说明

[0006] 当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。

[0007] 图1示出了使用用于衬底计量的先进的工艺控制(APC)的半导体制造系统的一些实施例的框图。

[0008] 图2示出了使用自动化工艺控制执行衬底计量的方法的一些实施例的流程图。

[0009] 图3示出了包括衬底翘曲测量模块和白光干涉仪模块的衬底计量系统的一些实施例的框图。

[0010] 图4示出了包括衬底翘曲测量模块和白光干涉仪模块的衬底计量系统的一些可选实施例的框图。

[0011] 图5示出了翘曲的衬底的截面图的一些实施例，以示出一个或多个衬底翘曲参数和凸块计量参数的实例。

[0012] 图6示出了显示出根据一个或多个衬底翘曲参数计算初始焦点高度的示图的一些实施例。

[0013] 图7示出了执行使用先进的工艺控制(APC)的凸块计量的方法的一些实施例的流程图。

[0014] 图8至图14示出了衬底的截面图的一些实施例，以示出使用先进的工艺控制(APC)执行凸块计量的方法。

具体实施方式

[0015] 以下公开内容提供了许多不同实施例或实例，用于实现所提供主题的不同特征。以下将描述组件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不意欲限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件被形成为直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在多个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复是为了简化和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

[0016] 此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等的空间关系术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除图中所示的方位之外，空间关系术语意欲包括使用或操作过程中的器件的不同的方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空间关系描述符可同样地作相应地解释。

[0017] 通过将多个集成芯片管芯彼此堆叠来制造三维集成芯片(3DIC)。使用衬底贯通孔(TSV)来电互连堆叠的集成芯片管芯，该衬底贯通孔垂直延伸穿过集成芯片管芯到达设置在垂直相邻的集成芯片管芯之间的导电凸块。通过垂直互连集成芯片管芯，堆叠的集成芯片管芯表现为单个集成芯片器件。为了确保堆叠的集成芯片管芯之间的良好的电连接，通常在堆叠集成芯片管芯之前，执行凸块计量来确定导电凸块的特征。例如，如果导电凸块具有太小的高度，或太大的关键尺寸(CD)，那么导电凸块将不能在相邻的集成芯片管芯的TSV之间形成良好的电接触。

[0018] 通常使用与用于监控制造工艺的统计工艺控制相结合的固定的工艺方法来执行凸块计量。然而，3DIC通常使用包括减薄的衬底具有相对较大的翘曲(即，由于衬底具有更小的厚度-直径比率，所以该衬底从平面形貌结构弯曲)的集成芯片管芯。增大的晶圆翘曲和减小的部件尺寸使导电凸块的测量变得复杂。例如，衬底的翘曲可以导致凸块计量模块所使用的透镜需要花费更长的时间来聚焦于衬底上。在衬底翘曲的极端情形中，透镜甚至可能会与翘曲的衬底相撞，从而导致对衬底的物理损害。

[0019] 因此，本发明涉及依赖于先进的工艺控制(APC)的凸块计量的方法，以向凸块计量模块提供描述衬底的翘曲的衬底翘曲参数，从而改善凸块计量模块的聚焦。在一些实施例中，方法包括测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数。基于测量的衬底翘曲参数来计算凸块计量模块的透镜的初始焦点高度。然后将凸块计量模块的透镜放置在初始焦点高度处，并且随后使用透镜来测量半导体衬底上的多个凸块的高度和宽度。通过向凸块计量模块提供衬底翘曲参数，凸块计量模块可以使用实时工艺控制，以计算衬底翘曲(如，基于衬底翘曲参数来自动确定用于不同衬底的最优初始焦点高度)，从而提高产量和收益。

[0020] 图1示出了使用用于衬底计量的先进的工艺控制(APC)的半导体制造系统100的一些实施例的框图。

[0021] 半导体制造系统100包括衬底翘曲测量模块102和衬底计量模块104。将衬底翘曲测量模块102配置为测量描述半导体衬底106的翘曲或弯曲(即，半导体衬底106距离平面形貌结构的偏差)的一个或多个衬底翘曲参数。例如，一个或多个衬底翘曲参数可以包括在沿着半导体衬底106的不同的位置处与半导体衬底106相关的高度信息(如，纵向位置)。将衬底计量模块104配置为测量半导体衬底106上的突出物(如，凸块)的高度和/或关键尺寸。

[0022] 通过前馈路径107的方式连接衬底翘曲测量模块102与衬底计量模块104。将前馈路径107配置为：基于一个或多个衬底翘曲参数，向衬底计量模块104提供与半导体衬底106的翘曲相关的信息。将衬底计量模块104配置为使用该信息来调节其操作。在一些实施例中，APC控制单元108布置在前馈路径107内。将APC控制单元108配置为从衬底翘曲测量模块102接收包括一个或多个衬底翘曲参数的信号Swarp。将APC控制单元108配置为：基于测量的衬底翘曲参数，生成调节信号Sadj，衬底计量模块104可以使用该调节信号来调节其操作。在一些实施例中，APC控制单元108可以基于一个或多个衬底翘曲参数来计算衬底计量模块
104的参数，并且根据计算的参数生成调节信号Sadj。

[0023] 在一些实施例中，衬底计量模块104可以包括设置在光学组件(optical train)内的一个或多个透镜和/或平面镜，将该光学组件配置为测量半导体衬底106上的突出物的一个或多个方面(如，高度、宽度、关键尺寸)。在这种实施例中，APC控制单元108可以包括焦距计算元件110。根据衬底翘曲参数，将焦距计算元件110配置为确定初始焦点高度。将初始焦点高度发送至衬底计量模块104，从而可以调节设置在光学组件内的一个或多个透镜和/或平面镜的位置。通过使用来自衬底翘曲测量模块102的信息来调节衬底计量模块104的操作，可以提高衬底计量模块104的效率，并且因此可以提高半导体制造系统100的产量。

[0024] 图2示出了使用自动化工艺控制执行衬底计量的方法200的一些实施例的流程图。

[0025] 尽管本文将所公开的方法(如，方法200和700)示出并描述为一系列的步骤或事件，但是应该意识到，所示出的这样的步骤或事件的顺序不应该被理解为限制的意思。例如，一些步骤可以以不同顺序发生和/或与除了本文所示和/或所述步骤或事件之外的其他步骤或事件同时发生。另外，并不要求所有示出的步骤都用来实施本文所描述的一个或多个方面或实施例。此外，可在一个或多个分离的步骤和/或阶段中执行本文中所述的一个或多个步骤。

[0026] 在步骤202中，在衬底的表面上方测量一个或多个衬底翘曲参数。一个或多个衬底翘曲参数可以是沿着衬底的表面的不同位置处的衬底的位置(例如，高度)。在各个实施例中，可以使用共聚焦显微镜或通过分析由反射衬底表面的粒子而形成的衍射图案来测量一个或多个衬底翘曲参数。

[0027] 在步骤204中，使用一个或多个衬底翘曲参数来计算衬底计量模块的参数。在一些实施例中，参数可以包括衬底计量模块的光学组件的初始焦点高度。

[0028] 在步骤206中，在一些实施例中，衬底计量模块的光学组件可以放置在初始焦点高度的位置处。在一些实施例中，光学组件可以包括被配置为聚集来自衬底的光的物镜。在其他的实施例中，光学组件可以包括平面镜。在又一其他实施例中，光学组件可以包括单个透镜和/或平面镜或多个透镜和/或平面镜的组合。在一些实施例中，光学组件可以是白光干涉仪模块内的物镜。

[0029] 在步骤208中，通过根据参数操作衬底计量模块来测量衬底上的突出物(如，凸块)的高度、宽度和/或关键尺寸(CD)。例如，在一些实施例中，可以在将光学组件放置在初始焦点高度的位置处之后，通过使用光学组件来执行突出物的高度、宽度和/或关键尺寸(CD)的测量。

[0030] 因为将衬底计量模块的光学组件的初始高度设置在基于一个或多个衬底翘曲参数的位置处，所以可以将光学组件的初始位置设置在更精确的位置处。更精确的位置允许在更短的时间周期内测量衬底上的突出物的高度、宽度和/或关键尺寸(CD)，从而增大衬底产量并且还防止损害衬底(如，由于聚焦于翘曲的衬底上的透镜)。

[0031] 图3示出了包括衬底翘曲测量模块和白光干涉仪模块的衬底计量系统300的一些实施例的框图。

[0032] 将衬底翘曲测量模块301配置为测量描述半导体衬底310的翘曲的一个或多个衬底翘曲参数。在一些实施例中，衬底翘曲测量模块301包括：共聚焦显微镜模块302，其被配置为使用共聚焦显微镜来测量半导体衬底310的翘曲。共聚焦显微镜模块302包括光源304，该光源被配置为对光束分离器306提供光。在一些实施例中，光源304可以包括被配置为生成相干光的激光。光束分离器306将光反射至物镜308，从而该物镜将光聚焦于半导体衬底310上。在一些实施例中，可以将物镜308配置为在半导体衬底310的表面上方移动光。例如，在一些实施例中，被配置为移动光的位置的一个或多个可移动平面镜可以布置在物镜308的上游。在其他的实施例中，可以将致动器(未示出)配置为移动半导体衬底310，使得物镜
308可以扫描半导体衬底310周围的光。从半导体衬底310反射的光返回穿过光束分离器
306，并且聚焦于针孔光圈311上。聚焦的光穿过针孔光圈311并且通过成像器件312(如，CCD、光电倍增管等)收集。将成像器件312配置为根据聚焦的光确定一个或多个衬底翘曲参数。

[0033] 在一些附加的实施例中，衬底翘曲测量模块301包括条纹反射模块314。条纹反射模块314包括粒子源316，该粒子源被配置为相对于平面法线以角度α朝向半导体衬底310的表面投射粒子。在一些实施例中，粒子源316可以包括被配置为生成电子的电子源。粒子从半导体衬底310的表面反射出并且沿着衍射平面318形成衍射图案319。将衍射分析元件320配置为分析衍射图案319并且根据衍射图案319确定一个或多个衬底翘曲参数。

[0034] 在一些实施例中，衬底翘曲测量模块301可以包括共聚焦显微镜模块302，但是不包括条纹反射模块314。在这种实施例中，基于共聚焦显微镜模块302所采取的测量值来确定一个或多个衬底翘曲参数。在其他实施例中，衬底翘曲测量模块301可以包括条纹反射模块314，但是不包括共聚焦显微镜模块302。在这种实施例中，基于条纹反射模块314所采取的测量值来确定一个或多个衬底翘曲参数。在又一些实施例中，衬底翘曲测量模块301可以包括共聚焦显微镜模块302和条纹反射模块314这两者。在这种实施例中，基于通过共聚焦显微镜模块302和条纹反射模块314所获得的测量值的组合来确定一个或多个衬底翘曲参数。

[0035] 一个或多个衬底翘曲参数(作为信号Swarp)被提供给位于前馈路径107内的APC控制单元108。在一些实施例中，成像器件312和/或衍射分析元件320耦合至一个或多个计算机322，该计算机被配置为在将一个或多个衬底翘曲参数发送至APC控制单元108之前执行处理。APC控制单元108包括焦距计算元件110。将焦距计算元件110配置为使用一个或多个衬底翘曲参数来确定一个或多个初始物镜高度。

[0036] 通过前馈路径107的方式将一个或多个初始物镜高度从APC控制单元108提供给白光干涉仪模块324内的位置控制元件336。在一些实施例中，前馈路径107可以包括导电引线。在一些实施例中，前馈路径107可以包括无线信号路径。白光干涉仪模块324包括被配置为生成白光(如，具有跨越可见光谱的多个波长的光)的白光源326。通过准直元件328校准来自白光源326的白光。对被配置为划分为物体光束331a和参考光束331b的光束分离器330提供校准的光。物体光束331a提供给物镜332，该物镜被配置为将物体光束331a聚焦于半导体衬底310上。将位置控制元件336配置为：基于一个或多个初始物镜高度，改变物镜332的初始焦点高度。反射平面镜333反射出参考光束331b。来自物体光束331a和参考光束331b的反射光在光束分离器330处被捕获并重新结合。将叠加的光束提供给成像元件334(如，CCD照相机)，以用于处理。如果物体光束331a和参考光束331b的光学路径具有相同的长度，那么出现相长干涉并且半导体衬底310上的相应的物点的像素具有高强度。如果物体光束331a和参考光束331b的光学路径不具有相同的长度，那么像素具有低得多的强度。因此，可以逐像素处理成像元件334的输出，以确定半导体衬底310上的凸块的高度。

[0037] 在一些实施例中，衬底计量系统300还可以包括衬底传输系统338。将衬底传输系统338配置为在衬底翘曲测量模块301与白光干涉仪模块324之间传输半导体衬底310。在一些实施例中，还可以将衬底传输系统338配置为在共聚焦显微镜模块302与条纹反射模块314之间传输半导体衬底310。在一些实施例中，衬底传输系统338可以包括：一个或多个机械元件，该机械元件被配置为在使用晶圆载体339从共聚焦显微镜模块302的端口340a和/或条纹反射模块314的端口340b转移至白光干涉仪模块324的端口342期间来处理半导体衬底310。在一些实施例中，晶圆载体339可以包括包含一个或多个半导体衬底的前端开口的标准箱(FOUP，又称晶圆传送盒)。

[0038] 在一些实施例中，衬底传输系统338可以被配置为：将具有违反预定准则的凸块高度和/或CD的半导体衬底传输至与具有不违反预定准则的凸块高度和/或CD的半导体衬底的不同位置处。例如，如果半导体衬底具有小于预定准则的测量的凸块高度和/或大于预定准则的测量的CD，那么会丢弃该半导体衬底或将其提供至被配置为重新执行凸块处理的工具，以形成新的导电凸块。

[0039] 图4示出了包括衬底翘曲测量模块和白光干涉仪模块的衬底计量系统400的一些可选实施例的框图。

[0040] 衬底翘曲测量模块401和白光干涉仪模块404布置在共用壳体406内。在一些实施例中，衬底翘曲测量模块401可以包括共聚焦显微镜模块402。在其他实施例(未示出)中，衬底翘曲测量模块401可以包括条纹反射模块。共用壳体406包括包围并保护衬底翘曲测量模块401和白光干涉仪模块404的刚性外壳。在操作期间，可以将晶圆传输系统408配置为在共用壳体406内将半导体衬底310从衬底翘曲测量模块401转移至白光干涉仪模块404，从而防止半导体衬底310暴露于气载而导致的缺陷。还可以将晶圆传输系统408配置为将半导体衬底310从共用壳体406的输入端口410传输至输出端口412。

[0041] 共用壳体406还包括位于布置在共用壳体内部的前馈路径内的APC控制单元108。如上所述，将APC控制单元108配置为从共聚焦显微镜模块402接收一个或多个衬底翘曲参数(作为信号Swarp)，以根据一个或多个衬底翘曲参数来计算初始焦点高度，并且将初始焦点高度提供给白光干涉仪模块404(作为信号Swarp)。

[0042] 在一些实施例中，衬底计量系统400还可以包括方位检测元件414和方位对准元件416。当半导体衬底310位于衬底翘曲测量模块401内时，方位检测元件414与该半导体衬底通信。将方位检测元件414配置为确定半导体衬底310的方位。例如，方位检测元件414可以确定半导体衬底310的相对于半导体衬底310的凹口的方位。当半导体衬底310位于白光干涉仪模块404内时，方位检测元件416与该半导体衬底310通信。将方位对准元件416配置为确定半导体衬底310的对准，使得一个或多个衬底翘曲参数可以应用于白光干涉仪模块404内的衬底。

[0043] 图5示出了翘曲的衬底502的截面图500的一些实施例，以说明一个或多个衬底翘曲参数和凸块计量参数的实例。应该意识到，一个或多个衬底翘曲参数的实例是非限制性的实例，并且在可选实施例中，可以使用不同的衬底翘曲参数。

[0044] 翘曲的衬底502包括具有高度或纵向位置(沿着方向506)的弯曲的中间面504，该高度或纵向位置作为横向位置(沿着方向508)的函数而变化。中间参考平面510沿着弯曲的中间面504的中间点延伸(即，穿过翘曲的衬底502的中值高度)。翘曲的衬底502的一个或多个衬底翘曲参数是弯曲的中间面504与中间参考平面510的偏差。例如，在第一横向位置p1处，翘曲的衬底502具有值为w1的第一衬底翘曲参数。在第二横向位置p2处，翘曲的衬底502具有值为w2的第二衬底翘曲参数。

[0045] 一个或多个导电凸块512位于翘曲的衬底502的上表面上。一个或多个导电凸块512可以包括用于互连多维集成芯片中的衬底的焊料凸块或微凸块。一个或多个导电凸块
512具有高度514、关键尺寸(CD)516和宽度518。高度514是导电凸块从翘曲的衬底502的上表面向外延伸的距离。CD 516是导电凸块的边缘的预期位置与导电凸块的边缘的实际位置之间的变化。通过光刻覆盖误差、尺寸误差等可以影响CD 516。一个或多个导电凸块512的高度514和CD 516可以影响由一个或多个导电凸块512所形成的随后电连接。

[0046] 图6示出了根据一个或多个衬底翘曲参数计算初始焦点高度的示图600和610的一些实施例。应该意识到，计算的实例是非限制性的实例，并且在可选实施例中，可以使用计算初始焦点高度的不同方法。

[0047] 俯视图600示出了半导体衬底602。截面图610示出了沿着俯视图600的截面线A-A'所截取的半导体衬底602的截面图。如截面图610所示，半导体衬底602沿着弯曲的中间面的翘曲具有在方向608上变化的高度，该高度作为沿着方向606和沿着方向604的位置(未示出)的函数。对于沿着半导体衬底602的表面的n个点，通过将补偿值hoff与在这些点处所测量的翘曲测量参数Z(Xn，Yn)相加找到物镜612的初始焦点高度Z(n)(即，Z(n)＝Z(Xn，Yn)+hoff)。例如，第一点614处的初始焦点高度Z(1)可以等于半导体衬底602在第一点614处的衬底翘曲参数Z(X1，Y1)加补偿值hoff。第二点616处的初始焦点高度Z(2)可以等于半导体衬底602在第二点616处的衬底翘曲参数Z(X2，Y2)加补偿值hoff。在一些实施例中，补偿值hoff的值可以在介于大约0.1mm与大约1mm之间的范围内。例如，补偿值hoff的值可以为0.2mm。在其他实施例中，补偿值hoff可以具有更大或更小的初始值。

[0048] 尽管截面图610示出了相对于某些参考点的初始焦点高度Z(n)，但是应该意识到，所示出的参考点不是限制性的。例如，尽管将初始焦点高度Z(n)示出为介于物镜的中心与中间面的参考平面510之间的距离，但是可以在不同点(如，介于半导体衬底602的顶面或底面与物镜612的顶部或底部之间)之间测量初始焦点高度Z(n)。

[0049] 图7示出了使用先进的工艺控制(APC)执行凸块计量的方法700的一些实施例的流程图。尽管该方法应用于执行3DIC的凸块计量，但是应该意识到，该方法不限于这种应用，而且可以广泛地应用于凸块计量的不同的应用。

[0050] 在步骤702中，提供半导体衬底。

[0051] 在步骤704中，确定半导体衬底的方位。半导体衬底的方位提供了用于随后的测量的公共参照系(如，使得可以使用来自衬底翘曲测量的信息获得凸块计量测量)。

[0052] 在步骤706中，执行前道工序(FEOL)处理，以在半导体衬底内形成多个半导体器件。在各个实施例中，多个半导体器件可以包括晶体管、电容器、电阻器、电感器等。

[0053] 在步骤708中，将多个衬底贯通孔(TSV)形成为延伸穿过半导体衬底的一部分。

[0054] 在步骤710中，在半导体衬底上形成与多个TSV电接触的金属互连层和多个导电凸块。

[0055] 在步骤712中，减薄半导体衬底。减薄半导体衬底降低了半导体衬底的厚度。在一些实施例中，半导体衬底的厚度为大约50μm至200μm。在其他实施例中，半导体衬底的厚度为大约200μm至300μm。在又一实施例中，半导体衬底的厚度为大约300μm至400μm。在一些实施例中，可以通过载体晶圆来支撑半导体衬底。

[0056] 在步骤714中，在半导体衬底的表面上方的不同位置处测量多个衬底翘曲参数。

[0057] 在步骤716中，使用多个衬底翘曲参数来计算凸块计量模块的物镜的多个初始焦点高度。

[0058] 在步骤718中，将凸块计量模块的物镜放置在第一初始焦点高度处。在一些实施例中，白光干涉仪可以具有物镜。

[0059] 在步骤720中，可以调节物镜高度。调节物镜高度提供了从初始焦点高度微调物镜位置。

[0060] 在步骤722中，使用物镜来测量一个或多个导电凸块的高度、宽度和/或关键尺寸(CD)。

[0061] 在步骤724中，将凸块计量模块的物镜放置在随后的初始焦点高度处。将物镜移动至随后的初始焦点高度处，以测量沿着半导体衬底的表面的另一点(如，具有不同翘曲参数的另一点)处的凸块的高度和/或CD。

[0062] 在步骤726中，可以调节物镜高度。

[0063] 在步骤728中，使用物镜来测量一个或多个导电凸块的高度和/或关键尺寸(CD)。可以使用多个初始焦点高度中的不同的初始焦点高度，在位于半导体衬底的表面上方的不同空间位置处的多个点上反复执行(如线730所示)步骤724至728的测量工艺。

[0064] 在步骤732中，如果高度和/或CD违反预定准则，那么对半导体衬底执行矫正措施。例如，如果测量的凸块高度小于预定准则和/或测量的CD大于预定准则。在一些实施例中，矫正措施可以包括丢弃半导体衬底。在其他实施例中，半导体衬底可以包括所提供的预执行凸块处理，以形成新的导电凸块。

[0065] 在步骤734中，半导体衬底堆叠在一个或多个附加的衬底上，以形成多维集成芯片。在各个实施例中，多维集成芯片可以包括单片3维(3D)集成芯片、包括堆叠在中间衬底上的多个集成芯片管芯的2.5维集成芯片(2.5DIC)或包括彼此垂直堆叠的多个集成芯片管芯的3D集成芯片。

[0066] 图8至图14示出了衬底的截面图的一些实施例，以示出使用先进的工艺控制(APC)执行凸块计量的方法。尽管关于方法700描述了图8至图14，但应该理解，图8至图14所公开的结构并不限于这种方法，而是可以单独作为独立于该方法的结构。

[0067] 图8示出了对应于步骤702至704的集成芯片的截面图800的一些实施例。

[0068] 如截面图800所示，提供半导体衬底802。半导体衬底802可以是任何类型的半导体主体(如，硅、SiGe、SOI)，诸如半导体晶圆和/或晶圆上的一个或多个管芯；以及相关的任何其他类型的金属层、器件、半导体和/或外延层等。

[0069] 如俯视图804所示，可以确定半导体衬底802的方位。可以相对于半导体衬底802中的凹口806来确定半导体衬底802的方位。确定半导体衬底802的方位允许将衬底翘曲的测量应用于随后的凸块计量测量。

[0070] 图9示出了对应于步骤706至708的集成芯片的截面图900的一些实施例。

[0071] 如截面图900所示，处理半导体衬底802，以在半导体衬底802的正面802a内形成多个半导体器件902。多个半导体器件902可以包括晶体管器件和/或无源器件(如，电容器、电阻器、电感器等)。可以通过选择性地注入和/或沉积工艺来形成多个半导体器件902。

[0072] 将多个衬底贯通孔(TSV)904形成为延伸穿过半导体衬底802的一部分。通过在半导体衬底802的正面802a内蚀刻沟槽来形成多个TSV 904。衬里介电层(未示出)可以形成在沟槽的侧壁上，并且导电材料形成在沟槽内，以形成多个TSV 904。在一些实施例中，例如，导电材料可以包括诸如铜或铝的金属。在其他实施例中，例如，导电材料可以包括掺杂的多晶硅。可以通过汽相沉积工艺(如，化学汽相沉积、物理汽相沉积等)的方式和/或通过镀工艺(如，电镀或化学镀)的方式来沉积导电材料。

[0073] 图10示出了对应于步骤710的集成芯片的截面图1000的一些实施例。

[0074] 如截面图1000所示，一个或多个金属互连层1004形成在半导体衬底802的正面802a上方的一个或多个层间介电(ILD)层1002内。一个或多个金属互连层1004(如，金属引线和/或通孔)包括金属材料，该金属材料被配置为将多个半导体器件902彼此电连接并且电连接至外部环境。在一些实施例中，一个或多个金属互连层1004可以包括诸如铜、铝、钨等的导电材料。在一些实施例中，一个或多个ILD层1002可以包括低k介电层、超低k介电层、极低k介电层和/或二氧化硅层。一个或多个金属互连层1004在多个TSV 904与形成在一个或多个ILD层1002的上表面上的一个或多个导电凸块1006之间纵向延伸。一个或多个导电凸块1006可以包括通过镀工艺(如，电镀工艺或化学镀工艺)的方式形成的焊料凸块(如，C4凸块)。

[0075] 图11示出了对应于步骤712的集成芯片的截面图1100的一些实施例。

[0076] 如截面图1100所示，减薄半导体衬底802，以降低半导体衬底1102的厚度(如，从厚度t减薄至厚度t-δ)。可以通过蚀刻工艺和/或通过物理研磨工艺的方式来减薄半导体衬底1102。在一些实施例中，可以将半导体衬底1102的厚度减少了90％以上。例如，半导体衬底
1102的厚度从在大约700μm与大约1000μm的范围内的第一厚度t减小至小于大约50μm的第二厚度t-δ。减薄半导体衬底1102沿着半导体衬底1102的背面1102b暴露了多个TSV 904，从而允许多个TSV 904从半导体衬底1102的正面1102a纵向延伸至半导体衬底1102的背面
1102b。

[0077] 图12示出了对应于步骤714的集成芯片的截面图1200的一些实施例。应该意识到，为了简化截面图1200，截面图1200没有示出金属互连层1004和半导体器件902。

[0078] 如截面图1200所示，测量半导体衬底1102的一个或多个衬底翘曲参数w1-w2。在半导体衬底1102上的多个不同点p1-p2上方测量半导体衬底1102的一个或多个衬底翘曲参数w1-w2。例如，一个或多个衬底翘曲参数w1-w2可以包括在半导体衬底1102的表面上方以N×N像素(如，512×512、1024×1024等)的分辨率所测量的半导体衬底的高度/纵向位置。在一些实施例中，一个或多个衬底翘曲参数w1-w2可以包括在所选点处的衬底的中值高度/纵向位置的值。在这种实施例中，半导体衬底1102的一个或多个衬底翘曲参数w1-w2共同限定弯曲的中间面1202。在一些实施例中，一个或多个衬底翘曲参数w1-w2可以包括多个像素的高度/纵向位置值的中间值或平均值。在其他实施例中，一个或多个衬底翘曲参数w1-w2可以包括来自单个像素的高度/纵向位置值。

[0079] 图13示出了对应于步骤716至718的集成芯片的截面图1300的一些实施例。应该意识到，为了简化截面图，截面图1300省略了金属引线层和半导体器件。

[0080] 如截面图1300所示，基于一个或多个衬底翘曲参数(如，根据弯曲的中间面1202)，设置凸块计量模块的物镜1304的初始高度1302，该凸块计量模块用于测量导电凸块1006的高度、宽度和/或关键尺寸。在一些实施例中，初始高度1302可以等于预定补偿值hoff与一个或多个衬底翘曲参数1306之和。

[0081] 图14示出了对应于步骤734的集成芯片的截面图1400的一些实施例。

[0082] 如截面图1400所示，半导体衬底1102堆叠在封装件衬底1402(或印刷电路板)上方，以形成多维集成芯片。在一些实施例中，一个或多个中间衬底1404可以垂直堆叠在封装件衬底1402与半导体衬底1102之间。可以通过多个焊球1406(如，C4连接件)的方式将中间衬底1404耦合至封装件衬底1402。可以通过一个或多个导电微凸块1410的方式将半导体衬底1102耦合至附加的半导体衬底1408。

[0083] 因此，本发明涉及依赖于先进的工艺控制(APC)的凸块计量的方法，以将描述衬底的翘曲的衬底翘曲参数提供给凸块计量模块，从而改善凸块计量模块的聚焦。

[0084] 在一些实施例中，本发明涉及一种执行衬底计量的方法。方法包括测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数。方法还包括基于一个或多个衬底翘曲参数来计算衬底计量模块的参数。方法还包括通过根据参数来操作衬底计量模块来测量半导体衬底上的凸块的高度和宽度。

[0085] 优选地，所述一个或多个衬底翘曲参数包括所述半导体衬底相对于中间参考平面的高度，所述中间参考平面延伸穿过所述半导体衬底的中值高度。

[0086] 优选地，方法还包括：如果所述高度或所述宽度违反预定准则，那么对所述半导体衬底执行矫正措施。

[0087] 优选地，方法还包括：确定所述半导体衬底的方位；以及在测量所述凸块的高度和宽度之前，使所述一个或多个衬底翘曲参数与所述半导体衬底的方位匹配。

[0088] 优选地，所述半导体衬底的厚度小于或等于大约50μm。

[0089] 优选地，方法还包括：执行前道工序(FEOL)处理，以在所述半导体衬底的正面内形成一个或多个半导体器件；形成从所述半导体衬底的正面延伸至所述半导体衬底内的位置处的多个衬底贯通孔；以及减薄所述半导体衬底，使得所述多个衬底贯通孔延伸穿过所述半导体衬底。

[0090] 优选地，方法还包括：将多维集成芯片内的所述半导体衬底堆叠在另一半导体衬底上。

[0091] 优选地，使用共聚焦显微镜或通过分析由反射所述半导体衬底的表面的粒子而形成的衍射图案来测量所述一个或多个衬底翘曲参数。

[0092] 优选地，所述参数包括所述计量模块的透镜的初始焦点高度。

[0093] 优选地，所述初始焦点高度等于所述衬底翘曲参数与预定补偿值之和。

[0094] 优选地，所述衬底计量模块包括白光干涉仪，包括：

[0095] 光源，被配置为提供白光；

[0096] 光束分离器，被配置为将所述白光分为与所述透镜相交的第一路径以及第二路径；反射平面镜，被布置为与所述第二路径相交；以及位置控制元件，被配置为基于所述初始焦点高度来改变所述透镜的位置。

[0097] 在其他实施例中，本发明涉及一种执行凸块计量的方法。方法包括在半导体衬底的表面上方的多个不同位置处测量半导体衬底的多个位置。方法还包括通过将预定补偿与多个位置的相加来计算凸块计量模块的物镜的多个初始焦点高度。方法还包括将凸块计量模块的物镜放置在多个初始焦点高度中的一个初始焦点高度处。方法还包括使用凸块计量模块在与多个初始焦点高度中的一个初始焦点高度相对应的位置处测量半导体衬底上的一个或多个导电凸块的高度和关键尺寸。

[0098] 优选地，所选位置处的初始焦点高度等于预定补偿值与在所述所选位置下面的点处测量的所述半导体衬底的位置之和。

[0099] 优选地，方法还包括：对所述半导体衬底的正面执行前道工序(FEOL)处理，以在所述半导体衬底的正面内形成一个或多个半导体器件；形成多个衬底贯通孔，所述多个衬底贯通孔从所述半导体衬底的正面延伸至所述半导体衬底内的位置处；以及减薄所述半导体衬底，使得所述多个衬底贯通孔延伸穿过所述半导体衬底。

[0100] 优选地，方法还包括：将所述半导体衬底堆叠在多维集成芯片内的另一半导体衬底上。

[0101] 优选地，方法还包括：如果所述高度或所述关键尺寸违反预定准则，那么对所述半导体衬底执行矫正措施。

[0102] 优选地，方法还包括：将所述物镜放置在所述多个初始焦点高度中的随后一个初始焦点高度处；以及在与所述多个初始焦点高度中的随后一个初始焦点高度相对应的位置处测量所述半导体衬底上的一个或多个附加的凸块的高度和关键尺寸。

[0103] 在又一实施例中，本发明涉及衬底计量系统。系统包括被配置为测量半导体衬底的一个或多个衬底翘曲参数的衬底翘曲测量模块。系统还包括：凸块计量模块，包括被配置为测量半导体衬底上的导电凸块的高度和关键尺寸的光学组件。系统还包括从衬底翘曲测量模块延伸至凸块计量模块的前馈路径。系统还包括：设置在前馈路径内的先进的工艺控制(APC)元件，并且被配置为计算光学组件内的物镜的初始焦点高度。

[0104] 优选地，所述凸块计量模块包括白光干涉仪，所述白光干涉仪具有：物镜，被配置为接收来自所述衬底的光；以及位置控制元件，被配置为基于所述一个或多个衬底翘曲参数来改变所述物镜的高度。

[0105] 优选地，衬底计量系统还包括：方位检测元件，被配置为确定所述半导体衬底的方位；以及方位对准元件，被配置为：在将所述凸块计量模块的透镜放置在所述初始焦点高度处之前，使所述一个或多个衬底翘曲参数与所述半导体衬底的方位匹配。

[0106] 上面论述了若干实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

标题	发布/更新时间	阅读量
凸块工艺-专利编号CN103165482A	2020-05-11	350
凸块工艺-专利编号CN100580899C	2020-05-12	931
复合凸块-专利编号CN1992246A	2020-05-11	720
凸块结构-专利编号CN110634828A	2020-05-11	867
凸块工艺-专利编号CN103165482B	2020-05-13	1022
凸块结构-专利编号CN101989590B	2020-05-11	247
凸块制程-专利编号CN101038441B	2020-05-13	507
凸块结构-专利编号CN101335248A	2020-05-12	513
凸块制程-专利编号CN101266936A	2020-05-12	445
凸块制程-专利编号CN101038441A	2020-05-13	873

3D IC凸块高度计量APC

3D IC凸块高度计量APC

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