用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及一種用于蝕刻集成電路的半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)和方法，更具體地，涉及一種利用濕法蝕刻工藝蝕刻半導(dǎo)體晶片(集成電路襯底)的系統(tǒng)和方法，使得所述晶片的蝕刻獲得精確的和均勻的厚度。
【背景技術(shù)】
[0002]2.5與3D整合在器件制造中正在成為現(xiàn)實(shí)。關(guān)鍵工藝步驟是減薄硅晶片以顯露所述金屬填充的硅通孔(TSV)。研磨用于去除大部分的硅晶片。目前，多步驟連續(xù)的工藝，包括化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)和等離子蝕刻已被用于完成所述硅的最終減薄。然而，這種傳統(tǒng)工藝有許多與其相關(guān)的缺點(diǎn)，包括但并不局限于所述工藝的復(fù)雜性及其相關(guān)的成本。如下文所述，本發(fā)明旨在通過(guò)提供簡(jiǎn)單、有成本效益的方法來(lái)濕法蝕刻剩余的硅以顯露所述TSV,克服與所述傳統(tǒng)工藝相關(guān)的缺點(diǎn)。
[0003]TSV晶片(襯底)是通過(guò)在襯底的頂表面中創(chuàng)建通孔(孔)而制造的。這些通孔穿過(guò)晶片的厚度部分地延伸。然后利用導(dǎo)電材料填充所述孔，有或沒(méi)有絕緣襯墊。然后通過(guò)研磨工藝，在與處理與創(chuàng)建所述通孔相反的所述晶片的底側(cè)，進(jìn)行研磨工藝，通過(guò)機(jī)械研磨減小所述襯底厚度，有效地減少了通孔的底部到所述襯底的底表面的距離。不希望完全研磨所述襯底來(lái)暴露所述導(dǎo)體，因?yàn)檫@將導(dǎo)致所述導(dǎo)電材料的離子被涂覆在所述襯底表面，從而改變?cè)谒鑫廴疚恢玫碾姎鈱傩圆⑶覝p少良品率。在根據(jù)所需應(yīng)用進(jìn)一步處理所述底側(cè)之前，可以在所述晶片的頂側(cè)執(zhí)行任意數(shù)量的制造步驟。例如，對(duì)于器件晶片，全部器件結(jié)構(gòu)和冶金部件可被附加到所述晶片的頂表面。對(duì)于2.f5D插入式應(yīng)用，可以完成所述頂側(cè)布線/互連。然后具有通孔的晶片通常利用粘合層來(lái)安裝，所述粘合層位于載體晶片上，所述晶片的頂部朝向所述載體晶片。
[0004]所述研磨工藝在所述通孔之上，留下一層襯底材料，其可以在邊緣更厚、在晶片上均勻或在晶片的中心比在邊緣更厚(在晶片厚度的變化內(nèi))。同樣，在晶片不同(晶片間的厚度變化)的基礎(chǔ)上，通孔上方的襯底材料的高度可以存在差別。在所述通孔上方的層的差別可以大于所述暴露通孔的高度的容許差。
[0005]利用粘合材料安裝所述載體晶片和通孔晶片。此粘合層的厚度和均勻度可以變化，致使在確定在所述通孔的端部上方，所述頂部硅晶片中的剩余材料的厚度和均勻度時(shí)，外部測(cè)量值無(wú)效。
[0006]集成電路的晶片，這通常是扁圓形圓盤(雖然有可能是其它形狀)的形式并且常常由硅、砷化鎵或其它材料制成，可利用各種化學(xué)品進(jìn)行處理。一個(gè)工藝是利用液體化學(xué)蝕刻劑來(lái)去除來(lái)自所述襯底或在所述襯底上的材料，這種工藝常常被稱作濕法蝕刻。常用的方法包括將晶片浸沒(méi)在化學(xué)槽中(稱為“批量處理”或“浸潤(rùn)處理”)，或當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)在晶片上滴涂流體(稱為“單晶片處理”)。隨著晶片規(guī)模的增加和幾何尺寸的減小，可以通過(guò)使用單晶片處理來(lái)獲得本質(zhì)上的好處，因?yàn)樗鎏幚憝h(huán)境可被更好地控制。
[0007]濕法蝕刻工藝的蝕刻速率將隨著蝕刻劑濃度的改變而變化。當(dāng)化學(xué)蝕刻劑被再循環(huán)，加入少量新的化學(xué)蝕刻劑以維持蝕刻速率是慣例。通常添加物是基于晶片處理或自蝕刻劑制備的經(jīng)過(guò)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。如果不存在測(cè)量反饋，將僅保持所述蝕刻速率，以及所述數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測(cè)需要注入的新的化學(xué)蝕刻劑。同樣，將不會(huì)考慮任何外部影響以及所述蝕刻速率將不會(huì)保持不變。所述蝕刻工藝的深度是蝕刻速率和時(shí)間的函數(shù)。時(shí)間得到很好的控制，但蝕刻速率可以基于幾個(gè)系數(shù)而變化。同樣地，正如因晶片不同厚度將變化，所需的蝕刻深度將變化。因此，缺乏一種確定何時(shí)暴露所述通孔的方法的限制了在每個(gè)待處理的晶片上暴露精確深度的能力。
[0008]KOH(氫氧化鉀)是一種通常使用的蝕刻劑，由于其屬性選擇性地硅蝕刻導(dǎo)體(如銅)和絕緣體(如氧化硅)。在KOH蝕刻之后，在所述晶片的表面上留下了剩余的鉀。來(lái)自所述蝕刻工藝的基于剩余鉀的粒子和離子將導(dǎo)致所述襯底表面電氣屬性的改變，如果在所述蝕刻工藝之后沒(méi)有去除，將導(dǎo)致產(chǎn)量損失。
[0009]類似于減薄TSV晶片，減薄非TSV晶片的傳統(tǒng)工藝包括研磨以去除大部分的晶片，多步驟連續(xù)的工藝包括化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)和等離子蝕刻以完成所述硅的最終減薄。然而，這種傳統(tǒng)工藝有許多與其相關(guān)的缺點(diǎn)，包括但并不局限于所述工藝的復(fù)雜性及其相關(guān)的成本。如下文所述，本發(fā)明旨在通過(guò)提供簡(jiǎn)單、有成本效益的方法來(lái)將剩余的襯底濕法蝕刻到期望的厚度和表面均勻度，克服與所述傳統(tǒng)工藝相關(guān)的缺點(diǎn)。
[0010]因此，需要存在一種系統(tǒng)和方法:(I)確定將從所述襯底去除的材料的數(shù)量和圖案；(2)將所述材料去除到所期望的均勻度；(3)確定何時(shí)結(jié)束所述蝕刻工藝，以便已經(jīng)暴露的通孔達(dá)到期望的深度以及(4)清洗來(lái)自TSV晶片表面的剩余的鉀，而不妨礙所述已暴露的通孔。如以下描述，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)第一方面，提供了一個(gè)用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括外殼和設(shè)置在外殼內(nèi)的許多晶片/襯底處理站，晶片/襯底處理站包括測(cè)量站，所述測(cè)量站，除了包括別的之外，尤其包括被配置為實(shí)時(shí)地測(cè)量襯底的初始厚度信息和最終厚度信息的成像設(shè)備。包括單晶片濕法蝕刻設(shè)備的蝕刻站也在所述外殼內(nèi)。自動(dòng)的襯底傳送設(shè)備被配置為可控制地移動(dòng)所述測(cè)量站和所述單晶片濕法蝕刻站和包括在所述系統(tǒng)內(nèi)的任何其他站之間的襯底。由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)可通信地耦合至處理系統(tǒng)和其中的站。所述控制系統(tǒng)通過(guò)使得所述成像設(shè)備測(cè)量所述襯底的厚度并且利用此厚度信息實(shí)時(shí)地計(jì)算所述襯底的蝕刻配方，被配置為控制所述濕法蝕刻工藝。所述控制系統(tǒng)還被配置為使得所述單晶片濕法蝕刻設(shè)備根據(jù)所述蝕刻配方蝕刻所述襯底，以及在蝕刻所述襯底之后，使得所述成像設(shè)備重新測(cè)量所述最終的厚度信息。此外，所述控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地計(jì)算作為來(lái)自先前襯底的最終厚度信息的函數(shù)的所述蝕刻配方。
[0012]此外，所述蝕刻站可包括終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備，所述終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備可包括高強(qiáng)度光發(fā)射器和檢測(cè)器，所述控制系統(tǒng)可被配置為在所述蝕刻工藝期間，利用由所述終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備收集到的所述信息，檢測(cè)具有TSV的襯底的暴露點(diǎn)。此外，所述系統(tǒng)還可以包括一個(gè)或多個(gè)清洗站，所述清洗站在所述外殼內(nèi)并且可通信地耦合到所述控制系統(tǒng)以在所述蝕刻工藝之后清洗襯底?？梢詮脑诒疚倪M(jìn)一步描述的所述工藝和/或方法中理解用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的系統(tǒng)的這些和其他方面、特性和優(yōu)點(diǎn)。
[0013]根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一個(gè)通過(guò)利用單晶片濕法蝕刻處理系統(tǒng)來(lái)濕法蝕刻襯底的方法。所述方法包括在測(cè)量站測(cè)量正被處理的特定襯底的初始厚度信息。所述初始厚度信息包括在所述襯底表面上的一個(gè)或多個(gè)徑向位置的襯底厚度，并且可以利用在所述測(cè)量站內(nèi)設(shè)置的成像設(shè)備通過(guò)光學(xué)掃描所述襯底而獲得所述初始厚度信息。所述方法還包括根據(jù)所述初始厚度信息并且根據(jù)所述期望的最終蝕刻輪廓，計(jì)算所述特定襯底的蝕刻輪廓，所述期望的最終蝕刻輪廓為經(jīng)過(guò)處理之后所述襯底的目標(biāo)物理特征。計(jì)算所述蝕刻輪廓可包括計(jì)算所述襯底的徑向厚度和蝕刻深度。此外，根據(jù)計(jì)算出的蝕刻輪廓，產(chǎn)生對(duì)于所述特定的襯底的蝕刻配方。所述蝕刻配方包括設(shè)定控制所述濕法蝕刻工藝的運(yùn)行的各種參數(shù)。所述方法還包括根據(jù)所述蝕刻配方，蝕刻所述特定襯底，以便獲得所期望的最終蝕刻輪廓。應(yīng)當(dāng)理解的是，用于執(zhí)行本示例性工藝的各種站被設(shè)置在所述處理系統(tǒng)的外殼內(nèi)，并且通過(guò)自動(dòng)襯底傳送設(shè)備來(lái)訪問(wèn)，所述自動(dòng)襯底傳送設(shè)備配置為可控制地在站之間移動(dòng)所述襯底，從而當(dāng)所述襯底正在經(jīng)歷蝕刻處理時(shí)，允許所述襯底的實(shí)時(shí)測(cè)量。所述方法還包括在所述特定襯底被蝕刻之后，所述測(cè)量站測(cè)量所述特定襯底的最終厚度信息的步驟。此外，所述最終厚度信息可用于計(jì)算隨后的待處理的襯底的蝕刻配方。
[0014]所述方法還可以包括用于清洗設(shè)置在所述處理系統(tǒng)中的清洗站中的所述特定襯底的步驟。所述方法，特別是所述蝕刻步驟還可以包括檢測(cè)，利用包括在所述蝕刻站內(nèi)的終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備顯露的一個(gè)或多個(gè)具有襯底的TSV的點(diǎn)，的步驟。
[0015]根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種用于檢測(cè)蝕刻工藝的終點(diǎn)的方法，其中使用單晶片濕法蝕刻處理系統(tǒng)蝕刻具有TSV的特定襯底。所述方法包括將光發(fā)射到所述特定襯底的表面至少一個(gè)的標(biāo)地(sample area)上，以及檢測(cè)離開所述表面標(biāo)地的光反射。所述方法還包括計(jì)算反射強(qiáng)度以及將所述強(qiáng)度與參考強(qiáng)度進(jìn)行比較。所述參考強(qiáng)度指示顯露點(diǎn)，其是在所述蝕刻工藝期間，所述TSV顯露在所述特定襯底的表面上的點(diǎn)(即所述蝕刻劑已將所述TSV之上的襯底層移除直到所述TSV被暴露時(shí)的點(diǎn))。所述方法包括檢測(cè)何時(shí)所述強(qiáng)度與所述參考強(qiáng)度對(duì)應(yīng)，從而識(shí)別所述蝕刻工藝的所述顯露點(diǎn)。所述方法還包括考慮到所述識(shí)別到的顯露點(diǎn)以及可選地考慮由用戶輸入的過(guò)蝕刻時(shí)長(zhǎng)，設(shè)定所述蝕刻工藝的終點(diǎn)。所述終點(diǎn)根據(jù)所期望的高度而變化。
[0016]根據(jù)另一個(gè)方面，為了在單晶片濕法蝕刻處理系統(tǒng)中控制襯底的濕法蝕刻工藝，提供了一種由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)。所述單晶片濕法蝕刻處理系統(tǒng)包括單晶片濕法蝕刻設(shè)備和配置在外殼內(nèi)并且通過(guò)自動(dòng)襯底傳送設(shè)備來(lái)訪問(wèn)的成像設(shè)備，以及所述控制系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)處理器，所述處理器可通信地耦合到所述處理系統(tǒng)的部件以及被配置為與計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行交互以及運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)介質(zhì)上的軟件模塊。所述軟件模塊包括成像模塊，所述成像模塊被配置為使所述成像設(shè)備測(cè)量所述襯底的初始厚度信息并且從所述成像設(shè)備接收所述初始厚度信息。所述軟件模塊還包括襯底厚度模塊，所述襯底厚度模塊被配置為至少根據(jù)所述徑向厚度信息和所期望的最終蝕刻輪廓，實(shí)時(shí)計(jì)算所述襯底的徑向厚度并且計(jì)算所述襯底的蝕刻深度。所述軟件模塊還包括蝕刻配方模塊，所述蝕刻配方模塊被配置為根據(jù)所述徑向厚度和蝕刻深度，產(chǎn)生所述襯底的蝕刻配方，以及被配置為根據(jù)所述蝕刻配方，使得所述單晶片濕法蝕刻設(shè)備蝕刻所述襯底。此外，所述成像模塊可以進(jìn)一步被配置為在通過(guò)所述蝕刻站蝕刻所述襯底之后，使得所述成像設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量所述襯底的最終厚度信息，并且從所述成像設(shè)備中接收所述最終厚度信息。所述系統(tǒng)還可包括蝕刻配方模塊，所述蝕刻配方模塊還配置為根據(jù)先前襯底的最終厚度信息，計(jì)算所述蝕刻配方。所述系統(tǒng)還可以包括清洗模塊，所述清洗模塊被配置為使得襯底清洗裝置清洗所述襯底。
[0017]根據(jù)另一個(gè)方面，為了通過(guò)單晶片濕法蝕刻站來(lái)確定具有TSV的襯底的濕法蝕刻工藝的終點(diǎn)，提供了一種由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)。所述單晶片濕法蝕刻站包括單晶片濕法蝕刻設(shè)備、光發(fā)射器和光檢測(cè)器，所述控制系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)處理器，所述處理器可通信地耦合到所述單晶片濕法蝕刻設(shè)備、所述光發(fā)射器和所述光檢測(cè)器，并且被配置為與計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行交互以及運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)介質(zhì)上的軟件模塊。所述軟件模塊包括終點(diǎn)檢測(cè)模塊，所述終點(diǎn)檢測(cè)模塊被配置為使得所述光發(fā)射器將光發(fā)射到所述襯底的表面的至少一個(gè)標(biāo)地上，并且使得所述光檢測(cè)器檢測(cè)離開所述表面標(biāo)地的光反射。所述終點(diǎn)檢測(cè)模塊還配置為計(jì)算所述反射的強(qiáng)度以及將所述反射的強(qiáng)度與參考強(qiáng)度進(jìn)行比較，其中所述參考強(qiáng)度指示顯露點(diǎn)，其是在所述蝕刻工藝期間，所述TSV顯露在所述特定襯底的表面上的點(diǎn)。利用所述經(jīng)過(guò)比較的強(qiáng)度，所述控制系統(tǒng)可確定何時(shí)所述強(qiáng)度與所述參考強(qiáng)度對(duì)應(yīng)，以及所述控制系統(tǒng)考慮到所述識(shí)別到的顯露點(diǎn)以及可選地考慮由用戶定義的過(guò)蝕刻時(shí)長(zhǎng)，設(shè)定所述蝕刻工藝的終點(diǎn)。
[0018]從本發(fā)明的某些實(shí)施例的附加說(shuō)明和附圖及權(quán)利要求中，可以理解這些和其他方面、特性和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的系統(tǒng)的透視圖；
[0020]圖2是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的系統(tǒng)的正視圖；
[0021]圖3是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的系統(tǒng)的示例性的結(jié)構(gòu)的框圖；
[0022]圖4是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了測(cè)量站的正視圖；
[0023]圖5是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了濕法蝕刻站的透視圖；
[0024]圖6A是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了清洗站的正視圖；
[0025]圖6B是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了清洗站的正視圖；
[0026]圖7A是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的系統(tǒng)的示例性的結(jié)構(gòu)的框圖；
[0027]圖7B是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了工藝控制系統(tǒng)的示例性結(jié)構(gòu)的框圖；
[0028]圖8是根據(jù)在本文公開的至少一個(gè)實(shí)施例，示出了用于執(zhí)行濕法蝕刻工藝的程序的流程圖；
[0029]圖9A是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了具有TSV的示例性硅襯底的剖面圖；
[0030]圖9B是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了示例性襯底的徑向厚度的圖；
[0031]圖9C是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了示例性襯底的厚度的圖；
[0032]圖9D是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了自旋速度、蝕刻速率和蝕刻劑溫度之間的示例性關(guān)系的圖；
[0033]圖9E是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例示出了蝕刻速率和蝕刻劑濃度之間的示例性關(guān)系的圖；
[0034]圖9F是根據(jù)在本文公開的一個(gè)實(shí)施例，示出了作為徑向位置的函數(shù)的臂掃描速度和駐留時(shí)間之間的示例性