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。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，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)明旨在通過提供簡單、有成本效益的方法來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。
[0003]TSV晶片(襯底)是通過在襯底的頂表面中創(chuàng)建通孔(孔)而制造的。這些通孔穿過晶片的厚度部分地延伸。然后利用導(dǎo)電材料填充所述孔，有或沒有絕緣襯墊。然后通過研磨工藝，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暴露所述導(dǎo)體，因為這將導(dǎo)致所述導(dǎo)電材料的離子被涂覆在所述襯底表面，從而改變在所述污染位置的電氣屬性并且減少良品率。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，外部測量值無效。
[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。一個工藝是利用液體化學(xué)蝕刻劑來去除來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在化學(xué)槽中(稱為“批量處理”或“浸潤處理”)，或當(dāng)旋轉(zhuǎn)時在晶片上滴涂流體(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，可以通過使用單晶片處理來獲得本質(zhì)上的好處，因為所述處理環(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)過時間的數(shù)學(xué)模型。如果不存在測量反饋，將僅保持所述蝕刻速率，以及所述數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測需要注入的新的化學(xué)蝕刻劑。同樣，將不會考慮任何外部影響以及所述蝕刻速率將不會保持不變。所述蝕刻工藝的深度是蝕刻速率和時間的函數(shù)。時間得到很好的控制，但蝕刻速率可以基于幾個系數(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，缺乏一種確定何時暴露所述通孔的方法的限制了在每個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，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)明旨在通過提供簡單、有成本效益的方法來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。
[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/襯底處理站包括測量站，所述測量站，除了包括別的之外，尤其包括被配置為實時地測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)。自動的襯底傳送設(shè)備被配置為可控制地移動所述測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。由計算機(jī)實現(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)通過使得所述成像設(shè)備測量所述襯底的厚度并且利用此厚度信息實時地計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)備重新測量所述最終的厚度信息。此外，所述控制系統(tǒng)可實時地計算作為來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檢測設(shè)備，所述終點檢測設(shè)備可包括高強(qiáng)度光發(fā)射器和檢測器，所述控制系統(tǒng)可被配置為在所述蝕刻工藝期間，利用由所述終點檢測設(shè)備收集到的所述信息，檢測具有TSV的襯底的暴露點。此外，所述系統(tǒng)還可以包括一個或多個清洗站，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。
[0013]根據(jù)另一個方面，提供了一個通過利用單晶片濕法蝕刻處理系統(tǒng)來濕法蝕刻襯底的方法。所述方法包括在測量站測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或多個徑向位置的襯底厚度，并且可以利用在所述測量站內(nèi)設(shè)置的成像設(shè)備通過光學(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)過處理之后所述襯底的目標(biāo)物理特征。計算所述蝕刻輪廓可包括計算所述襯底的徑向厚度和蝕刻深度。此外，根據(jù)計算出的蝕刻輪廓，產(chǎn)生對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)，并且通過自動襯底傳送設(shè)備來訪問，所述自動襯底傳送設(shè)備配置為可控制地在站之間移動所述襯底，從而當(dāng)所述襯底正在經(jīng)歷蝕刻處理時，允許所述襯底的實時測量。所述方法還包括在所述特定襯底被蝕刻之后，所述測量站測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，利用包括在所述蝕刻站內(nèi)的終點檢測設(shè)備顯露的一個或多個具有襯底的TSV的點，的步驟。
[0015]根據(jù)另一個方面，提供了一種用于檢測蝕刻工藝的終點的方法，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的標(biāo)地(sample area)上，以及檢測離開所述表面標(biāo)地的光反射。所述方法還包括計算反射強(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，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(即所述蝕刻劑已將所述TSV之上的襯底層移除直到所述TSV被暴露時的點)。所述方法包括檢測何時所述強(qiáng)度與所述參考強(qiáng)度對應(yīng)，從而識別所述蝕刻工藝的所述顯露點。所述方法還包括考慮到所述識別到的顯露點以及可選地考慮由用戶輸入的過蝕刻時長，設(shè)定所述蝕刻工藝的終點。所述終點根據(jù)所期望的高度而變化。
[0016]根據(jù)另一個方面，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，提供了一種由計算機(jī)實現(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)并且通過自動襯底傳送設(shè)備來訪問的成像設(shè)備，以及所述控制系統(tǒng)包括一個或多個處理器，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算機(jī)可讀存儲介質(zhì)進(jìn)行交互以及運行一個或多個存儲在所述存儲介質(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，實時計算所述襯底的徑向厚度并且計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所述蝕刻站蝕刻所述襯底之后，使得所述成像設(shè)備實時測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)另一個方面，為了通過單晶片濕法蝕刻站來確定具有TSV的襯底的濕法蝕刻工藝的終點，提供了一種由計算機(jī)實現(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)射器和光檢測器，所述控制系統(tǒng)包括一個或多個處理器，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)射器和所述光檢測器，并且被配置為與計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)進(jìn)行交互以及運行一個或多個存儲在所述存儲介質(zhì)上的軟件模塊。所述軟件模塊包括終點檢測模塊，所述終點檢測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標(biāo)地上，并且使得所述光檢測器檢測離開所述表面標(biāo)地的光反射。所述終點檢測模塊還配置為計算所述反射的強(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，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。利用所述經(jīng)過比較的強(qiáng)度，所述控制系統(tǒng)可確定何時所述強(qiáng)度與所述參考強(qiáng)度對應(yīng)，以及所述控制系統(tǒng)考慮到所述識別到的顯露點以及可選地考慮由用戶定義的過蝕刻時長，設(shè)定所述蝕刻工藝的終點。
[0018]從本發(fā)明的某些實施例的附加說明和附圖及權(quán)利要求中，可以理解這些和其他方面、特性和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0019]圖1是根據(jù)在本文公開的一個實施例，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)在本文公開的一個實施例，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)在本文公開的一個實施例，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)在本文公開的一個實施例，示出了測量站的正視圖；
[0023]圖5是根據(jù)在本文公開的一個實施例，示出了濕法蝕刻站的透視圖；
[0024]圖6A是根據(jù)在本文公開的一個實施例，示出了清洗站的正視圖；
[0025]圖6B是根據(jù)在本文公開的一個實施例，示出了清洗站的正視圖；
[0026]圖7A是根據(jù)在本文公開的一個實施例，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)在本文公開的一個實施例，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實施例，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)在本文公開的一個實施例，示出了具有TSV的示例性硅襯底的剖面圖；
[0030]圖9B是根據(jù)在本文公開的一個實施例，示出了示例性襯底的徑向厚度的圖；
[0031]圖9C是根據(jù)在本文公開的一個實施例，示出了示例性襯底的厚度的圖；
[0032]圖9D是根據(jù)在本文公開的一個實施例，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)在本文公開的一個實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)在本文公開的一個實施例，示出了作為徑向位置的函數(shù)的臂掃描速度和駐留時間之間的示例性