用于执行湿法蚀刻工艺的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及一种用于蚀刻集成电路的半导体晶片的系统和方法，更具体地，涉及一种利用湿法蚀刻工艺蚀刻半导体晶片(集成电路衬底)的系统和方法，使得所述晶片的蚀刻获得精确的和均匀的厚度。
【背景技术】
[0002]2.5与3D整合在器件制造中正在成为现实。关键工艺步骤是减薄硅晶片以显露所述金属填充的硅通孔(TSV)。研磨用于去除大部分的硅晶片。目前，多步骤连续的工艺，包括化学机械平坦化(CMP)和等离子蚀刻已被用于完成所述硅的最终减薄。然而，这种传统工艺有许多与其相关的缺点，包括但并不局限于所述工艺的复杂性及其相关的成本。如下文所述，本发明旨在通过提供简单、有成本效益的方法来湿法蚀刻剩余的硅以显露所述TSV,克服与所述传统工艺相关的缺点。
[0003]TSV晶片(衬底)是通过在衬底的顶表面中创建通孔(孔)而制造的。这些通孔穿过晶片的厚度部分地延伸。然后利用导电材料填充所述孔，有或没有绝缘衬垫。然后通过研磨工艺，在与处理与创建所述通孔相反的所述晶片的底侧，进行研磨工艺，通过机械研磨减小所述衬底厚度，有效地减少了通孔的底部到所述衬底的底表面的距离。不希望完全研磨所述衬底来暴露所述导体，因为这将导致所述导电材料的离子被涂覆在所述衬底表面，从而改变在所述污染位置的电气属性并且减少良品率。在根据所需应用进一步处理所述底侧之前，可以在所述晶片的顶侧执行任意数量的制造步骤。例如，对于器件晶片，全部器件结构和冶金部件可被附加到所述晶片的顶表面。对于2.f5D插入式应用，可以完成所述顶侧布线/互连。然后具有通孔的晶片通常利用粘合层来安装，所述粘合层位于载体晶片上，所述晶片的顶部朝向所述载体晶片。
[0004]所述研磨工艺在所述通孔之上，留下一层衬底材料，其可以在边缘更厚、在晶片上均匀或在晶片的中心比在边缘更厚(在晶片厚度的变化内)。同样，在晶片不同(晶片间的厚度变化)的基础上，通孔上方的衬底材料的高度可以存在差别。在所述通孔上方的层的差别可以大于所述暴露通孔的高度的容许差。
[0005]利用粘合材料安装所述载体晶片和通孔晶片。此粘合层的厚度和均匀度可以变化，致使在确定在所述通孔的端部上方，所述顶部硅晶片中的剩余材料的厚度和均匀度时，外部测量值无效。
[0006]集成电路的晶片，这通常是扁圆形圆盘(虽然有可能是其它形状)的形式并且常常由硅、砷化镓或其它材料制成，可利用各种化学品进行处理。一个工艺是利用液体化学蚀刻剂来去除来自所述衬底或在所述衬底上的材料，这种工艺常常被称作湿法蚀刻。常用的方法包括将晶片浸没在化学槽中(称为“批量处理”或“浸润处理”)，或当旋转时在晶片上滴涂流体(称为“单晶片处理”)。随着晶片规模的增加和几何尺寸的减小，可以通过使用单晶片处理来获得本质上的好处，因为所述处理环境可被更好地控制。
[0007]湿法蚀刻工艺的蚀刻速率将随着蚀刻剂浓度的改变而变化。当化学蚀刻剂被再循环，加入少量新的化学蚀刻剂以维持蚀刻速率是惯例。通常添加物是基于晶片处理或自蚀刻剂制备的经过时间的数学模型。如果不存在测量反馈，将仅保持所述蚀刻速率，以及所述数学模型可以预测需要注入的新的化学蚀刻剂。同样，将不会考虑任何外部影响以及所述蚀刻速率将不会保持不变。所述蚀刻工艺的深度是蚀刻速率和时间的函数。时间得到很好的控制，但蚀刻速率可以基于几个系数而变化。同样地，正如因晶片不同厚度将变化，所需的蚀刻深度将变化。因此，缺乏一种确定何时暴露所述通孔的方法的限制了在每个待处理的晶片上暴露精确深度的能力。
[0008]KOH(氢氧化钾)是一种通常使用的蚀刻剂，由于其属性选择性地硅蚀刻导体(如铜)和绝缘体(如氧化硅)。在KOH蚀刻之后，在所述晶片的表面上留下了剩余的钾。来自所述蚀刻工艺的基于剩余钾的粒子和离子将导致所述衬底表面电气属性的改变，如果在所述蚀刻工艺之后没有去除，将导致产量损失。
[0009]类似于减薄TSV晶片，减薄非TSV晶片的传统工艺包括研磨以去除大部分的晶片，多步骤连续的工艺包括化学机械平坦化(CMP)和等离子蚀刻以完成所述硅的最终减薄。然而，这种传统工艺有许多与其相关的缺点，包括但并不局限于所述工艺的复杂性及其相关的成本。如下文所述，本发明旨在通过提供简单、有成本效益的方法来将剩余的衬底湿法蚀刻到期望的厚度和表面均匀度，克服与所述传统工艺相关的缺点。
[0010]因此，需要存在一种系统和方法:(I)确定将从所述衬底去除的材料的数量和图案；(2)将所述材料去除到所期望的均匀度；(3)确定何时结束所述蚀刻工艺，以便已经暴露的通孔达到期望的深度以及(4)清洗来自TSV晶片表面的剩余的钾，而不妨碍所述已暴露的通孔。如以下描述，本发明实现了这些目标。
【发明内容】
[0011]根据第一方面，提供了一个用于执行湿法蚀刻工艺的系统。所述系统包括外壳和设置在外壳内的许多晶片/衬底处理站，晶片/衬底处理站包括测量站，所述测量站，除了包括别的之外，尤其包括被配置为实时地测量衬底的初始厚度信息和最终厚度信息的成像设备。包括单晶片湿法蚀刻设备的蚀刻站也在所述外壳内。自动的衬底传送设备被配置为可控制地移动所述测量站和所述单晶片湿法蚀刻站和包括在所述系统内的任何其他站之间的衬底。由计算机实现的控制系统可通信地耦合至处理系统和其中的站。所述控制系统通过使得所述成像设备测量所述衬底的厚度并且利用此厚度信息实时地计算所述衬底的蚀刻配方，被配置为控制所述湿法蚀刻工艺。所述控制系统还被配置为使得所述单晶片湿法蚀刻设备根据所述蚀刻配方蚀刻所述衬底，以及在蚀刻所述衬底之后，使得所述成像设备重新测量所述最终的厚度信息。此外，所述控制系统可实时地计算作为来自先前衬底的最终厚度信息的函数的所述蚀刻配方。
[0012]此外，所述蚀刻站可包括终点检测设备，所述终点检测设备可包括高强度光发射器和检测器，所述控制系统可被配置为在所述蚀刻工艺期间，利用由所述终点检测设备收集到的所述信息，检测具有TSV的衬底的暴露点。此外，所述系统还可以包括一个或多个清洗站，所述清洗站在所述外壳内并且可通信地耦合到所述控制系统以在所述蚀刻工艺之后清洗衬底。可以从在本文进一步描述的所述工艺和/或方法中理解用于执行湿法蚀刻工艺的系统的这些和其他方面、特性和优点。
[0013]根据另一个方面，提供了一个通过利用单晶片湿法蚀刻处理系统来湿法蚀刻衬底的方法。所述方法包括在测量站测量正被处理的特定衬底的初始厚度信息。所述初始厚度信息包括在所述衬底表面上的一个或多个径向位置的衬底厚度，并且可以利用在所述测量站内设置的成像设备通过光学扫描所述衬底而获得所述初始厚度信息。所述方法还包括根据所述初始厚度信息并且根据所述期望的最终蚀刻轮廓，计算所述特定衬底的蚀刻轮廓，所述期望的最终蚀刻轮廓为经过处理之后所述衬底的目标物理特征。计算所述蚀刻轮廓可包括计算所述衬底的径向厚度和蚀刻深度。此外，根据计算出的蚀刻轮廓，产生对于所述特定的衬底的蚀刻配方。所述蚀刻配方包括设定控制所述湿法蚀刻工艺的运行的各种参数。所述方法还包括根据所述蚀刻配方，蚀刻所述特定衬底，以便获得所期望的最终蚀刻轮廓。应当理解的是，用于执行本示例性工艺的各种站被设置在所述处理系统的外壳内，并且通过自动衬底传送设备来访问，所述自动衬底传送设备配置为可控制地在站之间移动所述衬底，从而当所述衬底正在经历蚀刻处理时，允许所述衬底的实时测量。所述方法还包括在所述特定衬底被蚀刻之后，所述测量站测量所述特定衬底的最终厚度信息的步骤。此外，所述最终厚度信息可用于计算随后的待处理的衬底的蚀刻配方。
[0014]所述方法还可以包括用于清洗设置在所述处理系统中的清洗站中的所述特定衬底的步骤。所述方法，特别是所述蚀刻步骤还可以包括检测，利用包括在所述蚀刻站内的终点检测设备显露的一个或多个具有衬底的TSV的点，的步骤。
[0015]根据另一个方面，提供了一种用于检测蚀刻工艺的终点的方法，其中使用单晶片湿法蚀刻处理系统蚀刻具有TSV的特定衬底。所述方法包括将光发射到所述特定衬底的表面至少一个的标地(sample area)上，以及检测离开所述表面标地的光反射。所述方法还包括计算反射强度以及将所述强度与参考强度进行比较。所述参考强度指示显露点，其是在所述蚀刻工艺期间，所述TSV显露在所述特定衬底的表面上的点(即所述蚀刻剂已将所述TSV之上的衬底层移除直到所述TSV被暴露时的点)。所述方法包括检测何时所述强度与所述参考强度对应，从而识别所述蚀刻工艺的所述显露点。所述方法还包括考虑到所述识别到的显露点以及可选地考虑由用户输入的过蚀刻时长，设定所述蚀刻工艺的终点。所述终点根据所期望的高度而变化。
[0016]根据另一个方面，为了在单晶片湿法蚀刻处理系统中控制衬底的湿法蚀刻工艺，提供了一种由计算机实现的控制系统。所述单晶片湿法蚀刻处理系统包括单晶片湿法蚀刻设备和配置在外壳内并且通过自动衬底传送设备来访问的成像设备，以及所述控制系统包括一个或多个处理器，所述处理器可通信地耦合到所述处理系统的部件以及被配置为与计算机可读存储介质进行交互以及运行一个或多个存储在所述存储介质上的软件模块。所述软件模块包括成像模块，所述成像模块被配置为使所述成像设备测量所述衬底的初始厚度信息并且从所述成像设备接收所述初始厚度信息。所述软件模块还包括衬底厚度模块，所述衬底厚度模块被配置为至少根据所述径向厚度信息和所期望的最终蚀刻轮廓，实时计算所述衬底的径向厚度并且计算所述衬底的蚀刻深度。所述软件模块还包括蚀刻配方模块，所述蚀刻配方模块被配置为根据所述径向厚度和蚀刻深度，产生所述衬底的蚀刻配方，以及被配置为根据所述蚀刻配方，使得所述单晶片湿法蚀刻设备蚀刻所述衬底。此外，所述成像模块可以进一步被配置为在通过所述蚀刻站蚀刻所述衬底之后，使得所述成像设备实时测量所述衬底的最终厚度信息，并且从所述成像设备中接收所述最终厚度信息。所述系统还可包括蚀刻配方模块，所述蚀刻配方模块还配置为根据先前衬底的最终厚度信息，计算所述蚀刻配方。所述系统还可以包括清洗模块，所述清洗模块被配置为使得衬底清洗装置清洗所述衬底。
[0017]根据另一个方面，为了通过单晶片湿法蚀刻站来确定具有TSV的衬底的湿法蚀刻工艺的终点，提供了一种由计算机实现的控制系统。所述单晶片湿法蚀刻站包括单晶片湿法蚀刻设备、光发射器和光检测器，所述控制系统包括一个或多个处理器，所述处理器可通信地耦合到所述单晶片湿法蚀刻设备、所述光发射器和所述光检测器，并且被配置为与计算机可读存储介质进行交互以及运行一个或多个存储在所述存储介质上的软件模块。所述软件模块包括终点检测模块，所述终点检测模块被配置为使得所述光发射器将光发射到所述衬底的表面的至少一个标地上，并且使得所述光检测器检测离开所述表面标地的光反射。所述终点检测模块还配置为计算所述反射的强度以及将所述反射的强度与参考强度进行比较，其中所述参考强度指示显露点，其是在所述蚀刻工艺期间，所述TSV显露在所述特定衬底的表面上的点。利用所述经过比较的强度，所述控制系统可确定何时所述强度与所述参考强度对应，以及所述控制系统考虑到所述识别到的显露点以及可选地考虑由用户定义的过蚀刻时长，设定所述蚀刻工艺的终点。
[0018]从本发明的某些实施例的附加说明和附图及权利要求中，可以理解这些和其他方面、特性和优点。
【附图说明】
[0019]图1是根据在本文公开的一个实施例，示出了用于执行湿法蚀刻工艺的系统的透视图；
[0020]图2是根据在本文公开的一个实施例，示出了用于执行湿法蚀刻工艺的系统的正视图；
[0021]图3是根据在本文公开的一个实施例，示出了用于执行湿法蚀刻工艺的系统的示例性的结构的框图；
[0022]图4是根据在本文公开的一个实施例，示出了测量站的正视图；
[0023]图5是根据在本文公开的一个实施例，示出了湿法蚀刻站的透视图；
[0024]图6A是根据在本文公开的一个实施例，示出了清洗站的正视图；
[0025]图6B是根据在本文公开的一个实施例，示出了清洗站的正视图；
[0026]图7A是根据在本文公开的一个实施例，示出了用于执行湿法蚀刻工艺的系统的示例性的结构的框图；
[0027]图7B是根据在本文公开的一个实施例，示出了工艺控制系统的示例性结构的框图；
[0028]图8是根据在本文公开的至少一个实施例，示出了用于执行湿法蚀刻工艺的程序的流程图；
[0029]图9A是根据在本文公开的一个实施例，示出了具有TSV的示例性硅衬底的剖面图；
[0030]图9B是根据在本文公开的一个实施例，示出了示例性衬底的径向厚度的图；
[0031]图9C是根据在本文公开的一个实施例，示出了示例性衬底的厚度的图；
[0032]图9D是根据在本文公开的一个实施例，示出了自旋速度、蚀刻速率和蚀刻剂温度之间的示例性关系的图；
[0033]图9E是根据在本文公开的一个实施例示出了蚀刻速率和蚀刻剂浓度之间的示例性关系的图；
[0034]图9F是根据在本文公开的一个实施例，示出了作为径向位置的函数的臂扫描速度和驻留时间之间的示例性