多层薄膜堆叠对TSV底部深度测量的影响及光学校正方法

硅通孔技术是实现三维集成电路的关键支柱。在TSV制造流程中，准确测量通孔深度对于刻蚀终点控制、侧壁绝缘层沉积、金属填充均匀性及最终器件可靠性至关重要。然而，TSV制造涉及复杂的工艺步骤，如光刻胶残留、硬掩膜层、以及必须沉积的介质绝缘层。这些位于通孔侧壁和底部的多层薄膜堆叠会显著改变入射光的传播路径和反射特性，从而导致基于光学原理的无损测深技术更具挑战性。

TSV深度是高深宽比刻蚀工艺中的核心关键尺寸参数。深度不均匀性直接影响后续的保形沉积质量和电镀填充中的空洞缺陷风险。现代TSV工艺流程均要求在硅衬底上形成掩膜、进行硅刻蚀，随后通常需要进行牺牲层氧化或沉积绝缘层。

在光学测深过程中，入射光从晶圆表面进入TSV，并在孔底的材料界面发生反射。这些薄膜的厚度、折射率和消光系数都会对干涉信号产生额外的相位延迟和振幅调制，使得简单的光学路径差计算失效。因此，研究多层薄膜堆叠的光学效应成为实现精密测深的首要任务。

基于光谱反射法或白光干涉法的TSV测深，核心在于分析从TSV底部反射回来的光信号与从晶圆表面反射光的干涉图谱。多层薄膜堆叠的影响机制主要体现在以下两个方面：

TSV的“光学深度”是由孔径内的介质折射率加权计算的光程差决定的。在理想的TSV中，孔径内是单一介质。然而，在存在 M 层薄膜堆叠的实际情况下，光线在穿越这些薄膜时会积累额外的光程差:

其中Dvia是TSV的几何深度，nvia是TSV腔内主要介质的折射率，ni和 ti分别是第i 层薄膜的折射率和厚度。

薄膜堆叠形成了一个法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔结构，在光谱上产生额外的振荡特征。这些振荡与TSV深度自身引起的干涉峰叠加，使得深度提取算法的难度大大增加，可能导致：

混淆反射界面：多个反射界面（薄膜之间、薄膜与硅之间）的信号相互叠加，难以区分真正的TSV底部信号。

信号质量下降：薄膜层可能会增加光散射和吸收，导致返回的底部信号强度下降，信噪比降低，尤其是在高深宽比的孔中。

“寄生”干涉峰：在FFT 谱中，薄膜的厚度信息可能以额外的峰值形式出现，干扰对TSV深度峰值的识别。

为了精确校正多层薄膜堆叠带来的深度误差，必须采用基于严谨电磁场理论的光学模型，将薄膜参数纳入深度计算。

核心校正方法是建立一个多层介质薄膜反射模型模拟在不同波长λ 下的反射光谱R(λ):

其中，{ni,ti,…} 是所有薄膜层的光学参数和厚度，Dvia是待求的TSV物理深度。

薄膜参数预先表征：在TSV刻蚀之前的测试片或平坦区域，首先使用高精度工具如红外干涉测厚传感器独立精确测量各层薄膜的厚度和折射率。

多参数模型拟合：将预先测量的厚度和折射率作为固定输入参数代入多层薄膜反射模型。然后，将测量到的TSV内光谱与模型进行最小二乘法拟合。

精确深度提取：在拟合过程中，将TSV的物理深度作为唯一可变参数进行迭代优化。模型将自动解耦薄膜引入的光程差，从而精确拟合出真实的物理深度。

红外干涉测厚传感器是一种常用于半导体制造过程中的非接触式厚度测量工具，尤其适用于测量对可见光不透明的材料，如硅晶圆的厚度、硅片粘接层的厚度，以及TSV工艺中的残留硅厚度。

红外干涉测厚传感器基于傅里叶变换红外光谱，使用的是近红外或中红外波段的光源。例如纯净的硅在红外波段具有高透射性，可以被认为是透明介质。该传感器就可通过红外光束穿透硅片，在待测结构如TSV底部残余硅层、粘接层或晶圆的上下表面发生反射。反射光返回传感器并发生干涉。通过分析干涉图谱或光谱中的干涉条纹，就可以计算出两个反射界面之间的光学厚度。