專利名稱：激光處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光處理系統(tǒng)和方法，包括以高產(chǎn)出率去除在集成電路或存儲器裝置的硅襯底上緊密間隔的金屬連接結(jié)構(gòu)或“熔絲”。
激光系統(tǒng)可以用來去除集成電路和存儲器裝置，諸如ASIC，DRAM，和SRAM中的熔絲結(jié)構(gòu)(“熔固連接”)，用于諸如去除缺陷單元目的和替換缺陷單元為以此目的提供的冗余單元(冗余存儲器修復(fù))。連接處理激光系統(tǒng)包括由General Scanning公司制造的M320和M325系統(tǒng)，它們在很多波長上產(chǎn)生激光輸出，包括1.047μm、1.064μm和1.32μm。
經(jīng)濟需要導(dǎo)致更小、更復(fù)雜、更高密度的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的開發(fā)。這些更小的結(jié)構(gòu)具有在相對高速下工作的優(yōu)點。同時，由于半導(dǎo)體器件零件可以更小，更多的零件可以包括在一個單獨的硅片中。由于在半導(dǎo)體加工設(shè)備上處理單個晶片的費用幾乎不依賴于晶片上零件的數(shù)目，因此每個晶片上更多數(shù)目的零件可以轉(zhuǎn)變成每個零件更低的成本。
在80年代，半導(dǎo)體器件零件經(jīng)常包括多晶硅和硅化物互連。盡管基于多晶硅的互連是相對較差的導(dǎo)體，但他們使用當時的工藝容易制造，并且非常適合于那時普遍使用的NdYAG激光器產(chǎn)生的波長。然而，隨著幾何尺寸的縮小，多晶硅互連和連接結(jié)構(gòu)的較差傳導(dǎo)性變成問題，一些半導(dǎo)體制造商轉(zhuǎn)向了鋁。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些常規(guī)的激光器它們可以切割多晶硅連接，不能切割鋁連接，特別是會發(fā)生損壞硅襯底。這種情況可以通過以下事實解釋，鋁的反射性非常高而吸收性低。因此，必須使用增加的能量以克服這種低吸收性。當使用過多的能量時，更高的能量會傾向于毀壞襯底。
Sun等人的美國專利5,265,114提出了一種“吸收度對比”模型用于選擇適當?shù)募す獠ㄩL以切割鋁和其他金屬，諸如鎳、鎢和鉑。具體地，該專利描述了選擇出一個波長范圍，在此范圍內(nèi)硅幾乎是透明的，并且金屬連接材料的光學(xué)吸收特性足以用于要被處理的連接。該專利聲稱對比與激光波長1.064μm和0.532μm，1.2μm到2.0μm波長范圍提供了硅襯底和高傳導(dǎo)性連接結(jié)構(gòu)之間的高吸收度對比。
本發(fā)明提供一種在襯底上蒸發(fā)目標結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明，計算在目標結(jié)構(gòu)中沉積單位能量所需要的入射光束能量作為波長的函數(shù)。然后，對于入射光束能量，計算預(yù)計沉積在襯底中的能量作為波長的函數(shù)。找出對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長，該低值充分地低于在較高波長上預(yù)計沉積在襯底中的能量的值。提供一種激光系統(tǒng)，配置成在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上產(chǎn)生激光輸出。在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上，將激光輸出導(dǎo)向襯底上的目標結(jié)構(gòu)，以便蒸發(fā)該目標結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的某些應(yīng)用包括選擇合適的波長用于切割金屬連接而不對硅襯底產(chǎn)生不可接受的損害。其中波長小于，而不是大于，傳統(tǒng)的波長1.047μm和1.064μm。該波長選擇方法是有利的，因為使用較短的波長會導(dǎo)致較小的激光點，其它條件相同的情況下，用該激光點只擊中需要的連接將更容易。具體地，其它條件相同的情況下，根據(jù)公式激光光點大小直接正比于波長光點尺寸正比于λf，其中λ是激光波長，f是光系統(tǒng)的f數(shù)。
此外，本發(fā)明的某些應(yīng)用包括選擇合適的波長，在此波長下襯底具有低吸收度，但是互連材料比在常規(guī)波長1.047μm和1.064μm或者比常規(guī)更高的波長具有更高的吸收度。由于互連材料降低了反射性，入射激光能量可以降低而互連材料仍然吸收足夠的能量使互連熔斷而不需要多個激光脈沖(這會影響吞吐量)，或者由于激光光束造成附帶損害。
本發(fā)明可以只用單個激光脈沖對布置為緊密間隔的圖案的高傳導(dǎo)率互連材料，諸如銅，金等等進行高質(zhì)量的激光連接切割而不損害襯底。本發(fā)明還允許比在波長1.047μm，1.064μm下獲得更小的激光點尺寸，而仍然提供可接受的連接切割。
圖1是根據(jù)本發(fā)明用于去除半導(dǎo)體器件的連接的激光器系統(tǒng)的框圖，其中該連接由諸如銅或金等材料制成。
圖2是半導(dǎo)體器件襯底上的連接的透視圖。
圖3是銅，金，鋁和硅的吸收度作為波長的函數(shù)的曲線圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明，硅襯底上對于銅，金，和鋁連接的襯底吸收函數(shù)作為波長的函數(shù)的曲線圖。
圖5是硅襯底上對于銅，金，和鋁連接的L-S函數(shù)曲線圖，其中L是連接的吸收度，S是襯底的吸收度。
圖6是硅襯底上對于銅，金，和鋁連接的(L－S)/(L＋S)函數(shù)曲線圖，其中L是連接的吸收度，S是襯底的吸收度。
在圖1的框圖中，示出了用于消除半導(dǎo)體器件連接的系統(tǒng)。激光器10構(gòu)成為在常規(guī)波長，例如1.047μm上工作。其后排列著激光輸出系統(tǒng)，包括波長轉(zhuǎn)換器12，諸如頻率加倍器或光學(xué)參量振蕩器(OPO)，用于轉(zhuǎn)換到波譜“綠”區(qū)的小于0.55μm的波長。如下詳述，激光束然后通過激光輸出系統(tǒng)的剩余部分，包括受控的電—聲-光衰減器13，擴展光束的望遠裝置14，和借助兩個掃描電流計18和20通過聚焦透鏡16掃描光束的掃描頭15。在計算機33的控制下，光點被聚焦到要去除連接24的晶片22上。
激光器10被安置在相對于電流計和工件穩(wěn)定的平臺11上。它從自身外部受計算機33控制將其光束傳送至包括精確X和Y電流計18和20的掃描頭。在消除連接時光束以小于3/10微米的精度定位是非常重要的。關(guān)聯(lián)于連續(xù)移動的電流計的位置的激光脈沖的時間選擇是重要的。計算機33在需要時控制發(fā)出激光脈沖。
分步重復(fù)桌面34移動晶片到位以處理每一半導(dǎo)體器件。
在一個實施方案中，激光器10為釹釩酸鹽激光器，其具有總長L約6英寸和短的腔長。
該優(yōu)選實施方案的轉(zhuǎn)換器12在腔體之外，大約另有4英寸長。在備選實施方案中，激光器10可以配置成產(chǎn)生具有合適波長的激光輸出，因此可以不需要轉(zhuǎn)換器。
該激光器為Q開關(guān)半導(dǎo)體泵浦激光器，具有足夠的長度和結(jié)構(gòu)以便能夠通過計算機33以高精度進行脈沖率的外部控制。
激光器的腔體包括部分透射鏡7，最優(yōu)化在釹釩酸鹽激光棒6被二極管泵浦的所在波長。部分透射輸出鏡9也最優(yōu)化在該波長。
泵浦二極管4根據(jù)設(shè)計產(chǎn)生一至二瓦功率，它聚焦在激光棒6的后面。如上所述，激光棒在其受泵端，覆以適合于標準激光波長1.064μm或1.047μm的鏡7。激光棒的另一端覆以二向色涂層。激光腔中為聲光調(diào)制器形式的光學(xué)Q開關(guān)8。它用作建立激光器工作頻率的快門。Q開關(guān)外面是輸出鏡9。激光棒受泵端上的鏡7和聲光Q開關(guān)外的鏡9這兩個鏡子組成了激光腔。
另一個聲光衰減器形式的系統(tǒng)光學(xué)開關(guān)13位于激光腔外的激光輸出光束中。在計算機33的控制下，它用于除非需要時阻止光束到達電流計，和當需要光束到達電流計時，受控地減小激光束功率到要求的功率水平。在汽化作用過程中，根據(jù)系統(tǒng)和工藝的工作參數(shù)該功率水平可能小至總激光輸出的10％。在汽化作用前激光輸出光束對準目標結(jié)構(gòu)的對準過程中，該功率水平可能約為總激光輸出的0.1％。
操作中，X，Y電流計10和12的位置通過電流計控制G受控于計算機33。通常，電流計在硅晶片上半導(dǎo)體器件上方以恒定速度移動。激光器基于控制電流計的定時信號而受控于定時信號。激光器以恒定的重復(fù)頻率工作，并且通過系統(tǒng)光學(xué)開關(guān)13而與電流計同步。
在圖1的框圖中，示出了激光束聚焦在晶片上。在圖2的放大圖中，看到激光束聚焦在半導(dǎo)體器件的連接部件25上。
金屬連接通過二氧化硅絕緣層32被支持在硅襯底30上。絕緣層可以是例如0.3-0.5微米厚。在該金屬連接之上是另一個二氧化硅層(未示出)。在連接熔斷技術(shù)中，激光束對接在連接處并將其加熱到熔點。在加熱過程中，金屬由于疊加的氧化物層的約束效果被阻止蒸發(fā)。在短脈沖的持續(xù)時間內(nèi)，激光束累積地加熱金屬直到金屬膨脹得將絕緣材料擊穿。此時，熔融材料在如此高壓下瞬時蒸發(fā)并通過擊穿孔徹底熔斷。
確定由波長轉(zhuǎn)換器12產(chǎn)生的波長需要通過均衡地考慮要處理的互連或連接的值和襯底的值，使得不合需要的沉積于襯底的能量相對于切割連接所需的沉積于連接結(jié)構(gòu)的能量達到折衷。因此，選擇波長的準則是不要求襯底非常透明，當對襯底非常透明的波長區(qū)域遠小于沉積于連接結(jié)構(gòu)的能量的最佳區(qū)域時，這尤其重要。
選擇合適波長的準則如下1)計算在連接結(jié)構(gòu)上沉積單位能量所需的相對入射激光束能量。該相對入射激光束能量正比于連接結(jié)構(gòu)的吸收度(absorption)的倒數(shù)。例如，如果連接結(jié)構(gòu)具有吸收度0.333，則它沉積在連接結(jié)構(gòu)上相同的能量比具有吸收度為1的結(jié)構(gòu)需要三倍的入射激光能量。圖3示出了銅、金、鋁和硅的吸收度作為波長的函數(shù)(銅、金和鋁是可能的的連接結(jié)構(gòu)材料，硅是襯底材料)。
2)用步驟(1)中計算出的入射光束能量，計算沉積在襯底中的能量。對于完好對準的光點，該能量正比于步驟(1)中計算出的入射能量，減去連接結(jié)構(gòu)吸收的能量，乘以襯底的吸收度。即襯底吸收的能量正比于(1/L－1)×S(在此為“襯底吸收函數(shù)”)，其中L為連接結(jié)構(gòu)吸收度，S為襯底吸收度。
3)找出步驟(2)中確定的襯底吸收函數(shù)的低值作為激光波長的函數(shù)。
圖4示出了在硅襯底上對于銅、金和鋁，襯底吸收函數(shù)作為波長的函數(shù)，波長范圍在0.3-1.4μm。襯底吸收函數(shù)的值可以從如圖3所示的吸收曲線推出，考慮到確定性，使用的任一個比例常數(shù)(見上述步驟(2))選擇為0.5(該常數(shù)僅改變圖4的垂直比例，而不改變由此得出的任何結(jié)論)。
由圖4看出，對于金和銅的結(jié)構(gòu)(不包括鋁)，在大致小于0.55μm的波長區(qū)域中，其襯底吸收函數(shù)與波長大于1.2μm的區(qū)域中的襯底吸收函數(shù)可相比擬。
還注意到該函數(shù)與如圖5和6表示的函數(shù)相比很不相同，圖5和6示出了代表簡單吸收對比度的兩種可能的函數(shù)。具體地，圖5示出了函數(shù)L－S，用百分比表示，圖6示出了函數(shù)(L－S)/(L＋S)。在每種情況下，根據(jù)圖5和6，即使對于金或銅的連接結(jié)構(gòu)，小于0.55μm的波長區(qū)域發(fā)現(xiàn)不合要求，因為圖中所示函數(shù)在該區(qū)域小于零。該負值反映了這樣的事實，即在該波長區(qū)域，襯底比連接結(jié)構(gòu)更具吸收性，于是，根據(jù)此模型，該波長區(qū)域不應(yīng)選擇。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上蒸發(fā)目標結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟計算在目標結(jié)構(gòu)中沉積單位能量所需要的入射光束能量，作為波長的函數(shù)；對于入射光束能量，計算預(yù)計沉積在襯底中的能量作為波長的函數(shù)；找出對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長，該低值充分地低于在較高波長上預(yù)計沉積在襯底中的能量的值；提供一種激光系統(tǒng)，配置成在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上產(chǎn)生激光輸出；以及在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上，將激光輸出導(dǎo)向襯底上的目標結(jié)構(gòu)，以便蒸發(fā)該目標結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長充分地小于1.047μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長小于0.55μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中目標結(jié)構(gòu)包括傳導(dǎo)率大于鋁的金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中金屬包括銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中金屬包括金。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中襯底包括硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中襯底上的目標結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體器件的連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中半導(dǎo)體器件包括集成電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中半導(dǎo)體器件包括存儲器裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中預(yù)計沉積在襯底中的能量基本上正比于在目標結(jié)構(gòu)中沉積單位能量所需要的入射光束能量減去沉積在目標結(jié)構(gòu)中的能量乘以襯底的吸收度。
12.一種在襯底上蒸發(fā)目標結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括激光泵浦源；激光諧振腔，配置成被該激光泵浦源泵浦；以及激光輸出系統(tǒng)，給出在目標結(jié)構(gòu)中沉積單位能量所需要的入射光束能量，配置成在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上，從激光諧振腔中儲存的能量產(chǎn)生出激光輸出，并將激光輸出導(dǎo)向襯底上的目標結(jié)構(gòu)以便蒸發(fā)目標結(jié)構(gòu)，該低值充分地低于在較高波長上預(yù)計沉積在襯底中的能量的值。
13，根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中激光輸出系統(tǒng)包括波長轉(zhuǎn)換器。
14，根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中激光諧振腔產(chǎn)生在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上的激光輻射。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長充分地小于1.047μm。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長小于0.55μm。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中目標結(jié)構(gòu)包括傳導(dǎo)率大于鋁的金屬。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中金屬包括銅。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中金屬包括金。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中襯底包括硅。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中襯底上的目標結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體器件的連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中半導(dǎo)體器件包括集成電路。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中半導(dǎo)體器件包括存儲器裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中預(yù)計沉積在襯底中的能量基本上正比于在目標結(jié)構(gòu)中沉積單位能量所需要的入射光束能量減去沉積在目標結(jié)構(gòu)中的能量乘以襯底的吸收度。
25.一種在襯底上蒸發(fā)目標結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟提供一種激光系統(tǒng)，給出在目標結(jié)構(gòu)中沉積單位能量所需要的入射光束能量，配置成在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的一個相對低值的波長上產(chǎn)生激光輸出，該低值充分地低于在較高波長上預(yù)計沉積在襯底中的能量的值；以及在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上，將激光輸出導(dǎo)向襯底上的目標結(jié)構(gòu)以便蒸發(fā)該目標結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在襯底(22)上蒸發(fā)目標結(jié)構(gòu)(24)的系統(tǒng)(10,33)和方法。根據(jù)本發(fā)明,計算在目標結(jié)構(gòu)(24)中沉積單位能量所需要的入射光束能量作為波長的函數(shù),然后,對于入射光束能量,計算預(yù)計沉積在襯底(22)中的能量作為波長的函數(shù)。找出對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底(22)中的能量的相對低值的波長,該低值充分地低于在較高波長上預(yù)計沉積在襯底中的能量的值。提供一種激光系統(tǒng)(10),配置成在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底(22)中的能量的相對低值的波長上產(chǎn)生激光輸出。在對應(yīng)于預(yù)計沉積在襯底中的能量的相對低值的波長上,將激光輸出(13,14,15,16,18 ＆ 20)導(dǎo)向襯底(22)上的目標結(jié)構(gòu)(24),以便蒸發(fā)該目標結(jié)構(gòu)(24)。
文檔編號B23K26/06GK1330580SQ99814447
公開日2002年1月9日 申請日期1999年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月16日
發(fā)明者威廉·勞爾, 皮埃爾·特里潘尼爾, 唐納德·V·斯瑪特, 詹姆斯·科丁利, 邁克爾·皮洛特金 申請人:通用掃描公司