[发明专利]测量TSV铜柱中残余应力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子领域，特别涉及TSV铜柱中的残余应力的测试技术。

背景技术

高密度、高性能是当前微电子封装的发展趋势，硅通孔（Through Silicon Vias，简称“TSV”）技术是满足该发展趋势的关键封装技术之一。TSV技术通过在硅片上刻蚀微孔，然后在微孔中通过电镀的方法填充铜，随后通过约410度的高温进行退火，经硅片减薄而形成通孔。结合再布线工艺形成互连，整合到封装结构中。

在上述主要工艺中，如电镀、退火，容易在TSV的电镀铜材料中产生较高的残余应力，由此影响到TSV结构的可靠性以及后续制备工艺的方案设计。由于TSV结构直径一般在5～150um，尺寸很小，比较精确的宏观测试残余应力方法，如钻孔法，实施方便，但是需要在钻孔位置附近贴应变片，应变片尺寸不可能很小，即使制备微小的应变片，微米尺度操作也会困难，因而该方法对测试TSV微观结构的残余应力不可行。

通过纳米压痕对材料表面施压，比较有无残余应力情况下的压痕面积或压力大小，从而推知残余应力大小，也是测量微结构残应力的一种方法，但该方法受到影响的因素很多，难以保持高的测量精度。申请号为201210310455.4的专利描述了一种测量TSV电镀铜残余应力的方法，需要采用适当的压头对TSV铜柱进行压缩产生滑移，通过力——位移曲线获得TSV滑移门槛值，推算TSV中的残余应力，加载同时加温使TSV更容易滑移来推算残余应力。上述方法对TSV样品的制备要求较高，需要通过扫描电子显微镜（SEM）获得TSV中硅/电镀铜界面的粗燥度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量TSV铜柱中残余应力的方法，使得TSV铜柱中残余应力的测试无需应变片，也无需测定样品TSV铜柱的粗糙度，降低了测试要求，同时也保证了测量的残余应力的高精度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种测量TSV铜柱中残余应力的方法，包含以下步骤：

在待测的TSV铜柱表面确定一个测试原点；

在所述测试原点的三个方向上，分别制备相同的一组微标记，三组微标记与所述测试原点的位置关系相同；

在所述测试原点处打微孔；

检测所述打微孔前后，三组所述微标记的位置变化；

根据所述三组微标记的位置变化，结合弹性力学，计算得到所述测试原点处的残余应力。

本发明实施方式相对于现有技术而言，借鉴了宏观钻孔法测试样品残余应力的方法，对样品表面的测试原点的三个方向上分别刻蚀出一组相同规则的微小标记，再在测试原点处打微孔，通过观察微标记的位置变化推算出微孔出现后对附近应变的影响，再通过三个方向的应变变化量，结合弹性力学计算得到测试原点处的残余应力。由于利用了宏观钻孔法的原理，通过微小的标记来推算应变，因此不需要应变片，也无需测定样品TSV铜柱的粗糙度，降低了测试要求，在微观尺度解决应变测量、钻孔等问题，同时也保证了测量的残余应力的高精度。而且，便于与现有制备工艺融合，可以在TSV填充完成后，选择典型位置进行测试。将该方法用于不同的位置，即可测定不同位置的残余应力。

另外，在测试原点的三个方向上，分别制备一组微标记的步骤中，微标记通过聚焦粒子束FIB技术制备得到；在测试原点处打微孔的步骤中，微孔通过所述FIB技术制备得到。由宏观钻孔研究表明，用高压空气将50um直径的氧化铝颗粒喷吹样品，进行喷砂打孔，其产生的打孔应力比直接机械钻孔小很多，基本不产生打孔应力。而微观的FIB打孔方法类似于喷砂钻孔，它使用高速离子轰击材料表面打孔，类比于宏观钻孔研究结果，FIB打孔产生的应力同样会很小。因此，微标记和微孔通过采用FIB进行刻蚀得到，位置准确和精度高，进一步保证了TSV微结构中高精度的残余应力测试。

另外，第一个方向上的一组微标记与所述第二个方向上的一组微标记呈90度夹角，所述第一个方向上的一组微标记与所述第三个方向上的一组微标记呈225度夹角。根据以下公式计算所述残余应力的第一主应力σ₁和第二主应力σ₂：