CN109470699A - 一种tsv电镀铜填充效果的测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种TSV电镀铜填充效果的测试方法属于材料制备与连接领域。包括步骤1：将化学机械抛光后的TSV晶圆样品切割取样，并将取自晶圆上不同区域的TSV样品置于坩埚中；步骤2：随后将坩埚放入管式炉中，并在管式炉中通入氩气作为保护气体；以10℃/min的升温速度将管式炉中的温度升至后保温；保温过程完成后，关闭管式炉加热装置，保持样品仍然在氩气保护下放置于管式炉的石英管中。打开管式炉保温炉盖，将石英管以及其中的TSV样品进行空气冷却。步骤3：当管式炉中的温度降低至室温后，解除石英管的密封状态，将石英管中的样品取出，在金相显微镜下观察。本发明分析周期短，有效方便、费用低，可以节约时间和成本。

Description

一种TSV电镀铜填充效果的测试方法
技术领域
本发明为一种检测TSV电镀铜填充效果的方法，属于材料制备与连接领域，使用有效且快捷的退火方法判断铜填充TSV的内部填充情况，可以降低时间以及人工成本。
背景技术
随着电子产品向着微型化，多功能化的发展，集成电路中的互连形式面临更高密度电流、更快响应时间的挑战。TSV(Through Silicon Via，硅通孔)技术，作为一种新兴的互连技术，可以实现芯片垂直堆叠，是理论上具有更小体积以及最快的响应时间的互连形式，在2.5D、3D封装中扮演着重要角色。在TSV的制作过程中，将TSV孔用铜填充满对于三位集成电路TSV制程来说至关重要，电镀铜过程中出现的空隙可能造成潜在的电性能、热性能以及机械可靠性问题。电镀铜过程完成后，铜会在晶圆表面形成一层铜覆盖层，后续工艺过程中多采用CMP(Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光)方法去除表面多余的铜。然而不论是电镀完成后，还是CMP完成后，TSV的顶部一直会被铜覆盖，导致实际的填充情况很难被观察。然而在对不同尺寸TSV电镀参数进行调试的过程中，却必须了解大量不同参数下TSV中铜的填充情况。因此，如何方便快捷的对TSV中电镀铜的填充情况有所了解就变得十分重要。
目前常用的检测TSV中铜填充情况的方法主要有两种。一种是采用切片的方法，对晶圆不同区域内的TSV进行金相试样的制备，随后通过金相显微镜或者扫描电子显微镜对样品的形貌进行观察，对铜的填充情况进行判断。金相切片过程繁琐，取样后，需用树脂将样品包裹固封，随后对目标位置进行研磨抛光，如果对一个晶圆样品中取17个测试位置，那么就要制作17个金相样品，而且随着TSV的尺寸越来越小，金相制样的难度也越来越大。因此，切片的方法进行TSV中铜的填充情况监测是非常耗费人力与时间的。另一种是采用X-ray的方法进行无损检测，主要是采用X射线得到晶圆上某一区域内的二维X射线图片，由于铜中的空洞在二维X射线图片中的衬度与铜不同，因此可以通过图片得到TSV中电镀铜的填充情况。但是随着TSV的直径越来越小，对X-ray设备的精度要求也越来越高，当TSV的直径降低至10μm以下时，一般的X-ray设备已经很难观察到其中的空洞。即便X-ray设备的分辨率足够高，由于放大倍数的增加，导致一次观察职能观察一个很小的微区，要对整个晶圆内TSV的填充情况进行检测需要大量的时间。不同于以上的方法，本发明提供了一种方便快捷的方法来了解TSV中的电镀铜情况，仅需要一个可以提供气体保护环境的管式炉以及金相显微镜就能进行检测，有效方便、费用低，分析周期短，可以节约时间和成本。
发明内容
本发明的目的是在TSV的顶部被铜覆盖的情况下，对TSV中的电镀铜填充情况进行快捷的检测。选取晶圆上不同区域内的样品，用坩埚装盛，放入可以提供气体保护的管式炉中，在10℃/min的升温速度下升温至450℃，保温30min后，关闭管式炉加热装置，打开炉盖进行冷却，当管式炉中的温度降低至室温后，解除石英管的密封状态，将石英管中的样品取出，在金相显微镜下观察。在金相观察过程中，若发现电镀铜表面发出金属光泽，铜胀出高度为0.1μm到0.5μm，铜胀出形式为晶粒状的局部胀出，则TSV中电镀铜完成了无空洞填充；若发现电镀铜表面变黑，铜胀出高度为1μm到3μm，铜胀出形式为山丘状的整体胀出，则说明TSV中电镀铜填充不完整，有中空的情况存在。本发明提供的TSV电镀铜填充效果的检测方法，有效方便、费用低，分析周期短，可以节约时间和成本。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。
一种TSV电镀铜填充效果的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将化学机械抛光后的TSV晶圆用金刚石刻刀切割取样，样品尺寸为500mm×500mm，并将取自晶圆上不同位置区域的样品置于坩埚中。
(2)将放有样品的坩埚置于管式炉中，开启真空阀门，打开真空泵抽真空至4pa以下，之后关闭真空阀门，关闭真空泵。在石英管中通入氩气作为保护气体，打开升温开关，以10℃/min的升温速度将管式炉中的温度升至铜的蠕变温度，并在峰值温度保温30min。保温过程完成后，关闭管式炉加热装置，保持样品仍然在氩气保护下。打开管式炉保温炉盖，将石英管以及其中的TSV样品进行自然冷却。
(3)当管式炉中的温度降低至室温后，解除石英管的密封状态，将石英管中的样品取出，在金相显微镜下观察。
步骤(1)所述晶圆尺寸范围为6寸到12寸；
步骤(1)选取样品的取样个数为9个以上。所取样品的个数越多，对晶圆填充情况的实验越详细；
步骤(2)中退火的峰值温度范围400℃到450℃。424℃为铜的蠕变温度，退火峰值温度要保证在铜的蠕变温度附近，退火峰值温度在蠕变温度附近可以确保铜的胀出足够明显到可以用金相显微镜观察。峰值温度高于450℃时，由于退火温度过高，部分无空洞电镀铜填充的TSV也会发生不规则的山丘状胀出；
步骤(3)中，完成无空洞电镀铜填充的TSV，晶粒状局部胀出的高度范围为0μm到0.5μm；电镀铜填充不完整的TSV不规则山丘状胀出的高度范围为0.5μm到3μm；
本发明提供了一种方便快捷的方法来了解TSV中的电镀铜情况，仅需要一个可以提供气体保护环境的管式炉以及金相显微镜就能进行检测，有效方便、费用低，分析周期短，可以节约时间和成本。
附图说明
图1a：晶圆样品取样位置之一；
图1b：晶圆样品取样位置之一；
图2：金相显微镜下填充完好样品与填充较差样品的铜表面显微形貌；
图3(a)为完成了无空洞填充的TSV的电镀铜表面形貌，铜发生局部的晶粒状胀出，胀出高度为0.3μm；
图3(b)为填充情况较差的TSV的电镀铜表面形貌，
图4：扫描电子显微镜下填充完好样品与填充较差样品的TSV横截面显微形貌；
具体的实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实例1：
以下内容结合图1、2、3、4具体阐述本发明的实施方式。
1、样品准备：将化学机械抛光后的6寸晶圆，用金刚石刻刀取样，取样方式如图1(a)或图1(b)，所取样品的个数越多，对晶圆填充情况的实验越详细；样品尺寸为500mm×500mm。
2、将取自晶圆上不同位置区域的TSV样品置于坩埚中，然后将放有样品的坩埚放入管式炉中，开启真空阀门，打开真空泵抽真空至4pa以下，之后关闭真空阀门，关闭真空泵。在石英管中通入氩气，打开升温开关，以10℃/min的升温速度将管式炉中的温度升至425℃，在峰值温度425℃保温30min。
3、保温过程完成后，关闭管式炉加热装置，保持样品仍然在氩气保护下，打开管式炉保温炉盖，将石英管以及其中的TSV样品进行自然冷却。
4、当管式炉中的温度降低至室温后，解除石英管的密封状态，将石英管中的样品取出，在金相显微镜下观察。观察结果如图2，图2(a)为完成了无空洞填充的TSV的电镀铜表面形貌，表面光滑且呈现金属光泽，个别通孔铜发生局部的晶粒状胀出；图2(b)为填充情况较差的TSV的电镀铜表面形貌，铜发生山丘状的整体胀出，表面非常粗糙，金相显微镜下观察可以看到铜表面发黑。
5、将样品进一步置于扫描电子显微镜下观察，结果如图3。图3(a)为完成了无空洞填充的TSV的电镀铜表面形貌，铜发生局部的晶粒状胀出，胀出高度为0.3μm；图3(b)为填充情况较差的TSV的电镀铜表面形貌，铜发生整体胀出，胀出高度高可为2.4μm，表面变得非常粗糙。
6、为了验证专利结果，采用聚焦等离子束-扫描电子束双束显微镜将硅通孔进行切削下得到的TSV截面显微组织形貌，并进行观察得到结果如图4。图4(a)、4(a)为完成了无空洞填充的TSV的截面形貌，可以看到电镀铜中无明显的空洞，图4(b)为填充情况较差的TSV的截面形貌，可以看到TSV内部有空洞，填充不完整，效果差。

Claims (5)

1.一种TSV电镀铜填充效果的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将化学机械抛光后的TSV晶圆用金刚石刻刀切割取样，并将样品置于坩埚中；
(2)将放有样品的坩埚置于管式炉中，开启真空阀门，打开真空泵抽真空至4pa以下，之后关闭真空阀门，关闭真空泵；在石英管中通入氩气作为保护气体，打开升温开关，以10℃/min的升温速度将管式炉中的温度升高至铜的蠕变温度，并在峰值温度保温30min；退火的峰值温度范围400℃到450℃。保温过程完成后，关闭管式炉加热装置，保持样品仍然在氩气保护下；打开管式炉保温炉盖，将石英管以及其中的TSV样品进行自然降温；
(3)当管式炉中的温度降低至室温后，解除石英管的密封状态，将石英管中的样品取出，在金相显微镜下观察；TSV在经历退火后会发生电镀铜相对于基体硅的胀出现象；在金相观察过程中，若发现电镀铜表面发出金属光泽，铜胀出形式为局部胀出或者不胀出，局部胀出的高度范围为0.5μm以内；则TSV中电镀铜完成了无空洞填充。
2.按照权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤(1)中实验所用晶圆尺寸范围为6寸到12寸。
3.按照权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤(1)中选取样品的取样个数为9个以上。
4.按照权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤(2)中退火的峰值为424℃铜的蠕变温度。
5.按照权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤(3)中，完成无空洞电镀铜填充的TSV，局部胀出为晶粒状局部胀出，晶粒状局部胀出的高度范围为0μm到0.5μm。
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