本发明专利技术公开了一种基于图像分析的TSV结构的三维应力表征方法，包括如下步骤：步骤一、利用高分率X射线显微镜，从不同角度对TSV结构进行成像，然后通过图像重构技术获得TSV结构的三维结构点云数据；步骤二、计算TSV结构在外载荷作用前后，上述点云数据中每一个点的空间三维变形量；步骤三、根据步骤二得到的三维变形量，采用拉格朗日应变张量来计算TSV结构中每个点的三维应力状态。本发明专利技术基于图像信号分析来表征TSV结构三维应力，能弥补传统应力表征的成本昂贵、效率较低的不足，对含TSV结构的器件在外载荷作用下的失效分析和可靠性设计意义重大。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体领域，尤其是一种晶圆TSV结构的三维应力表征方法。
技术介绍
主导电子制造业的电子制造技术一直遵循着1965年提出的"摩尔定律"（集成 电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍）进行发展。但是在小型化、多 功能、低成本和低功耗的持续推动下，当前二维（2D)电子制造中的特征尺寸日益接近物 理极限，使得在单一芯片集成更高密度和更多功能的器件愈加困难，开发成本也急剧提 高，于是出现了"超越摩尔（MorethanMoore)"的新概念。根据国际半导体技术路线图 (InternationalTechnologyRoadmapofSemiconductor,ITRS)报告预测，从2D制造走向 三维（3D)集成制造目前被认为是超越摩尔定律、提升器件性能和性价比的首选解决方案。 为了实现芯片3D集成，芯片需要进行垂直方向的互连，其中"硅通孔"（Through SiliconVia，TSV)的主要作用是将在竖直方向堆叠起来的芯片互连起来，起到信号导通和 传热等作用。相对于传统的引线互连方式，TSV互连路径缩短，有利于减少信号延迟和功率 损耗，同时增大了集成度和带宽（在同样的尺寸上可以集成更多的功能器件）。由此可见， TSV结构已经成为3D集成技术的典型结构单元，因此开展针对TSV结构的研究，对实现以三 维集成为代表的新一代微电子技术具有重要的意义。 由于TSV结构参数与制造工艺流程相关，目前主流的TSV制造工艺已经明确：（1) 在晶圆一侧通过深反应离子刻蚀技术（DeepReactiveIonEtching，DRIE)刻蚀TSV盲 孔。为了改善后续工艺绝缘层沉积的台阶覆盖率，一般TSV侧壁刻成83~89度的轻微锥 形；（2)在刻蚀完成的孔壁上利用低压化学气相沉积（Semi-AtmosphereChemicalVapor Deposition，SACVD)或者低温离子增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVapor D印osition，PECVD)生成二氧化硅（SiO2)绝缘层；（3)在SiOJl上通过物理气相沉积 (PhysicalVaporDeposition，PVD)扩散阻挡层（Ti或者Ta或者其氮化物），然后在阻挡 层上再沉积一层铜（Cu)种子层；(4)用电镀法将Cu填充进TSV孔；（5)退火工艺，以增大 填充好的Cu的晶粒尺寸，并使其分布均勾；(6)化学机械法抛光（ChemicalMechanical Polishing，CMP)去除多余的Cu; (7)将晶圆从另一侧减薄，露出TSV的铜，使TSV盲孔变通 孔。 为了实现上述TSV制作工艺流程，保证含有TSV结构器件的性能，TSV结构的力 学参数（热机械应力）需要精确表征。例如，TSV镀铜填充过程中，形成的微观材料晶粒大 小和取向的不均匀性，带来材料内部的残余应力，同时TSV结构受到周围Si材料的约束，在 TSV周围的Si材料中也会带来应力。在退火工艺和器件服役过程，受到温度载荷作用，由 于TSV结构中不同材料的热膨胀系数失配，产生热应力。热应力和残余应力叠加可能会导 致器件出现分层、开裂、孔洞、铜柱挤出等一系列可靠性问题。另外应力也会引起载流子分 布变化，带来器件电学性能下降。因此这些应力需要表征，以助于设计"威胁区"（Ke印Out Zone，K0Z)，使得功能电路远离该"威胁区"，从而提高器件的服役寿命。 近年来，国内外众多研究人员从仿真模拟和实验角度，对TSV结构的力学参数（应 力）的表征开展了大量的研究。 有文献通过测量晶圆翘曲的曲率，然后利用Stoney公式计算平面应力状态，由 于曲率会随着温度载荷变化，该方法可以得到温度-晶圆曲率变化的曲线（滞回曲线）， 因此可以得到随温度变化的应力值，但是该方法只能进行全局平均应力表征，不能提供 实际的应力分布状态；利用晶格声子振动和应变的关系，有文献通过微区拉曼显微镜 (Micro-RamanSpectroscopy，yRS)测量入射光波长的平移（拉曼频移），得到材料晶格应 变量，然后通过材料的杨氏模量计算得到应力分布，由于拉曼显微镜不能获得金属材料的 谱信息，因此该方法不能直接测量TSV的Cu结构应力，只能测量Si的应力状态，进而推算 出TSV的Cu应力状态，同时该方法只能表征表面应力状态。由于结构中应变的存在，会改 变材料的晶格参数，X-ray衍射仪根据Bragg'slaw可以测量晶格参数，从而通过计算得到 的应变获得应力的表征，但是该方法需要准备测试的样品，在制样的过程中可能改变结构 的应力状态。虽然通过同步加速器可以获得高穿透性的入射射线，从而可以实现无损条件 下的应力表征，但是测试成本高昂。文献报道可以通过共振方法测得薄膜的应力状态，但是 薄膜结构与TSV结构的应力状态存在本质差异。上述这些应力的测试方法，针对TSV结构 还存在了相应的不足，因此，TSV结构的应力表征方法仍需要进一步研究。
技术实现思路
本专利技术提供一种成本低、效率高的TSV结构的三维应力表征方法。 为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下： -种基于图像分析的TSV结构的三维应力表征方法，包括如下步骤： 步骤一、利用高分率X射线显微镜，从不同角度对TSV结构进行成像，然后通过图 像重构技术获得TSV结构的三维结构点云数据； 步骤二、计算TSV结构在外载荷作用前后，上述点云数据中每一个点的空间三维 变形量； 步骤三、根据步骤二得到的三维变形量，采用拉格朗日应变张量来计算TSV结构 中每个点的三维应力状态。 其中，步骤一中，三维结构点云数据除了空间信息外，还包括图像强度信息I反映 X-ray穿过TSV结构的能量。 其中，步骤二中，在施加载荷之前，针对TSV结构的任意点，在施加载荷后的TSV结 构中的搜索区域，通过点的图像强度信息I搜索最相关的点，得到选择的点在变形后的新 的位置。 其中，步骤三具体为：首先，根据步骤二得到的三维应变量，代入如下所示的公式 中，计算出TSV结构中每个点的正应变I和切应变y.，然后通过材料的杨氏模量将应变转 化成应力S、T 本专利技术的有益效果是：本专利技术基于图像信号分析来表征TSV结构三维应力，能弥 补传统应力表征的成本昂贵、效率较低的不足，对含TSV结构的器件在外载荷作用下的失 效分析和可靠性设计意义重大。【附图说明】 图1为本专利技术实施例TSV结构三维变形量测量示意图。【具体实施方式】 下面结合附图及实例，对本专利技术做进一步说明。 本实施例采用高分率X射线显微镜，从不同角度对TSV结构进行成像，然后通过图 像重构技术获得TSV结构的三维结构点云数据（空间的每一个点除了空间信息（x，y，z)，还 有图像强度信息I反映X-ray穿过TSV结构的能量）。受到生物细胞形变的启发，采用数字 立方体关联技术（DigitalVolumeCorrelationTechnique，DVCT)计算TSV结构在外载荷 作用前后，上述点云数据中每一个点的空间三维变形量。如图1所示，在施加载荷之前，针 对TSV结构的任意点，在施加载荷后的TSV结构中的搜索区域（假设变形量较小，符合TSV 结构在外载荷下的实际），通过点的图像强度信息I搜索最相关的点，即可以得到选择的点本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于图像分析的TSV结构的三维应力表征方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、利用高分率X射线显微镜，从不同角度对TSV结构进行成像，然后通过图像重构技术获得TSV结构的三维结构点云数据；步骤二、计算TSV结构在外载荷作用前后，上述点云数据中每一个点的空间三维变形量；步骤三、根据步骤二得到的三维变形量，采用拉格朗日应变张量来计算TSV结构中每个点的三维应力状态。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：何虎，李军辉，陈卓，朱文辉，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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