一種tsv微盲孔表面電流密度的測定方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種TSV微盲孔表面電流密度的測定方法及系統，測定過程為：先將硅片和夾具一起放入電鍍槽中，使得電鍍液浸潤到TSV微盲孔中；然后將電鍍槽放回三維運動平臺；將Pt電極定位到TSV微盲孔上表面位置；最后測定TSV微盲孔口部電流密度：將Pt電極移動到距離TSV微盲孔口部10?50納米的位置；用微電阻儀的兩極分別連接Pt電極與硅片表面的種子層，測量電阻R1；將硅片接入電鍍電源的負極進行電鍍，測量Pt電極與硅片表面的種子層之間的電壓V1，計算局部電流I1＝V1/R1，除以電極截面積，獲得局部電流密度。通過類似的方法，可測定TSV微盲孔表面不同位置的電流密度分布情況。
【專利說明】
一種TSV微盲孔表面電流密度的測定方法及系統
技術領域
[0001]本發明屬于半導體三維封裝領域，具體涉及一種用于測定TSV微盲孔表面電流密度的方法及系統。
【背景技術】
[0002]集成電路技術隨著摩爾定律而快速發展，更高的電路集成密度催生了更高的互連密度，并帶來后道互連方式和封裝技術上的全面變革。以TSV(Through Silicon Via，硅通孔)互連為核心的三維集成封裝成為提升器件性能和性價比的必然選擇。三維集成是將不同功能的芯片(如存儲器、處理器等)堆疊、集成為一個多功能系統的過程。三維集成的一種方案是采用貫穿硅襯底的大量高密度TSV(深寬比達10-20)，實現了堆疊芯片之間的垂直上下互連，形成高密度三維集成，帶來“高密度、多功能、小尺寸”的眾多優點。
[0003]在三維集成制造中，TSV電鍍填銅(Copper electrodeposit1n)占到TSV成本的大約40%，因此，電鍍填銅成為三維集成制造的關鍵之一。TSV填銅的難點之一在于如何解決電鍍過程中形成的空洞或者縫隙。由于高深寬比TSV口部的電流密度遠遠大于孔底，孔口的生長速度較孔底快，孔口閉合后就形成了空洞或者縫隙。為了解決上述難題，業界提出采用了“自底向上”的TSV填充方法，通過在電鍍液中添加添加劑，使得具有大分子結構的抑制劑優先吸附在電場強度比較大的孔口及孔壁上端，降低孔口的電流密度和沉積速率；同時，利用小分子結構的加速劑和整平劑，增加孔底的電流密度和加速孔底的沉積速度，最終實現“自底向上”的TSV盲孔填充過程。
[0004]測量TSV微盲孔表面電流密度，是評估添加劑性能的最直接方法。目前，一般僅僅測量TSV硅片表面平均電流密度，S卩:測定電鍍總電流，然后除以硅片面積。比如:測定電鍍電流為1A，硅片面積為I平方分米，則認為電流密度為I安培每平方分米。然而，硅片表面積并沒有計及TSV微盲孔的側壁和底部，且TSV微盲孔在孔口和孔底的表面電流密度差別可達至IJ10-20倍，因此，現有的測定方法無法滿足添加劑性能精確評估的要求。為此，有必要發明一種可以精確測定TSV微盲孔表面不同位置電流密度的新方法。
【發明內容】
[0005]本發明所解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種TSV微盲孔表面電流密度的測定方法及系統，能精確測定TSV微盲孔表面電流密度。
[0006]本發明的技術方案為:
[0007]一種TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，基于以下測定系統，測定系統包括:三維運動平臺、光學顯微鏡及CCD、計算機、帶TSV微盲孔的硅片、Pt電極、精密電源、精密微電阻儀和電鍍電源；
[0008]所述三維運動平臺、光學顯微鏡及CCD、精密電源均受控于所述計算機；
[0009]所述Pt電極固定在三維運動平臺上，在三維運動平臺的帶動下能進行三維移動；
[0010]TSV微盲孔表面電流密度的測定過程為:[0011 ]步驟I:將帶TSV微盲孔的硅片固定在夾具上，并放置在三維運動平臺的底座上，通過設置在底座上方的光學顯微鏡及CCD，確定硅片中TSV微盲孔的位置;為了后續Pt電極定位提供位置信息;光學顯微鏡將微觀結構放大，并在CCD中成像，將圖像輸入計算機中，進行圖像識別，確定硅片上微盲孔的位置；
[0012]步驟2:將硅片和夾具一起放入電鍍槽中，電鍍槽中盛有含有添加劑的電鍍液，然后將硅片、夾具、電鍍液及其電鍍槽進行抽真空預處理，使得電鍍液浸潤到TSV微盲孔中；然后放置10?60分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內表面達到吸附平衡；
[0013]步驟3:將硅片、夾具、電鍍液連同電鍍槽一起放到三維運動平臺的底座上;根據步驟I獲得的TSV微盲孔的位置信息，通過三維運動平臺，將安裝在三維運動平臺上的Pt電極，定位到TSV微盲孔開口位置，即根據步驟I的視覺定位結果，將Pt電極移動到TSV微盲孔開口位置；
[0014]步驟4:測定TSV微盲孔口部電流密度:
[0015]1.將Pt電極移動到距離TSV微盲孔口部10-50納米的位置；
[0016]?.用精密微電阻儀的兩極分別連接Pt電極與硅片表面的種子層，測量此時Pt電極與硅片表面的種子層之間的電阻R1;
[0017]m.電鍍槽中，將硅片接入電鍍電源的負極，用鍍覆金屬制成電鍍陽極與電鍍電源的正極聯接，開始進行電鍍，并測量Pt電極與硅片表面的種子層之間的電壓％，由于前面已經測得Pt電極與硅片表面的種子層之間的電阻(TSV微盲孔口部局部位置的電阻)Ri，因此可以計算出局部電流I1 = VVR1，然后再除以電極截面積，就可以獲得該位置點的局部電流
FtFt也/又。
[0018]步驟5:移動Pt電極到TSV微盲孔的中部和底部等不同位置，通過上述類似的方法(即重復上述步驟??m)，即可測定不同位置的電流密度，從而獲得在特定添加劑電鍍液作用下，TSV微盲孔表面電流密度的分布情況。
[0019]移動Pt電極到硅片上表面不同位置，通過上述類似的方法(即重復上述步驟???m)，即可測定硅片上表面不同位置的電流密度，得到硅片表面的電流密度分布情況。
[0020]所述步驟3中，將安裝在三維運動平臺上的Pt電極定位到TSV微盲孔開口位置，定位的過程為:①將Pt電極接到精密電源的正極、帶TSV微盲孔的硅片表面的種子層接到精密電源的負極;②開啟精密電源，設定輸出電流為0.01-2A，限制電壓Vd為0.05-5V;由于電極距離不同，電阻會改變，此時，設定電流恒定，輸出電壓就會改變，但是，輸出的電壓不能超過限制電壓。由于此時Pt電極沒有接觸到硅片表面的種子層，電路為開路，測量電源兩端的電壓為限制電壓;③啟動三維運動平臺，使得Pt電極向下運動，在這個過程中，檢測電源兩端的電壓，直到檢測到的電壓小于臨界電壓Vg，表明此時，Pt電極已經運動到硅片上表面，記錄下該位置的坐標信息(Xi，Yi，Z1); Vg設為Vd的0.05-0.2倍;④驅動三維運動平臺，使得Pt電極向TSV微盲孔開口位置移動，在這個過程中，檢測電源兩端的電壓，直到電壓大于限制電壓Vd的0.1-0.9倍，表明此時Pt電極已經離開硅片上表面，并運動到TSV盲孔開口位置，記錄下該位置的坐標信息(X2，Y2，Z2)。通過上述過程即確定了Pt電極與TSV微盲孔的相對位置。
[0021 ]所述步驟2中，后將硅片、夾具、電鍍液及電鍍槽放在0.01-0.5Bar的條件下進行抽真空預處理。過低的真空度(〈0.0lBar)會將電鍍液氣化，過高的真空度(>0.5Bar)無法將盲孔中的空氣排出，在0.01-0.5Bar的條件下可以避免上述兩個問題。
[0022]所述步驟2中，放置時間為30分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內表面達到吸附平衡。放置時間為30分鐘，既能讓電鍍液中的添加劑有足夠的時間擴散、穩定吸附到TSV盲孔表面，而且能兼顧時間效率。
[0023]所述步驟3中，Pt電極為微納米Pt電極，或者是亞微米Pt電極。
[0024]所述步驟3的第②步中，設定輸出電流為10mA，限制電壓Vd為IV。
[0025]所述步驟3的第③步中，臨界電壓Vg設為0.1V。
[0026]所述步驟3的第④步中，檢測電源兩端的電壓大于限制電壓Vd的0.5倍時，表明此時Pt電極已經離開硅片上表面，并運動到TSV微盲孔開口位置。
[0027]Vd設置過大，會在測量位置形成銅沉積，改變TSV表面形貌，影響測試結果;Vd設置過小，則測量噪音比較大，影響測試精度;設置限制電壓Vd為IV，貝Ij銅沉積反應慢，且測量噪音小，測試精度高。臨界電壓的設置原理與Vd類同。臨界電壓設置過大，則會導致過早判定Pt電極已經運動到硅片上表面或TSV盲孔開口位置，測量噪音比較大；臨界電壓設置過小，則會導致過晚判定Pt電極運動到硅片上表面或TSV盲孔開口位置，使得Pt電極距離硅片上表面或TSV盲孔開口位置太近，而產生銅沉積反應，影響測量精度。
[0028]一種TSV微盲孔表面電流密度的測定系統，包括三維運動平臺、光學顯微鏡及(XD、計算機、Pt電極、精密電源、精密微電阻儀和電鍍電源；
[0029]所述三維運動平臺、光學顯微鏡及CCD、精密電源均受控于所述計算機；
[°03°]所述Pt電極固定在三維運動平臺上，在三維運動平臺的帶動下能進行三維移動；[0031 ]測定系統采用上述方法進行TSV微盲孔表面電流密度的測定。
[0032 ]所述三維運動平臺包括Pt電極延長桿和Pt電極固定桿;所述Pt電極固定在Pt電極延長桿的底部，由Pt電極延長桿帶動上下運動；電極延長桿和Pt電極固定桿之間的橫向位置固定，Pt電極和Pt電極延長桿隨Pt電極固定桿水平移動。
[0033]所述三維運動平臺為三維微納米運動平臺；所述精密電源為具有皮安/納伏精度的精密電源;所述精密微電阻儀為精度為I微歐的電阻儀。
[0034]將上述Pt電極、硅片表面的種子層、電鍍陽極分別作為參考電極、工作電極和對電極，接入電化學工作站，還可以完成交流阻抗譜測定和等效電路分析，確定添加劑在TSV微盲孔表面不同位置的吸附過程;可以完成線性掃描曲線，分析TSV微盲孔表面不同位置的陰極極化過程;可以測量塔菲爾曲線研究TSV微盲孔表面不同位置的動力學參數;可以完成電化學循環伏安測量，確定TSV微盲孔表面不同位置的陰極極化類型。
[0035]有益效果:
[0036]I)通過Pt探針在硅片表面的掃描運動，可以精確測定硅片表面的電流密度分布；
[0037]2)通過Pt探針在TSV微盲孔內的掃描運動，可以精確測定TSV微盲孔內的電流密度分布;
[0038]3)通過本系統的方法，可以通過測定TSV微盲孔在孔口和孔底的的表面電流密度，直觀評估添加劑的作用效果，并預測填充的模式。
【附圖說明】
[0039]圖1TSV微盲孔表面電流密度的測定系統示意圖
[0040]圖2 TSV微盲孔表面電流密度的測定
[0041 ]附圖標記說明:1、計算機;2、底座;3、Pt電極;4、電鍍液;5、Pt電極延長桿;6、三維運動平臺；7、光學顯微鏡和CCD;8、電鍍陽極;9、電鍍電源/精密電源/電化學工作站/精密微電阻儀；10、帶TSV微盲孔的硅片；11、夾具；12、硅片上表面；13、Pt電極固定桿；14、TSV微盲孔口部;15、TSV微盲孔中部;16、TSV微盲孔底部。
【具體實施方式】
[0042]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行進一步具體說明。
[0043]如圖1和圖2所示，本發明公開了一種TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，基于以下測定系統，測定系統包括:三維運動平臺6、光學顯微鏡及CCD、計算機1、帶TSV微盲孔的硅片1、Pt電極3、精密電源、精密微電阻儀和電鍍電源9;
[0044]所述三維運動平臺6、光學顯微鏡及(XD、精密電源均受控于所述計算機I;
[0045]所述Pt電極3固定在三維運動平臺6上，在三維運動平臺6的帶動下能進行三維移動；
[0046]TSV微盲孔表面電流密度的測定過程為:
[0047]步驟1:將帶TSV微盲孔的硅片10固定在夾具11上，并放置在三維運動平臺6的底座2上，通過設置在底座2上方的光學顯微鏡及CXD，確定硅片中TSV微盲孔的位置;為了后續Pt電極3定位提供位置信息;光學顯微鏡將微觀結構放大，并在CCD中成像，將圖像輸入計算機I中，進行圖像識別，確定硅片上微盲孔的位置；
[0048]步驟2:將硅片和夾具11一起放入電鍍槽中，電鍍槽中盛有含有添加劑的電鍍液4，然后將硅片、夾具11、電鍍液4及其電鍍槽放在0.01-0.5Bar的條件下進行抽真空預處理，使得電鍍液4浸潤到TSV微盲孔中；然后放置10?60分鐘(優選為30分鐘)，等添加劑在TSV微盲孔內表面達到吸附平衡；
[0049]步驟3:將硅片、夾具、電鍍液連同電鍍槽一起放到三維運動平臺的底座上;根據步驟I獲得的TSV微盲孔的位置信息，通過三維運動平臺6，將安裝在三維運動平臺6上的Pt電極3，定位到TSV微盲孔開口位置;定位的過程為:①將Pt電極3接到精密電源的正極、帶TSV微盲孔的硅片10表面的種子層接到精密電源的負極；②開啟精密電源，設定輸出電流為
0.01-2A(優選10mA)，限制電壓Vd為0.05-5V(優選IV);由于電極距離不同，電阻會改變，此時，設定電流恒定，輸出電壓就會改變，但是，輸出的電壓不能超過限制電壓。由于此時Pt電極3沒有接觸到硅片表面的種子層，電路為開路，測量電源兩端的電壓為限制電壓;③啟動三維運動平臺6，使得Pt電極3向下運動，在這個過程中，檢測電源兩端的電壓，直到檢測到的電壓小于臨界電壓Vg(優選0.1V)，表明此時，Pt電極3已經運動到硅片上表面12，記錄下該位置的坐標信息(Xi，Yi ,Z1); Vg設為Vd的0.05-0.2倍(優選0.1倍)；④驅動三維運動平臺6，使得Pt電極3向TSV微盲孔開口位置移動，在這個過程中，檢測電源兩端的電壓，直到電壓大于限制電壓Vd的0.1-0.9(優選0.5)倍，表明此時Pt電極3已經離開硅片上表面12，并運動到TSV盲孔開口位置，記錄下該位置的坐標信息(X2，Y2，Z2)。通過上述過程即確定了 Pt電極3與TSV微盲孔的相對位置。
[0050]步驟4:測定TSV微盲孔口部14電流密度:1.將Pt電極3移動到距離TSV微盲孔口部10-50納米的位置；?.用精密微電阻儀的兩極分別連接Pt電極3與硅片表面的種子層，測量此時Pt電極3與硅片表面的種子層之間的電阻Ri ； ii1.電鍍槽中，將硅片接入電鍍電源的負極，用鍍覆金屬制成電鍍陽極8與電鍍電源的正極聯接，開始進行電鍍，并測量Pt電極3與硅片表面的種子層之間的電壓V1，由于前面已經測得Pt電極3與硅片表面的種子層之間的電阻(TSV微盲孔口部14局部位置的電阻)R1，因此可以計算出局部電流I1 = WR1，然后再除以電極截面積，就可以獲得該位置點的局部電流密度。
[0051 ] 步驟5:移動Pt電極3到TSV微盲孔中部15和TSV微盲孔底部16等不同位置，通過上述類似的方法，即可測定不同位置的電流密度，從而獲得在特定添加劑電鍍液4作用下，TSV微盲孔表面電流密度的分布情況。
[0052]本發明還公開了一種TSV微盲孔表面電流密度的測定系統，包括三維運動平臺6、光學顯微鏡及CCD、計算機1、Pt電極3、精密電源、精密微電阻儀和電鍍電源；
[0053]所述三維運動平臺6、光學顯微鏡及CCD、精密電源均受控于所述計算機I;
[0054]所述Pt電極3固定在三維運動平臺6上，在三維運動平臺6的帶動下能進行三維移動；
[0055]測定系統采用上述方法進行TSV微盲孔表面電流密度的測定。
[0056]三維運動平臺6包括Pt電極延長桿5和Pt電極固定桿13;所述Pt電極固定在Pt電極延長桿5的底部，由Pt電極延長桿5帶動上下運動；電極延長桿5和Pt電極固定桿13之間的橫向位置固定，Pt電極和Pt電極延長桿5隨Pt電極固定桿13水平移動。
[0057]所述三維運動平臺6為三維微納米運動平臺；所述精密電源為具有皮安/納伏精度的精密電源;所述精密微電阻儀為精度為I微歐的電阻儀。
[0058]本發明通過Pt探針在TSV微盲孔內的掃描運動，可以精確測定TSV微盲孔內的電流密度分布;通過本發明的方法，可以通過測定TSV微盲孔在孔口和孔底的的表面電流密度，直觀評估添加劑的作用效果，并預測填充的模式。
【主權項】
1.一種TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，基于以下測定系統，測定系統包括:三維運動平臺、光學顯微鏡及CCD、計算機、Pt電極、精密電源、精密微電阻儀和電鍍電源； 所述三維運動平臺、光學顯微鏡及CCD、精密電源均受控于所述計算機； 所述Pt電極固定在三維運動平臺上，在三維運動平臺的帶動下能進行三維移動； TSV微盲孔表面電流密度的測定過程為: 步驟1:將帶TSV微盲孔的硅片固定在夾具上，并放置在三維運動平臺的底座上，通過設置在底座上方的光學顯微鏡及CCD，確定硅片中TSV微盲孔的位置； 步驟2:先將硅片和夾具一起放入電鍍槽中，電鍍槽中盛有含有添加劑的電鍍液，然后將硅片、夾具、電鍍液及電鍍槽進行抽真空預處理，使得電鍍液浸潤到TSV微盲孔中；再放置10?60分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內表面達到吸附平衡； 步驟3:將硅片、夾具、電鍍液連同電鍍槽一起放到三維運動平臺的底座上;根據步驟I獲得的TSV微盲孔的位置信息，通過三維運動平臺，將安裝在三維運動平臺上的Pt電極定位至IjTSV微盲孔開口位置； 步驟4:測定TSV微盲孔口部電流密度: 1.將Pt電極移動到距離TSV微盲孔口部10-50納米的位置； ?.用精密微電阻儀的兩極分別連接Pt電極與硅片表面的種子層，測量此時Pt電極與硅片表面的種子層之間的電阻R1; m.將硅片接入電鍍電源的陰極開始進行電鍍，并測量Pt電極與硅片表面的種子層之間的電Sv1，結合步驟i測得Pt電極與硅片表面的種子層之間的電阻仏，計算出局部電流I1= VVR1，然后再除以電極截面積，獲得該位置點的局部電流密度； 步驟5:移動Pt電極到TSV微盲孔的中部和底部不同位置，重復上述步驟ii?m，測定不同位置對應的局部電流密度，從而獲得在特定添加劑電鍍液作用下，TSV微盲孔表面電流密度的分布情況。2.根據權利要求1所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，所述步驟3中，將安裝在三維運動平臺上的Pt電極定位到TSV微盲孔開口位置，定位的過程為: ①將Pt電極接到精密電源的正極、帶TSV微盲孔的硅片表面的種子層接到精密電源的負極； ②開啟精密電源，設定輸出電流為0.01-2A，限制電壓Vd為0.05-5V; ③啟動三維運動平臺，使得Pt電極向下運動，在此過程中，檢測精密電源兩端的電壓，直到檢測到的電壓小于臨界電壓Vg，表明此時Pt電極已經運動到硅片上表面，記錄當前位置的坐標信息(Xi ,Yi,Zi); Vg設為Vd的0.05-0.2倍； ④驅動三維運動平臺，使得Pt電極向TSV微盲孔開口位置移動，在此過程中，檢測電源兩端的電壓，直到電壓大于限制電壓Vd的0.1-0.9倍，表明此時Pt電極已經離開硅片上表面，并運動到TSV微盲孔開口位置，記錄當前位置的坐標信息(Χ2，γ2，ζ2)。3.根據權利要求1所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，所述步驟2中，后將硅片、夾具、電鍍液及電鍍槽放在0.01-0.5Bar的條件下進行抽真空預處理。4.根據權利要求1所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，所述步驟2中，放置時間為30分鐘，等添加劑在TSV微盲孔內表面達到吸附平衡。5.根據權利要求1所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，所述步驟3中，Pt電極為微納米Pt電極，或者是亞微米Pt電極。6.根據權利要求2所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，所述步驟3的第②步中，設定輸出電流為I OmA，限制電壓Vd為IV。7.根據權利要求2所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，所述步驟3的第③步中，臨界電壓Vg設為0.1V。8.根據權利要求2所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定方法，其特征在于，所述步驟3的第④步中，檢測電源兩端的電壓大于限制電壓Vd的0.5倍時，表明此時Pt電極已經離開硅片上表面，并運動到TSV微盲孔開口位置。9.一種TSV微盲孔表面電流密度的測定系統，其特征在于，包括三維運動平臺、光學顯微鏡及CCD、計算機、Pt電極、精密電源、精密微電阻儀和電鍍電源； 所述三維運動平臺、光學顯微鏡及CCD、精密電源均受控于所述計算機； 所述Pt電極固定在三維運動平臺上，在三維運動平臺的帶動下能進行三維移動； 測定系統采用權利要求1?8中任意一項所述的方法進行TSV微盲孔表面電流密度的測定。10.根據權利要求9所述的TSV微盲孔表面電流密度的測定系統，其特征在于，所述三維運動平臺為三維微納米運動平臺；所述精密電源為具有皮安/納伏精度的精密電源;所述精密微電阻儀為精度為I微歐的電阻儀。
【文檔編號】G01R19/08GK105842523SQ201610377641
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】王福亮, 王峰, 肖紅斌, 李亦杰, 朱文輝, 李軍輝, 韓雷
【申請人】中南大學