CN203707089U - 一种监测晶圆键合质量的测试结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种监测晶圆键合质量的测试结构，至少包括：正面设有第一金属线的第一晶圆；正面设有与所述第一金属线交叉的第二金属线的第二晶圆；所述第一、第二晶圆的正面彼此键合，使得所述第一金属线和第二金属线接触；所述第二晶圆背面设有穿过其正面并分别接触于所述第一、第二金属线两端的焊垫。本实用新型在所述彼此键合的第一、第二晶圆表面设置由所述第一、第二金属线键合构成的四端金属结构。通过测试键合处电阻的阻值，来判断所述第一、第二晶圆彼此键合的质量和可靠性，可以有效提高半导体微机电机械***在制程中性能的可靠性和产品的良率。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体制备领域，特别是涉及一种监测晶圆键合质量的测试结构。
背景技术
晶圆键合工艺是将两片晶圆经过清洗等预处理后，使用某种手段将两片互相固定连接在一起的一种工艺。通常在微机电机械***（MEMS）的制造过程中应用晶圆的键合工艺。而键合工艺中的键合质量是评价晶圆键合技术优劣的关键问题。如果键合而在铜制程中，铜线键合的过程中经常用到高精度、大电流、线宽小的3D结构中的电性连接，所以MEMS器件的键合质量的可靠性格外重要。
目前使用的用来监测晶圆键合质量的方法有静态液体油压法、直拉法或裂纹传播法。其中静态液体油压法的测量设备的界面施压结构复杂，并不能得在键合片的具体细节特征；直拉法是用拉开键合片的最大拉力来表示键合强度，而该方法受到拉力手柄粘合剂的限制，当键合强度大于粘合剂的粘性度时，拉力手柄会先于键合片而裂开，因而无法继续进行测量，同时该方法也是一种破坏性的检测方法。裂纹传播法也称为刀片法，是采用刀片沿键合界面***，观测断痕深度来反映键合的质量。这种方法虽然简单，但对键合晶圆的的破坏性小，但同时由于晶圆质地较脆，操作困难且读数误差大。
由于目前的监测法都只能进行大致的比较试验，无法定量给出键合的质量评价标准。其测试环境要求高，测试实现困难，同时测量结果在各自不同的工艺条件下以及样品尺寸下获得，缺乏通用性和权威性。使用人工或机台无法精细的监测晶圆键合的质量。同时由于电子迁移是在高温和大电流并且长时间的状态下产生的。因此现有技术中的监测方式无法监测到，因此有必要提出一种新的监测晶圆键合质量的测试结构来监测晶圆键合质量的可靠性能。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种监测晶圆键合质量的测试结构，用于解决现有技术中无法以量化的方式来监测晶圆键合质量以及可靠性的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种监测晶圆键合质量的测试结构，所述监测晶圆键合质量的测试结构至少包括：
正面设有第一金属线的第一晶圆；
正面设有与所述第一金属线交叉的第二金属线的第二晶圆；
所述第一、第二晶圆的正面彼此键合，使得所述第一金属线和第二金属线接触；
所述第二晶圆背面设有穿过其正面并分别接触于所述第一、第二金属线两端的焊垫。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述第一、第二金属线的材质包括铜或铝。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述第一金属线与所述第二金属线交叉形成夹角，所述夹角大于0度且小于180度。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述夹角为90度。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述焊垫的材质包括铜或铝。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述第一、第二金属线的长度为10微米至20微米。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述第一、第二金属线的长度相等。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述第一、第二金属线的宽度为1微米至5微米。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述焊垫的形状相同。
作为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的一种优选方案，所述焊垫的形状为边长为5微米至10微米的正方形。
如上所述，本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构，通过测试键合处电阻的阻值，来判断所述第一、第二晶圆彼此键合的质量和可靠性，具有以下有益效果：可以有效提高半导体微机电机械***在制程中性能的可靠性和产品的良率。
附图说明
图1为本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构的三维透视示意图。
图2为图1的沿AA'方向的截面示意图。
图3为图2中所述第二金属线13水平旋转90°的本实用新型的测试原理示意图。
元件标号说明
10 第一晶圆
11 第二晶圆
12 第一金属线
121 金属块
13 第二金属线
111、112、113、114 焊垫
20 接触电阻
21 电源
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，表示的是本实用新型的一种监测晶圆键合质量的测试结构的三维透视示意图，第一晶圆10的正面朝上放置，所述第一晶圆10的正面设置有第一金属线12，所述第一金属线的材质可以是铜，也可是铝。作为本实用新型的一种优选方案，本实施例中所述第一金属线12的材质为铜。如图1所示，位于所述第一晶圆正面上方的第二晶圆11的正面朝下放置。同时所述第二晶圆11的正面设有第二金属线13，所述第二金属线的材质可以是铜，也可是铝。作为本实用新型的一种优选方案，本实施例中所述第二金属线13的材质为铜。
由于所述第一晶圆10和所述第二晶圆11的正面彼此相对放置并且所述第一晶圆10与所述第二晶圆11的正面彼此键合。由于所述第一晶圆10和所述第二晶圆11正面的彼此键合并且所述第二晶圆11位于所述第一晶圆10的上方，使得位于所述第一晶圆10正面的第一金属线12和位于所述第二晶圆11正面的第二金属线13相互接触，由于所述第一金属线与所述第二金属线彼此不平行，因此形成交叉接触。所述第一金属线和所述第二金属线的彼此交叉接触而形成四端金属结构。
本实用新型中，由于所述第一金属线与所述第二金属线是相交的，彼此交叉形成的水平夹角的大小不确定，可以根据需要选取，只要所述两条金属线不重合即可。因此本实用新型中所述第一金属线和第二金属线彼此形成的水平夹角不可以为0度、180度或360度。如图1中的α表示所述两条金属线之间形成的水平夹角。作为本实用新型的一种优选方案，所述夹角α的取值范围为0度至180度。为了测试电阻方便，本实施例中，所述夹角α为90度，即所述第一金属线和所述第二金属线在水平方向上垂直，其水平夹角α为90度。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一金属线12和所述第二金属线13的长度可以相等或不等。任意适合MEMS工艺的金属线长度的取值均落在本实用新型所要求保护的范围之内。本实用新型的所述第一金属线和所述第二金属线长度的取值为10微米至20微米，作为本实用新型的一种优选方案，本实施例中，所述第一金属线12和所述第二金属线13的长度取值相等，同时所述第一金属线和所述第二金属线长度分别为10微米。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一金属线12和所述第二金属线13的宽度可以相等或不等。任意适合MEMS工艺的金属线宽度的取值均落在本实用新型所要求保护的范围之内。本实用新型所述第一金属线和所述第二金属线宽度的取值为1微米至5微米，作为本实用新型的一种优选方案，本实施例中，所述第一金属线12和所述第二金属线13的宽度取值相等，同时所述第一金属线和所述第二金属线宽度的取值分别为2微米。
如图1所示，所述第二晶圆11的背面露在最上端，所述第二晶圆11的背面上设置有四个焊垫,分别为：焊垫111、焊垫112、焊垫113以及焊垫114。所述四个焊垫分别从所述第二晶圆背面穿过所述第二晶圆正面。所述焊垫111和所述焊垫112分别接触于位于所述第一晶圆正面的所述第一金属线12的两端上凸起的金属块121，所述金属块121属于所述第一金属线12的一部分，其作用是支撑所述焊垫111和焊垫112，使得所述焊垫111和所述焊垫112与所述第一金属线12的两端接触；而所述焊垫113和所述焊垫114则分别接触于位于所述第二晶圆正面的所述第二金属线13的两端。所述焊垫的材质包括铜或铝等导电金属。作为本实用新型的一种优选方案，本实施例中的所述四个焊垫的材质均为金属铝。所述焊垫的形状可以为圆形，正方形或矩形等。作为本实用新型的一种优选方案，本实施例中所述四个焊垫的形状相同，同时所述四个焊垫的形状均为正方形，本实用新型中，所述形状为正方形的所述四个焊垫的边长为5微米至10微米。作为本实用新型的一种优选方案，本实施例中所述正方形的边长为5微米。
至此，由位于所述第一晶圆正面的所述第一金属线和位于所述第二晶圆正面的所述第二金属线交叉接触所形成的四端金属结构已经构成。本实用新型是为了有效监测所述第一晶圆与所述第二晶圆表面的键合质量以及键合性能的可靠性，将所述第一金属线和所述第二金属线由于键合而交叉接触形成的四端金属结构进行电阻测试，所述电阻由所述第一金属线与所述第二金属线的接触部分所形成。
图2表示的是图1沿AA'方向的截面示意图。在所述第一金属线12的上方具有第二金属线13，图2中只能看到与所述第二金属线13连接的焊垫114，而焊垫113被所述焊垫114挡住，在所述第一金属线12两端的上表面具有金属块121，所述金属块121接触于所述焊垫1121以及焊垫112。
图3表示为图2中所述第二金属线13水平旋转90°的本实用新型的测试原理示意图。为了观察方便，将所述第二金属线13水平旋转90°后来说明本实用新型的测试原理。而现实中本实用新型中所述第二金属线13不会被旋转，因此本实用新型的结构不会被改变。图3可以直观的反映出所述四端金属结构的四个端以及与所述四端分别连接的焊垫。其中所述第一晶圆正面上的所述第一金属线12的两端分别连接所述焊垫111和焊垫112；所述第二晶圆正面上的所述第二金属线13的两端分别连接所述焊垫113和焊垫114，图1或图2中所述第一金属线与所述第二金属线接触部分的电阻在图3中被单独给出，即为了方便说明测试原理，所述第一金属线与所述第二金属线接触部分的电阻被等效为图3中的接触电阻20。当测试所述接触电阻20的阻值时，在所述焊垫112与焊垫114之间连接电源21，在所述焊垫114、所述第二金属线13与焊垫114连接的所述第二金属线部分、接触电阻20、所述第一金属线与所述焊垫112连接的所述第一金属线部分以及所述焊垫112的回路中形成电流。用晶圆允收测试方法（WAT）测试上述回路中电流值的大小，图3中的虚线表示电流流向，电流值i代表流过所述接触电阻20的电流值。本实施例中，电流值i的取值范围为1mA至50mA。
进一步，利用WAT测试方法测试所述第一金属线12的另一端连接有所述焊垫111处的电压值U1，测试所述第二金属线13的另一端连接有所述焊垫113处的电压值U2，该两端电压值作差并取其绝对值，即|U1-U2|表示所述接触电阻在其构成的回路中当流过所述接触电阻20的电流为i的情况下的电压值。所述接触电阻20的电阻值R=|U1-U2|/i。
在图3中所述回路中给予一系列不断变化的电流值i，所测得的U1和所测得的U2的值不断变化，因此得出一系列不同的电压差|U1-U2|，由一系列电流值i和一系列电压差|U1-U2|在以“电压-电流”构成的二维坐标系中绘制曲线。得出所述接触电阻20的阻值。
熟悉本领域的技术人员都知道，所述接触电阻20的阻值符合伏安特性曲线中所决定的电阻值，即代表所述第一晶圆与所述第二晶圆的键合质量良好；如果所测出的“电流-电压”曲线不符合伏安特性曲线即说明所述第一晶圆与所述第二晶圆的键合质量和可靠性能差。于是，本实用新型的测试结构以及测试方法可以直观的反映所述第一晶圆与所述第二晶圆键合的质量和可靠性能的好坏。
综上所述，本实用新型的监测晶圆键合质量的测试结构，通过测试键合处电阻的阻值，来判断所述第一、第二晶圆彼此键合的质量和可靠性，具有以下有益效果：可以有效提高半导体微机电机械***在制程中性能的可靠性和产品的良率。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于，所述监测晶圆键合质量的测试结构至少包括：
正面设有第一金属线的第一晶圆；
正面设有与所述第一金属线交叉的第二金属线的第二晶圆；
所述第一、第二晶圆的正面彼此键合，使得所述第一金属线和第二金属线接触；
所述第二晶圆背面设有穿过其正面并分别接触于所述第一、第二金属线两端的焊垫。
2.根据权利要求1所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述第一、第二金属线的材质包括铜或铝。
3.根据权利要求1所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述第一金属线与所述第二金属线交叉形成夹角，所述夹角大于0度且小于180度。
4.根据权利要求3所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述夹角为90度。
5.根据权利要求1所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述焊垫的材质包括铜或铝。
6.根据权利要求1或2所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述第一、第二金属线的长度为10微米至20微米。
7.根据权利要求6所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述第一、第二金属线的长度相等。
8.根据权利要求1所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述第一、第二金属线的宽度为1微米至5微米。
9.根据权利要求1所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述焊垫的形状相同。
10.根据权利要求1或9所述的监测晶圆键合质量的测试结构，其特征在于：所述焊垫的形状为边长为5微米至10微米的正方形。
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