半导体器件的应力测量装置以及方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种半导体器件的应力测量装置以及应力测量方法。


背景技术：

2.半导体芯片从二维结构发展到三维结构制造的研究，能够在有限的面积内累积更多的芯片和元件，大大的提高了芯片的集成化。而不同的半导体器件封装工艺，可能导致半导体器件中内部中存在着些许的残余应力，引起十分严重的应力效应，对半导体器件的性能造成严重的损坏。现有的测量方法主要针对测量半导体器件内部薄膜间附着力或失效的定量研究，通过失效分析研究薄膜从硅片表面剥落的原因，引入新的分层起裂，显著降低分层起裂的能量势垒，对薄膜界面可能会造成污染的元素进行分析，得出薄膜和硅片之间粘附性失效的具体原因是由于薄片在抛光的减薄的过程中过度抛光导致硅片表面的粗糙度较低导致的，界面的断裂能由界面裂纹稳定扩展所需的临界载荷计算而来。由于存在大量的弹性衬底，金属和环氧薄膜的应力松弛和塑性变形受到限制。目前，用四点弯曲法主要是来测量器件内部薄膜的粘附性和失效的具体原因，在形变的过程中，样品发生损坏的风险较大，进而对实验造成严重的影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种半导体器件的应力测量装置以及应力测量方法，以解决现有技术中半导体器件应力特性试验对样品损坏较大的技术问题。
4.本发明提供的一种半导体器件的应力测量装置，包括：
5.基台，包括相对设置的第一台座和第二台座；
6.第一承接件，活动装配在所述第一台座上，可相对于所述第一台座靠近或远离，所述第一承接件上活动装配有至少两个第一滚轴；
7.第二承接件，活动装配在所述第二台座上，可相对于所述第二台座靠近或远离，所述第二承接件上活动装配有至少两个第二滚轴；
8.两个所述第一滚轴相互平行并构成第一平面，两个所述第二滚轴相互平行并构成第二平面，所述第一平面与所述第二平面相互平行，所述第一承接件的移动轨迹与所述第一平面垂直，所述第二承接件的移动轨迹与所述第二平面垂直。
9.进一步的，所述第一承接件为第一压板，所述第二承接件为第二压板，所述第一压板和所述第二压板相互平行。
10.进一步的，所述第一压板和所述第二压板的相对两个表面分别开设有多个第一滚轴槽和多个第二滚轴槽，所述第一滚轴槽用于安装所述第一滚轴，所述第二滚轴槽用于安装所述第二滚轴。
11.进一步的，所述第一滚轴槽和所述第二滚轴槽均为半圆柱形，所述第一滚轴槽与所述第一滚轴平行，所述第二滚轴槽与所述第二滚轴平行。
12.进一步的，所述应力测量装置还包括：
13.第一伸缩件，两端分别连接所述第一台座和第一压板，且所述第一伸缩杆与所述第一压板相互垂直；和/或，
14.第二伸缩件，两端分别连接所述第二台座和第二压板，且所述第二伸缩杆与所述第二压板相互垂直。
15.进一步的，所述基台还包括立柱，所述第一台座和所述第二台座上下相对设置，所述立柱连接在所述第一台座和所述第二台座的一侧，并共同构成倒n形。
16.进一步的，所述应力测量装置还包括：
17.性能检测装置，用于电连接晶圆试样的栅极、源极、漏极和衬底，并施加电压激励信号。
18.进一步的，所述应力测量装置还包括：
19.千分表，设置在所述基台上，用于测量所述第一承接件和/或所述第二承接件的移动距离。
20.本技术还提供了一种半导体器件的应力测量方法，根据所述应力测量装置，包括如下步骤：
21.调整两个所述第一滚轴和两个所述第二滚轴的相对位置；
22.将带有半导体器件的晶圆试样放在所述第一滚轴和所述第二滚轴之间，并使所述晶圆试样与所述第一平面和所述第二平面保持平行；
23.控制所述第一承接件和/或所述第二承接件移动，进而调整所述第一平面和所述第二平面之间的距离，利用所述第一滚轴和所述第二滚轴向所述晶圆试样的两侧施加压力。
24.进一步的，所述晶圆试样包括三个层叠设置的晶圆，其中最顶层的所述晶圆带有所述半导体器件。
25.在上述技术方案中，应力测量装置采用了第一滚轴和第二滚轴作为向晶圆试样施加外力的部件，并同时在晶圆试样两侧设置至少两个滚轴，使晶圆试样内的半导体器件内部受到均匀的单轴应力，通过调整四个或多个滚轴之间的相对位置，可以改变半导体器件内部受到应力的种类和大小。第一滚轴和第二滚轴均利用机械加工制作成同直径、高精度滚轴，因此能够有效的避免晶圆由于施加外力不当而导致晶圆发生断裂的现象，造成实验样品的损坏。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明一个实施例提供的应力测量装置的使用状态示意图；
28.图2为本发明一个实施例提供的晶圆试样的结构示意图；
29.图3为本发明一个实施例提供的晶圆试样的压力施加状态示意图1；
30.图4为本发明一个实施例提供的晶圆试样的压力施加状态示意图2；
31.图5为本发明一个实施例提供的晶圆试样的压力施加状态示意图3。
32.附图标记：
33.100、基台；200、第一承接件；300、第二承接件；
34.400、第一滚轴；500、第二滚轴；600、千分表；700、晶圆试样；
35.101、第一台座；102、第二台座；103、立柱；
36.201、第一滚轴槽；301、第二滚轴槽；
37.701、晶圆。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.如图1至图5所示，本实施例提供的一种半导体器件的应力测量装置，包括：
42.基台100，包括相对设置的第一台座101和第二台座102；
43.第一承接件200，活动装配在所述第一台座101上，可相对于所述第一台座101靠近或远离，所述第一承接件200上活动装配有至少两个第一滚轴400；
44.第二承接件300，活动装配在所述第二台座102上，可相对于所述第二台座102靠近或远离，所述第二承接件300上活动装配有至少两个第二滚轴500；
45.两个所述第一滚轴400相互平行并构成第一平面，两个所述第二滚轴500相互平行并构成第二平面，所述第一平面与所述第二平面相互平行，所述第一承接件200的移动轨迹与所述第一平面垂直，所述第二承接件300的移动轨迹与所述第二平面垂直。
46.应力测量装置采用了第一滚轴400和第二滚轴500作为向晶圆试样700施加外力的部件，并同时在晶圆试样700两侧设置至少两个滚轴，即一侧设置至少两个第一滚轴400，另一侧设置至少两个第二滚轴500，以此施加外力在晶圆试样700上，使晶圆试样700内的半导体器件内部受到均匀的单轴应力，通过调整四个或多个滚轴之间的相对位置，可以改变半导体器件内部受到应力的种类和大小。第一滚轴400和第二滚轴500均利用机械加工制作成同直径、高精度滚轴，因此能够有效的避免晶圆701由于施加外力不当而导致晶圆701发生断裂的现象，造成实验样品的损坏。
47.在一个实施例中，所述第一承接件200为第一压板，所述第二承接件300为第二压
板，所述第一压板和所述第二压板相互平行。除此之外，其实第一承接件200和第二承接件300也可以采用其他结构、例如片状、块状以及任意其他结构，只要能够保证第一承接件200和第二承接件300位置相对，并在移动过程中实现相互靠近或远离，进而控制两个所述第一滚轴400构成第一平面和两个所述第二滚轴500构成第二平面能够相互稳定的靠近或远离即可，这便能够实现控制第一滚轴400和第二滚轴500向晶圆试样700中施加稳定的外力。
48.在一个实施例中，所述第一压板和所述第二压板的相对两个表面分别开设有多个第一滚轴槽201和多个第二滚轴槽301，所述第一滚轴槽201用于安装所述第一滚轴400，所述第二滚轴槽301用于安装所述第二滚轴500。此时，可以采用将第一滚轴400安装在不同的第一滚轴槽201内以对第一滚轴400的位置形成调整，同时也调整两个第一滚轴400之间相对位置，使施加在晶圆试样700上的外力位置是不同的。同理，也可以采用将第二滚轴500安装在不同的第二滚轴槽301内以对第二滚轴500的位置形成调整，同时也调整两个第二滚轴500之间相对位置，使施加在晶圆试样700上的外力位置是不同的。
49.当然，除此之外，对于第一滚轴400和第二滚轴500位置的调整还可以采用其他方式，例如，可以采用第一滑轨组件和第二滑轨组件，两个所述第一滚轴400通过所述第一滑轨组件活动装配在所述第一承接件200上，且所述第一滑轨组件的滑动轨迹与所述第一滚轴400相互垂直，两个所述第二滚轴500通过所述第二滑轨组件活动装配在所述第二承接件300上，且所述第二滑轨组件的滑动轨迹与所述第二滚轴500相互垂直。其中，所述第一滑轨组件包括第一轨道和两个滑件，所述第一轨道与所述第一滚轴400相互垂直，两个所述第一滚轴400通过所述滑件与所述第一轨道滑动装配；和/或，所述第一滑轨组件包括第一轨道和两个滑件，所述第一轨道与所述第一滚轴400相互垂直，两个所述第一滚轴400通过所述滑件与所述第一轨道滑动装配。
50.而对于开设第一滚轴槽201和第二滚轴槽301来说，只要能够保证第一滚轴400和第二滚轴500稳定安装，槽的形状可以任意设置，在一个实施例中，所述第一滚轴槽201和所述第二滚轴槽301均为半圆柱形，所述第一滚轴槽201与所述第一滚轴400平行，所述第二滚轴槽301与所述第二滚轴500平行。
51.对于第一承接件200相对于所述第一台座101靠近或远离，以及第二承接件300相对于所述第二台座102靠近或远离，可以采用第一伸缩件和第二伸缩件实现，第一伸缩件和第二伸缩件可以采用电控伸缩杆、液压伸缩杆、气压伸缩杆等，第一伸缩件两端分别连接所述第一台座101和第一压板，且所述第一伸缩杆与所述第一压板相互垂直；和/或，第二伸缩件两端分别连接所述第二台座102和第二压板，且所述第二伸缩杆与所述第二压板相互垂直。
52.对于基台100而言，所述基台100还包括立柱103，所述第一台座101和所述第二台座102上下相对设置，所述立柱103连接在所述第一台座101和所述第二台座102的一侧，并共同构成倒n形。此时，第一台座101和第二台座102便构成上下相对的位置，使第一承接件200和第二承接件300也按照上下相对的位置控制第一滚轴400和第二滚轴500移动，当然，除此之外，只要能够通过第一滚轴400和第二滚轴500向晶圆试样700的两侧施加外力，其实第一承接件200和第二承接件300可以按照任意方向设置，例如竖立或倾斜。
53.在一个实施例中，所述应力测量装置还包括性能检测装置，用于电连接晶圆试样700的栅极、源极、漏极和衬底，并施加电压激励信号。此时，性能检测装置可以采用各类具
有检测功能的终端设备，例如电脑、平板电脑等，同时可以利用导线与晶体管内栅极、源极、漏极和衬底相连接，施加电压并测量其源极和漏极之间的电流。因此，通过两个第一滚轴400和两个第二滚轴500实施四点弯曲法，可以有效探测半导体器件内部应力变化情况，能够很好的对半导体器件内部的压应力和拉应力进行分析，利用滚轴对晶圆701表面进行施加外力，可以减少对样品表面的破坏性。而为了更好的对半导体器件在滚轴施加外力作用下进行内部的变化情况，我们可以对压应力和拉应力进行测量和分析，并对施加外力前后进行电学性能测试，对比二者之间的变化。而且，所述应力测量装置还包括千分表600，千分表600可以设置在所述基台100上，测量所述第一承接件200和/或所述第二承接件300的移动距离。
54.检测时，半导体器件在外力下半导体器件发生形变前后，晶体管电学性能的变化检测过程中，两个第一滚轴400和两个第二滚轴500之间的距离是单独可调的，通过调整滚轴之间的相对位置来改变晶圆701中器件的受力的位置和方向，通过调整距离d来改变施加外力的大小，使得样品产生不同程度的形变。半导体器件中晶体管的四个端口栅极、源极、漏极和衬底可以分别连接到pad
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g、pad
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s、pad
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d和pad
‑
b，利用导线将晶体管内源极、漏极和栅极pad相连接，通过这4个端口对晶体管施加电压激励信号，可以测量得半导体器件未受到外力作用时器件性能。
55.接着，对晶圆701表面上施加均匀纵向单轴应力，通过调整距离d来控制所施加单轴纵向应力的大小，由千分表600测量得出距离的改变量(δd)。在外力作用带有器件的晶圆701中器件内部的应力特性会发生改变，通过调整四个滚轴之间的相对位置能够改变器件受到应力的种类和大小，从而得出半导体器件在外力作用下内部应力特性的改变情况。对半导体器件施加应力后与初始状态器件性能比较，研究器件电学性能在应力作用下的改变情况。
56.本技术还提供了一种半导体器件的应力测量方法，根据所述应力测量装置，包括如下步骤：
57.调整两个所述第一滚轴400和两个所述第二滚轴500的相对位置；
58.将带有半导体器件的晶圆试样700放在所述第一滚轴400和所述第二滚轴500之间，并使所述晶圆试样700与所述第一平面和所述第二平面保持平行；
59.控制所述第一承接件200和/或所述第二承接件300移动，进而调整所述第一平面和所述第二平面之间的距离，利用所述第一滚轴400和所述第二滚轴500向所述晶圆试样700的两侧施加压力。
60.进一步的，所述晶圆试样700包括三个层叠设置的晶圆701，其中最顶层的所述晶圆701带有所述半导体器件。可以使用环氧树脂将有器件的晶圆701与二个完全相同的晶圆701粘合在一起作为晶圆试样700。
61.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。