制样方法、应力检测方法及一种待检测试样

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种制样方法、应力检测方法及一种待检测试样。

背景技术

三维芯片(3D-IC)技术中需要对键合(bonding)在一起的晶圆的界面键合程度进行各项力学性能评估，其中就包括对键合界面在剪切力作用下发生失效情况的研究。传统的剪切力实验主要有单剪实验、双剪实验、冲孔剪切实验、扭转实验等；其中单剪实验因样品制备简易、实验耗时短而更为高效便捷。

但在半导体制造技术领域，传统的单剪实验存在有实验成功率低、断后分析困难等诸多问题，极大地影响了对键合界面键合程度评估的可行性。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种制样方法、一种应力检测方法及一种待检测试样。

为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：

本申请实施例提供了一种制样方法，应用于应力检测实验，所述方法包括：

提供一半导体结构，所述半导体结构包括衬底以及位于所述衬底一侧的键合界面；

将所述半导体结构与一保持基底连接，形成连接结构；在所述连接结构中，所述衬底与所述保持基底分别位于所述键合界面的相对两侧；

根据预设尺寸要求，在所述连接结构中获取至少一部分作为待检测试样；所述键合界面的至少一部分形成为所述待检测试样中的待测键合界面；

其中，所述待检测试样中的保持基底部分用于在应力检测实验中承受保持力，以防止在所述待测键合界面承受测试应力时所述待检测试样发生移动；

所述保持基底部分为金属材质。

上述方案中，所述保持基底部分为非磁性金属材质。

上述方案中，所述应力检测实验中通过一载样基板固定所述保持基底部分，所述载样基板的材料包括第一金属；

所述保持基底部分的材料包括第二金属；

所述第二金属的韧性高于所述第一金属的韧性，所述第二金属的延展性低于所述第一金属的延展性。

上述方案中，所述保持基底部分的材料包括钛或钛合金。

本申请实施例还提供了一种应力检测方法，所述方法包括：

获得待检测试样，所述待检测试样采用如上述方案中任意一项所述的制样方法制备得到；

将所述待检测试样中的所述保持基底部分固定于载样基板中，使得所述待检测试样中的半导体结构部分暴露于所述载样基板表面；

施加测试应力于暴露的所述半导体结构部分的侧面，获取所述待测键合界面在所述测试应力作用下的界面信息。

上述方案中，将所述待检测试样的所述保持基底部分固定于载样基板中，具体包括：

通过热熔胶将所述保持基底部分粘结于所述载样基板中。

上述方案中，在获取所述待测键合界面在所述测试应力作用下的界面信息后，所述方法还包括：

通过加热所述热熔胶将所述待检测试样与所述载样基板分离。

本申请实施例还提供了一种待检测试样，应用于应力检测实验，包括：

半导体结构部分以及与所述半导体结构部分连接的保持基底部分；

所述半导体结构部分包括子衬底以及位于所述子衬底一侧的待测键合界面；所述子衬底与所述保持基底部分分别位于所述待测键合界面的相对两侧；

其中，所述保持基底部分用于在应力检测实验中承受保持力，以防止在所述待测键合界面承受测试应力时所述待检测试样发生移动；

所述保持基底部分为金属材质。

上述方案中，所述保持基底部分为非磁性金属材质。

上述方案中，所述应力检测实验中通过一载样基板固定所述保持基底部分，所述载样基板的材料包括第一金属；

所述保持基底部分的材料包括第二金属；

所述第二金属的韧性高于所述第一金属的韧性，所述第二金属的延展性低于所述第一金属的延展性。

上述方案中，所述保持基底部分的材料包括钛或钛合金。

本申请实施例所提供的制样方法、应力检测方法以及待检测试样，通过提供一半导体结构，所述半导体结构包括衬底以及位于所述衬底一侧的键合界面；将所述半导体结构与一保持基底连接，形成连接结构；在所述连接结构中，所述衬底与所述保持基底分别位于所述键合界面的相对两侧；根据预设尺寸要求，在所述连接结构中获取至少一部分作为待检测试样；所述键合界面的至少一部分形成为所述待检测试样中的待测键合界面；其中，所述待检测试样中的保持基底部分用于在应力检测实验中承受保持力，以防止在所述待测键合界面承受测试应力时所述待检测试样发生移动；所述保持基底部分为金属材质。如此，采用金属材质形成待检测试样中的保持基底部分，利用金属材质韧性强的特性，解决了应力检测实验过程中断裂总是发生在保持基底部分的问题，从而提高了实验成功率，有利于实现对键合界面键合程度的评估，并改善了评估的准确性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1为本申请实施例提供的制样方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的应力检测方法的流程示意图；

图3至图6为本申请实施例在制备待检测试样的过程中的主要工艺截面示意图；

图7至图10为本申请实施例在对待检测试样进行应力检测的过程中的主要工艺截面示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本申请的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。

当前，对半导体结构中的键合界面进行应力检测，需要将半导体结构与一保持基底连接，将连接后的半导体结构和保持基底一同制备成待检测试样；在应力检测实验的过程中，通过待检测试样中的保持基底部分对所述待检测试样进行固定，以便在半导体结构部分施加测试应力，从而实现对键合界面键合程度的评估。在半导体领域中，保持基底通常采用晶圆，具体例如采用硅片；然而，在测试应力逐渐增大的情况下，晶圆极易碎裂，这将对键合界面断裂时的界面信息的获取造成混扰，导致无法准确完成键合界面的应力检测，检测实验失败。

可见，制样情况是实验成功与否的关键，如何发展一种新的制样方法来改良应力检测实验的成功率十分重要。

基于此，本申请实施例首先提供了一种制样方法，应用于应力检测实验；图1为本申请实施例提供的制样方法的流程示意图，图3至图6为本申请实施例在制备待检测试样的过程中的主要工艺截面示意图。如图1、图3至图6所示，所述方法包括以下步骤：

步骤101，提供一半导体结构，所述半导体结构包括衬底以及位于所述衬底一侧的键合界面。

下面，结合图3进一步详细说明。提供半导体结构300，所述半导体结构300包括衬底30以及沿垂直于所述衬底30的方向依次叠置的第一膜层31、第二膜层32和第三膜层33。这里，仅以衬底上形成有三层膜层为例进行说明，应当理解，本申请并不限于此，衬底上可以形成有一层或多层膜层。

所述衬底30的材质可以包括至少一个单质半导体材料(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底)、至少一个III-V化合物半导体材料、至少一个II-VI化合物半导体材料、至少一个有机半导体材料或者在本领域已知的其他半导体材料。所述第一膜层31、所述第二膜层32和所述第三膜层33中至少之一可以为半导体材料层。

所述键合界面可以为所述衬底30、所述第一膜层31、所述第二膜层32和所述第三膜层33中任意相邻的两者之间的界面。以下以图3中第一膜层31和第二膜层32之间的界面为所述键合界面为例进行说明；在完成所述第一膜层31和所述第二膜层32的键合之后，得到如图3所示的结构。

步骤102，将所述半导体结构与一保持基底连接，形成连接结构；在所述连接结构中，所述衬底与所述保持基底分别位于所述键合界面的相对两侧。

这里，可以首先参考图4中的保持基底35。

在一些实施例中，所述保持基底为金属材质，即所述保持基底整体均为金属基底；具体例如为一金属薄片。在其它一些实施例中，所述保持基底中至少后续被形成为待检测试样中的部分为金属材质。在保持基底的材料选择上，具体可以选择非磁性金属，即不带有磁性的金属，以避免对应力检测实验的进行产生影响。在所述应力检测实验中，通常通过一载样基板固定所述保持基底部分，所述保持基底的材料可以选自韧性高于所述载样基板的材料的韧性且延展性低于所述载样基板的材料的延展性的金属材料。

在一具体实施例中，所述保持基底的材料选自韧性高于不锈钢材料的韧性且延展性低于不锈钢材料的延展性的金属材料。

在实际应用中，所述保持基底的材料例如包括钛或钛合金。

接下来，参考图5，将所述半导体结构300与所述保持基底35连接，形成连接结构；在所述连接结构中，所述衬底30与所述保持基底35分别位于所述键合界面的相对两侧。

这里，可以通过先将半导体结构300翻转，将所述衬底30朝上，将所述半导体结构300中远离所述衬底30的一面(如第三膜层33的表面)朝向所述保持基底35，从而与所述保持基底35进行连接。

所述半导体结构300与所述保持基底35之间可以通过粘附层34连接在一起，以便于后续对所述待检测试样进行转移和固定，也便于后续向所述待测键合界面处施加测试应力。所述粘附层34的材料例如为环氧树脂。

步骤103，根据预设尺寸要求，在所述连接结构中获取至少一部分作为待检测试样；所述键合界面的至少一部分形成为所述待检测试样中的待测键合界面；

其中，所述待检测试样中的保持基底部分用于在应力检测实验中承受保持力，以防止在所述待测键合界面承受测试应力时所述待检测试样发生移动；所述保持基底部分为金属材质。

所述预设尺寸要求具体可以为应力检测实验的尺寸要求，例如在应力检测实验中所用的载样基板上具有用于固定所述待检测试样的凹槽，根据所述凹槽的尺寸确定所述预设尺寸要求，以使所述待检测试样能够固定于所述凹槽内。

请参考图6，图6中第一待检测试样361为图5中所述连接结构的至少一部分，下面以所述第一待检测试样361为例介绍所述待检测试样。所述待检测试样包括半导体结构部分3001以及与所述半导体结构部分3001连接的保持基底部分351；所述半导体结构部分3001为所述半导体结构300的至少一部分，具体包括子衬底301以及沿垂直于所述子衬底301的方向依次叠置的第一子膜层311、第二子膜层321和第三子膜层331；其中，所述键合界面的至少一部分形成为所述待检测试样中的待测键合界面；所述保持基底部分351为所述保持基底35的至少一部分；所述半导体结构部分3001与所述保持基底部分351之间通过子粘附层341连接，所述子粘附层341为粘附层34的至少一部分。因此，在所述待检测试样中，所述子衬底301与所述保持基底部分351分别位于所述待测键合界面的相对两侧。

在一具体实施例中，所述待检测试样通过沿垂直于所述衬底30的方向切割所述连接结构而形成。沿垂直于所述衬底30的方向切割所述连接结构的具体方法可以是但不限于线切割，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

另外，切割所述连接结构的过程中，可以获得一个或多个所述待检测试样；并且在获得多个所述待检测试样的情况下，所述切割可以是均等切割，也可以是不均等切割，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，例如根据键合界面检测的要求。切割得到的每一所述待检测试样的尺寸，本领域技术人员也可以根据实际需要进行设置，例如根据后续应力检测实验中所采用的应力施加装置所能施加的测试应力的范围等因素进行设置。

图7中示出了将整个所述连接结构分割为五个所述待检测试样36，即第一待检测试样361、第二待检测试样362、第三待检测试样363、第四待检测试样364和第五待检测试样365。分割后的每一所述待检测试样的具体结构可以参考上述第一待检测试样361。所述第一膜层31与第二膜层32之间的所述键合界面被分割为5个所述待测键合界面。

所述待检测试样36例如为长方体；在平行子衬底方向上，所述待检测试样36的截面例如为正方形。

通过将所述连接结构进行切割形成多个所述待检测试样，后续可以选择性的对多个所述待检测试样中的一个特定待检测试样、多个所述待检测试样或者所有的所述待检测试样进行应力的分析，从而确定所述半导体结构的所述键合界面中一个特定区域、多个特定区域或者整体的键合强度分布情况。

当然，本申请实施例也不排除所述连接结构本身满足预设尺寸要求，从而将所述连接结构作为待检测试样的情况，即获取所述连接结构的至少一部分作为待检测试样不仅包括获取所述连接结构的一部分，也包括获取所述连接结构的整体。

应当理解，所述待检测试样中的所述半导体结构部分为待测的样品部分，而与所述半导体结构部分连接的所述保持基底部分实际上是为了方便对样品部分进行转移和固定而形成的。具体地，所述保持基底部分用于在应力检测实验中承受保持力，以防止在所述待测键合界面承受测试应力时所述待检测试样发生移动。在本申请实施例中，所述保持基底部分为金属材质；具体可以为非磁性金属材质。如果后续应力检测实验中使用的载样基板的材料包括第一金属，那么所述保持基底部分的材料包括第二金属，并且，所述第二金属的韧性高于所述第一金属的韧性，所述第二金属的延展性低于所述第一金属的延展性。在一具体实施例中，所述载样基板的材料为不锈钢，所述保持基底部分的材料选自韧性高于不锈钢材料的韧性且延展性低于不锈钢材料的延展性的金属材料。

在实际应用中，所述保持基底部分的材料例如包括钛或钛合金。

在本申请实施例中，所述保持基底可以整体为金属材质，并满足上述材料选自要求；所述保持基底中也可以仅形成为待检测试样中的所述保持基底部分为金属材质，并满足上述材料选自要求。

本申请实施例采用金属材质形成待检测试样中的保持基底部分，利用金属材质韧性强的特性，解决了应力检测实验过程中断裂总是发生在保持基底部分的问题，从而提高了实验成功率，有利于实现对键合界面键合程度的评估，并改善了评估的准确性。

所述制样方法应用于应力检测实验。在应力检测实验中，所述待测键合界面承受测试应力，具体可以为在所述半导体结构部分的侧面施加测试应力从而使所述测试应力作用在所述待测键合界面上，在这一过程中，所述保持基底部分承受保持力，以防止在所述待检测试样发生移动；应当理解，所述保持力与所述测试应力的方向相反，所述应力检测实验具体为剪切力(Shear force)检测实验。具体地，剪切是在一对相距很近、大小相同、指向相反的横向外力(即垂直于作用面的力)作用下，材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象；能够使材料产生剪切变形的力称为剪切力。

本申请实施例还提供了一种应力检测方法，图2为本申请实施例提供的应力检测方法的流程示意图，图7至图10为本申请实施例在对待检测试样进行应力检测的过程中的主要工艺截面示意图。如图2、图7至图10所示，所述方法包括以下步骤：

步骤201，获得待检测试样，所述待检测试样采用上述任一实施例所述的制样方法制备得到。

这里，所述待检测试样可以参考图6中的第一待检测试样361，也可以参考图7中的五个所述待检测试样36，即第一待检测试样361、第二待检测试样362、第三待检测试样363、第四待检测试样364和第五待检测试样365。

步骤202，将所述待检测试样中的所述保持基底部分固定于载样基板中，使得所述待检测试样中的半导体结构部分暴露于所述载样基板表面。

如图8所示，提供一载样基板40，所述载样基板40的材料例如为不锈钢；所述载样基板40中具有多个用于固定所述待检测试样的凹槽。将所述待检测试样中的所述保持基底部分351固定于载样基板40的凹槽中，使得所述待检测试样中的半导体结构部分3001暴露于所述载样基板40表面。可选的，所述待检测试样的尺寸等于或略小于所述凹槽的尺寸。

应当理解，所述待检测试样中的半导体结构部分暴露于所述载样基板表面，至少包括所述待测键合界面暴露于所述载样基板表面。

将所述待检测试样36(具体可参考图中第一待检测试样361)的所述保持基底部分351固定于载样基板40中的步骤，具体可以包括：通过热熔胶37将所述保持基底部分351粘结于所述载样基板40中。在实际工艺中，利用热熔胶将切割好的待检测试样的保持基底部分垂直“栽种”于带有凹槽的载样基板中。

在包括多个待检测试样36(具体可参考图中第一待检测试样361、第二待检测试样362、第三待检测试样363、第四待检测试样364和第五待检测试样365)的实施例中，一一固定多个所述待检测试样于多个所述凹槽内；并且，具体可以包括：一一粘结多个所述保持基底部分于多个所述凹槽内。本实施例可以将得到的多个所述待检测试样同时固定于所述载样基板中，以便于同时对多个所述待检测试样进行应力检测实验，从而能够对所述半导体结构的所述键合界面中多个位置的键合强度进行对比分析，实现检测效率的提高。

这里，应当说明的是，在相关技术中，通常采用环氧树脂将所述保持基底部分粘结于载样基板中，即保持基底部分与载样基板之间的粘合剂和半导体结构与所述保持基底之间的粘附层的材料选择相同。然而，采用环氧树脂粘合保持基底部分与载样基板时，容易造成待检测试样难以从载样基板的凹槽中去除，导致断后分析困难；不仅如此，还会造成实验结束后载样基板难以清理，粘合剂残留，给载样基板的重复使用造成了麻烦。而本申请实施例中，与保持基底部分为金属材质相配合，所述保持基底部分与载样基板之间的粘合剂采用热熔胶，方便对待检测试样的取出，并且实验结束后载样基板容易清理。

图8仅示出了热熔胶37位于所述保持基底部分351的下表面、即仅位于凹槽底壁的情况，然而在实际应用中，可以在凹槽的整个内壁涂布热熔胶37，即热熔胶37位于保持基底部分351和载样基板40的所有接触部分之间，从而进一步避免后续在施加测试应力的过程中所述待检测试样出现晃动，确保应力检测实验的顺利进行。

步骤203，施加测试应力于暴露的所述半导体结构部分的侧面，获取所述待测键合界面在所述测试应力作用下的界面信息。

获取所述待测键合界面在所述测试应力作用下的界面信息的具体步骤包括：依次施加逐渐增大的多个所述测试应力于一暴露的所述半导体结构部分的侧面，直至所述待测键合界面失效，并以所述待测键合界面失效时所对应的测试应力作为目标应力。

在包括多个所述待检测试样的实施例中，分别获取与多个所述待测键合界面一一对应的多个所述目标测试应力；根据多个所述目标测试应力获取所述键合界面中多个区域的键合强度。

图9中的箭头方向表示施加的所述测试应力的方向。具体来说，可以预先设置多个测试应力值，或者预先设置测试应力的递增步长，按照从小到大的顺序依次施加于所述半导体结构部分的侧面，直至所述待测键合界面失效。在本申请实施例中，所述待测键合界面失效是指，所述第一子膜层311与第二子膜层321分离，如图10中的第五待检测试样365所示。

在获取所述待测键合界面在所述测试应力作用下的界面信息后，所述方法还可以包括：通过加热所述热熔胶将所述待检测试样与所述载样基板分离。

此外，所述方法还可以包括：对所述载样基板的清理；具体地，例如使用丙酮对所述载样基板进行浸泡，并水洗吹干。

此外，本申请实施例还提供了一种待检测试样，应用于应力检测实验，具体可以参考图6，所述待检测试样包括：

半导体结构部分3001以及与所述半导体结构部分3001连接的保持基底部分351；

所述半导体结构部分3001包括子衬底301以及位于所述子衬底301一侧的待测键合界面；所述子衬底301与所述保持基底部分351分别位于所述待测键合界面的相对两侧；

其中，所述保持基底部分351用于在应力检测实验中承受保持力，以防止在所述待测键合界面承受测试应力时所述待检测试样发生移动；

所述保持基底部分为金属材质。

具体地，所述保持基底部分可以为非磁性金属材质。所述应力检测实验中通过一载样基板固定所述保持基底部分，所述载样基板的材料包括第一金属；所述保持基底部分的材料包括第二金属；所述第二金属的韧性高于所述第一金属的韧性，所述第二金属的延展性低于所述第一金属的延展性。

在一具体实施例中，所述保持基底部分的材料选自韧性高于不锈钢材料的韧性且延展性低于不锈钢材料的延展性的金属材料。

在实际应用中，所述保持基底部分的材料包括钛或钛合金。

本实施例提供的待检测试样，保持基底部分为金属材质，利用金属材质韧性强的特性，解决了应力检测实验过程中断裂总是发生在保持基底部分的问题，从而提高了实验成功率，有利于实现对键合界面键合程度的评估，并改善了评估的准确性。

需要说明的是，本申请提供的待检测试样实施例与制样方法实施例以及应力检测方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。