玻璃通孔(TGV)及其可靠性測(cè)試

高度工程化的玻璃作為微電子基板材料的優(yōu)勢(shì)已被廣泛研究和報(bào)道。隨著電子行業(yè)不斷追求更高的信號(hào)頻率和更細(xì)的線寬，玻璃提供了一種具有優(yōu)良尺寸控制和低損耗特性的基板材料。顯示技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)建立了成熟的大規(guī)模玻璃成型工藝，這使得能夠以設(shè)計(jì)好的厚度和面板尺寸生產(chǎn)玻璃基板，并通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低成本。玻璃基板的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了設(shè)計(jì)玻璃熱機(jī)械性能的先進(jìn)技術(shù)，其中一個(gè)備受關(guān)注的應(yīng)用是將玻璃用作中間層，利用其熱膨脹系數(shù)（CTE）來控制翹曲并提高由不同CTE材料組成的多層結(jié)構(gòu)的可靠性。

例如，玻璃中間層的CTE可以與硅（Si）的CTE相匹配（3 ppm/°C），或者介于硅和層壓基板（如FR-4）之間（13 ppm/°C）。除了玻璃材料本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，通過采用高質(zhì)量的玻璃成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)（如面板成型）以及生產(chǎn)厚度低至100微米的玻璃，從而減少或消除加工成本，也為制造玻璃中間體的成本效益提供了重要機(jī)會(huì)。這一點(diǎn)，以及過去幾年在玻璃盲孔和通孔制造方面取得的顯著進(jìn)展，已經(jīng)被相關(guān)文獻(xiàn)所報(bào)道。

調(diào)整玻璃基板的CTE是通過改變其化學(xué)成分來實(shí)現(xiàn)的，因此，了解不同條件下玻璃成分如何影響電氣和可靠性性能是非常有意義的。一些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)道了銅重分布線（RDL）在不同類型玻璃上的電遷移現(xiàn)象，以及使用阻擋層防止移動(dòng)性堿離子擴(kuò)散到鈉鈣玻璃上制作的薄膜晶體管中。Demir等人研究了兩種CTE分別為3 ppm/°C和8 ppm/°C的聚合物夾層玻璃中未填充銅通過玻璃孔（TGV）的熱循環(huán)可靠性，以及在低CTE玻璃中未填充TGV的偏置高加速應(yīng)力測(cè)試（HAST）和裸玻璃中TGV的熱循環(huán)。

在本研究中，我們報(bào)告了工程玻璃可靠性的兩個(gè)重要方面，以及玻璃成分變化如何影響玻璃中間結(jié)構(gòu)的可靠性。首先，我們研究了在熱循環(huán)測(cè)試中，銅與不同玻璃襯底之間CTE失配的變化對(duì)全填充銅TGVs可靠性的影響。測(cè)試結(jié)構(gòu)基于一個(gè)輕薄的裸玻璃中間層，具有35 μm x 120 μm的全銅填充TGV。其次，我們研究了在HAST測(cè)試中，玻璃上的電壓偏置應(yīng)力對(duì)銅線的可靠性的影響，這涉及到玻璃化學(xué)成分的改性及其與銅金屬化的兼容性。

熱循環(huán)測(cè)試是用來評(píng)估通過玻璃孔（TGV）填充銅（Cu）的薄玻璃中間層的長(zhǎng)期可靠性。這些玻璃中間層的制造采用了標(biāo)準(zhǔn)的后端線（BEOL）制造工具，且無需對(duì)設(shè)備晶圓處理進(jìn)行重大修改以適應(yīng)玻璃晶圓。為了測(cè)試玻璃的熱膨脹系數(shù)（CTE）對(duì)玻璃中間層長(zhǎng)期可靠性的影響，我們?cè)谥圃爝^程中使用了兩種不同CTE（3 ppm/°C和8 ppm/°C）的150毫米玻璃晶圓。

我們采用35 μm x 125 μm的盲TGV濺射法制備了全厚150毫米的玻璃晶圓，并在晶圓表面鍍上了一層薄薄的鈦（Ti）和銅（Cu）。在進(jìn)行金屬化之前，TGV中沒有沉積阻擋層或額外的介電層。利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)制備了高保形銅種子層，為TGV電鍍做準(zhǔn)備。種子層的名義厚度為0.75微米，且在整個(gè)TGV中均勻分布。通過電鍍Cu來充分填充TGV，并使用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）去除覆蓋層。利用高分辨率X射線成像驗(yàn)證了TGV中Cu填充物的無空洞性。為了形成TGV測(cè)試結(jié)構(gòu)，在玻璃薄片的兩側(cè)鍍上了Cu布線層。這些布線層是在濺射Ti/Cu種子層上電鍍的，且玻璃基板上沒有屏障覆蓋。薄晶圓的處理使用了3M的晶圓支撐系統(tǒng)（WSS）來完成。

圖1 由20×20個(gè)TGV組成的陣列，這些TGV以100微米的間距排列，形成了TGV菊花鏈測(cè)試結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖像

圖像中的上層金屬環(huán)呈現(xiàn)銅色，而背面的環(huán)則呈現(xiàn)白色

表1 在100微米間距上，20×20個(gè)TGV陣列的兩線電連續(xù)性測(cè)試結(jié)果

在初始測(cè)試完成后，從每種玻璃基板中選取了8個(gè)額外的測(cè)試陣列，這些陣列的初始TGV陣列收率為100%。隨后，這些陣列經(jīng)歷了熱循環(huán)測(cè)試，測(cè)試包括從-40°C至125°C的1000個(gè)循環(huán)，遵循JEDEC JESD22-A104標(biāo)準(zhǔn)中的條件G，每個(gè)極端溫度的循環(huán)時(shí)間為1小時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間為15分鐘。在500個(gè)循環(huán)和1000個(gè)循環(huán)的中間測(cè)試點(diǎn)也進(jìn)行了電氣測(cè)試。在0次、500次和1000次循環(huán)后的電氣測(cè)試結(jié)果記錄在表2中。

表2 在100微米間距上，8個(gè)已知良好的20×20個(gè)TGV陣列在熱循環(huán)測(cè)試前后的兩線電連續(xù)性測(cè)試結(jié)果

圖2 經(jīng)過1000次熱循環(huán)后的SGW3玻璃中間層試驗(yàn)車的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像

測(cè)量結(jié)果表明，TGV在晶圓背面的直徑介于17到19微米，而正面直徑為35微米

圖3 1000次熱循環(huán)后SGW8玻璃中間層試驗(yàn)車的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像

圖4 SGW8基板上TGV與頂部金屬布線層界面的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

經(jīng)過1000次熱循環(huán)后，在SGW3或SGW8基板上該界面沒有觀察到分離或玻璃角落開裂的現(xiàn)象

為了研究銅（Cu）互連與不同化學(xué)性質(zhì)玻璃基板的兼容性和可靠性，我們?cè)诓煌ＡЩ迳现苽淞算~測(cè)試結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了有偏置的高加速應(yīng)力測(cè)試（HAST）。

在不同成分的100毫米玻璃晶片和硅對(duì)照晶片上，制作了由交叉銅線構(gòu)成的測(cè)試結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)用于進(jìn)行有偏置的HAST實(shí)驗(yàn)。每個(gè)晶圓設(shè)有六個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)包含400個(gè)銅指，線寬/間距為10微米，每個(gè)電極的銅指之間有9毫米的重疊區(qū)域。表3詳細(xì)列出了用于HAST實(shí)驗(yàn)的不同基底材料。硅晶片上形成了3千埃（k?）的二氧化硅熱氧化層。部分SGW8玻璃晶圓上涂覆了1微米的氮化硅層，作為阻擋這種玻璃中堿離子的屏障層[2]。氮化硅采用硅烷等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)，在200°C下沉積。SGW3玻璃和熔融硅片沒有被氮化硅鈍化。

圖5交叉測(cè)試結(jié)構(gòu)，如圖a）以圖表形式和圖b）在100毫米玻璃晶圓上的實(shí)際外觀

表3用于選擇性偏置HAST測(cè)試的不同玻璃和硅襯底與銅交叉指狀測(cè)試結(jié)構(gòu)（Cu IDTs）

圖6 在不同成分的硅和玻璃襯底上制作的銅交叉指狀測(cè)試結(jié)構(gòu)(Cu IDTs)，在經(jīng)過96小時(shí)偏置高加速應(yīng)力測(cè)試(HAST)前后的電阻變化曲線圖

根據(jù)JESD22-A110-B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，HAST測(cè)試箱的條件設(shè)定為130℃、85%相對(duì)濕度（RH），測(cè)試持續(xù)時(shí)間為96小時(shí)。在測(cè)試過程中，對(duì)測(cè)試點(diǎn)電極施加了5V的直流偏壓。每個(gè)晶圓上至少有一個(gè)交叉指狀測(cè)試結(jié)構(gòu)（IDT）點(diǎn)未施加偏壓，以便將高溫高濕環(huán)境的影響與電壓偏置應(yīng)力加上高溫高濕環(huán)境的綜合影響進(jìn)行區(qū)分。這些未加偏壓的測(cè)試點(diǎn)在HAST測(cè)試前后的泄漏電流平均值中并未被計(jì)入。

完成HAST測(cè)試后，使用相同的測(cè)試條件對(duì)晶圓進(jìn)行了再次電氣測(cè)試，以檢測(cè)通過交叉指狀結(jié)構(gòu)的泄漏電流。圖6展示了每種基板類型在經(jīng)過96小時(shí)偏置HAST測(cè)試前后的平均電阻變化匯總圖表。對(duì)于硅對(duì)照晶片、熔融二氧化硅、SGW3玻璃以及涂有Si3N4阻擋層的SGW8玻璃，測(cè)試前后的結(jié)果幾乎沒有變化。然而，在未涂覆阻擋層的SGW8晶圓上，所有IDT的電阻都顯著下降。在5V偏壓下未鈍化的SGW8玻璃晶圓的測(cè)試部位，通過光學(xué)顯微鏡觀察到有白色物質(zhì)生成。同一基板類型的未受偏壓的測(cè)試點(diǎn)沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。其他基板在經(jīng)過HAST后也未表現(xiàn)出這種外觀變化。從四種不同玻璃基板上獲取的樣本圖像如圖7所示。

為了確定在未涂覆阻擋層的SGW8玻璃上觀察到的白色物質(zhì)的化學(xué)成分，從每種晶圓類型的樣品上垂直于Cu線切割，使用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行成像，并采用能量色散X射線光譜（EDS）進(jìn)行化學(xué)分析。由于樣品是通過切割制備的，Cu線由于其延展性似乎與周圍的BCB電介質(zhì)分離。SGW3的SEM圖像如圖8所示。在這種基板類型上，大塊基板材料與Cu線附近或手指之間BCB/玻璃界面的區(qū)域之間沒有檢測(cè)到玻璃成分的差異。具體來說，在相鄰的Cu線之間沒有觀察到Cu的存在。

圖7 在經(jīng)過偏置HAST測(cè)試后，不同基板上10微米線寬/間距銅交叉指狀測(cè)試結(jié)構(gòu)(Cu IDTs)的光學(xué)顯微鏡照片

具體包括：a)未涂覆Si3N4阻擋層的SGW8玻璃，b)涂覆有Si3N4阻擋層的SGW8玻璃，c)SGW3玻璃，以及d)熔融二氧化硅

然而，在SGW8基板上，能量色散X射線光譜（EDS）檢測(cè)發(fā)現(xiàn)白色物質(zhì)中存在銅（Cu），這可以通過光學(xué)顯微鏡檢查銅布線之間的空間來觀察。圖9展示了從沒有氮化硅（Si3N4）阻擋層的SGW8樣品中獲取的兩個(gè)掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。從靠近銅污染區(qū)域的玻璃上采集的EDS光譜顯示，銅不僅沿著界面遷移，而且深入到玻璃材料中。這一點(diǎn)也可以從靠近銅顆粒的玻璃的顏色和外觀的細(xì)微變化中推斷出來。對(duì)于涂覆有Si3N4阻擋層的SGW8基板，對(duì)其進(jìn)行了類似的分析，如圖10所示的SEM圖像中，沒有發(fā)現(xiàn)Cu指之間有銅遷移的跡象。這些SEM和EDS觀察結(jié)果與泄漏電流的測(cè)量結(jié)果一致，表明銅的遷移可能是導(dǎo)致未涂覆Si3N4阻擋層的SGW8基板上IDT手指之間出現(xiàn)泄漏路徑的原因。

圖8經(jīng)過偏置HAST處理的SGW3基板上的銅交叉指狀測(cè)試結(jié)構(gòu)(Cu IDT)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像

在手指之間的BCB（苯環(huán)丁烯）/玻璃界面上沒有觀察到污染

圖9 經(jīng)過偏置HAST處理后，在未涂覆SiN（氮化硅）阻擋層的SGW8基板上的銅交叉指狀測(cè)試結(jié)構(gòu)(Cu IDT)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像

在手指間的BCB(苯并環(huán)丁烯(/玻璃界面處檢測(cè)到了銅(Cu)污染

圖10在涂覆有1微米SiN(氮化硅)阻擋層的SGW8基板上，經(jīng)過偏置HAST處理后的銅交叉指狀測(cè)試結(jié)構(gòu)(Cu IDT)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像

能譜分析顯示，在手指間的BCB(苯并環(huán)丁烯)/玻璃界面未檢測(cè)到銅(Cu)的存在

偏置HAST和熱循環(huán)測(cè)試被用來評(píng)估工程玻璃在中間層應(yīng)用中的可靠性兩個(gè)關(guān)鍵方面。首先，通過在-40°C至125°C的1000次熱循環(huán)，驗(yàn)證了SGW3和SGW8基板上銅填充的TGVs的可靠性。使用20×20排列的35 μm×120 μm TGV陣列，以菊花鏈的形式，測(cè)試了熱循環(huán)前后的電連續(xù)性和電阻。熱循環(huán)后，在兩種基板上測(cè)試的所有TGV陣列均顯示連續(xù)性，沒有觀察到TGV或布線金屬的失效。對(duì)兩種類型基板上制備的TGV陣列進(jìn)行了截面樣品制備，并進(jìn)行了掃描電子顯微鏡成像。盡管銅和玻璃基板之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，但在TGV附近沒有觀察到玻璃開裂或布線金屬抬起的現(xiàn)象。

在可靠性測(cè)試的第二部分，采用偏置HAST方法研究了銅布線金屬與不同類型玻璃基板的兼容性。在SGW3、SGW8、帶有1 μm Si3N4阻擋層的SGW8、熔融二氧化硅以及帶有3k?熱氧化物的硅晶片上，制備了線距為10 μm的Cu IDTs。在經(jīng)過96小時(shí)偏置HAST測(cè)試之前和之后對(duì)IDTs進(jìn)行的漏電流測(cè)量顯示，只有未涂覆阻擋層的SGW8基板上的電阻出現(xiàn)了大幅下降。在其他基板上，包括SGW3玻璃，在HAST之后沒有觀察到泄漏電流的顯著變化。通過光學(xué)檢測(cè)結(jié)合SEM/EDS分析，確定了銅沿著SGW8玻璃基板頂表面的遷移是導(dǎo)致泄漏路徑的原因。氮化硅層提供了有效的屏障，防止了導(dǎo)致Cu遷移的機(jī)制。因此，在銅金屬化（無論是表面布線金屬還是TGV）和用于高CTE的玻璃基板之間應(yīng)該使用阻擋層。

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