玻璃通孔(TGV)及其可靠性测试

高度工程化的玻璃作为微电子基板材料的优势已被广泛研究和报道。随着电子行业不断追求更高的信号频率和更细的线宽，玻璃提供了一种具有优良尺寸控制和低损耗特性的基板材料。显示技术的发展已经建立了成熟的大规模玻璃成型工艺，这使得能够以设计好的厚度和面板尺寸生产玻璃基板，并通过规模经济降低成本。玻璃基板的广泛应用也促进了设计玻璃热机械性能的先进技术，其中一个备受关注的应用是将玻璃用作中间层，利用其热膨胀系数（CTE）来控制翘曲并提高由不同CTE材料组成的多层结构的可靠性。

例如，玻璃中间层的CTE可以与硅（Si）的CTE相匹配（3 ppm/°C），或者介于硅和层压基板（如FR-4）之间（13 ppm/°C）。除了玻璃材料本身的技术优势外，通过采用高质量的玻璃成型技术实现规模经济（如面板成型）以及生产厚度低至100微米的玻璃，从而减少或消除加工成本，也为制造玻璃中间体的成本效益提供了重要机会。这一点，以及过去几年在玻璃盲孔和通孔制造方面取得的显著进展，已经被相关文献所报道。

调整玻璃基板的CTE是通过改变其化学成分来实现的，因此，了解不同条件下玻璃成分如何影响电气和可靠性性能是非常有意义的。一些研究团队已经报道了铜重分布线（RDL）在不同类型玻璃上的电迁移现象，以及使用阻挡层防止移动性碱离子扩散到钠钙玻璃上制作的薄膜晶体管中。Demir等人研究了两种CTE分别为3 ppm/°C和8 ppm/°C的聚合物夹层玻璃中未填充铜通过玻璃孔（TGV）的热循环可靠性，以及在低CTE玻璃中未填充TGV的偏置高加速应力测试（HAST）和裸玻璃中TGV的热循环。

在本研究中，我们报告了工程玻璃可靠性的两个重要方面，以及玻璃成分变化如何影响玻璃中间结构的可靠性。首先，我们研究了在热循环测试中，铜与不同玻璃衬底之间CTE失配的变化对全填充铜TGVs可靠性的影响。测试结构基于一个轻薄的裸玻璃中间层，具有35 μm x 120 μm的全铜填充TGV。其次，我们研究了在HAST测试中，玻璃上的电压偏置应力对铜线的可靠性的影响，这涉及到玻璃化学成分的改性及其与铜金属化的兼容性。

热循环测试是用来评估通过玻璃孔（TGV）填充铜（Cu）的薄玻璃中间层的长期可靠性。这些玻璃中间层的制造采用了标准的后端线（BEOL）制造工具，且无需对设备晶圆处理进行重大修改以适应玻璃晶圆。为了测试玻璃的热膨胀系数（CTE）对玻璃中间层长期可靠性的影响，我们在制造过程中使用了两种不同CTE（3 ppm/°C和8 ppm/°C）的150毫米玻璃晶圆。

我们采用35 μm x 125 μm的盲TGV溅射法制备了全厚150毫米的玻璃晶圆，并在晶圆表面镀上了一层薄薄的钛（Ti）和铜（Cu）。在进行金属化之前，TGV中没有沉积阻挡层或额外的介电层。利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备了高保形铜种子层，为TGV电镀做准备。种子层的名义厚度为0.75微米，且在整个TGV中均匀分布。通过电镀Cu来充分填充TGV，并使用化学机械抛光（CMP）去除覆盖层。利用高分辨率X射线成像验证了TGV中Cu填充物的无空洞性。为了形成TGV测试结构，在玻璃薄片的两侧镀上了Cu布线层。这些布线层是在溅射Ti/Cu种子层上电镀的，且玻璃基板上没有屏障覆盖。薄晶圆的处理使用了3M的晶圆支撑系统（WSS）来完成。

图1 由20×20个TGV组成的阵列，这些TGV以100微米的间距排列，形成了TGV菊花链测试结构的光学显微镜图像

图像中的上层金属环呈现铜色，而背面的环则呈现白色

表1 在100微米间距上，20×20个TGV阵列的两线电连续性测试结果

在初始测试完成后，从每种玻璃基板中选取了8个额外的测试阵列，这些阵列的初始TGV阵列收率为100%。随后，这些阵列经历了热循环测试，测试包括从-40°C至125°C的1000个循环，遵循JEDEC JESD22-A104标准中的条件G，每个极端温度的循环时间为1小时，稳定时间为15分钟。在500个循环和1000个循环的中间测试点也进行了电气测试。在0次、500次和1000次循环后的电气测试结果记录在表2中。

表2 在100微米间距上，8个已知良好的20×20个TGV阵列在热循环测试前后的两线电连续性测试结果

图2 经过1000次热循环后的SGW3玻璃中间层试验车的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像

测量结果表明，TGV在晶圆背面的直径介于17到19微米，而正面直径为35微米

图3 1000次热循环后SGW8玻璃中间层试验车的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像

图4 SGW8基板上TGV与顶部金属布线层界面的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像

经过1000次热循环后，在SGW3或SGW8基板上该界面没有观察到分离或玻璃角落开裂的现象

为了研究铜（Cu）互连与不同化学性质玻璃基板的兼容性和可靠性，我们在不同玻璃基板上制备了铜测试结构，并进行了有偏置的高加速应力测试（HAST）。

在不同成分的100毫米玻璃晶片和硅对照晶片上，制作了由交叉铜线构成的测试结构。这些结构用于进行有偏置的HAST实验。每个晶圆设有六个测试点，每个测试点包含400个铜指，线宽/间距为10微米，每个电极的铜指之间有9毫米的重叠区域。表3详细列出了用于HAST实验的不同基底材料。硅晶片上形成了3千埃（kÅ）的二氧化硅热氧化层。部分SGW8玻璃晶圆上涂覆了1微米的氮化硅层，作为阻挡这种玻璃中碱离子的屏障层[2]。氮化硅采用硅烷等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在200°C下沉积。SGW3玻璃和熔融硅片没有被氮化硅钝化。

图5交叉测试结构，如图a）以图表形式和图b）在100毫米玻璃晶圆上的实际外观

表3用于选择性偏置HAST测试的不同玻璃和硅衬底与铜交叉指状测试结构（Cu IDTs）

图6 在不同成分的硅和玻璃衬底上制作的铜交叉指状测试结构(Cu IDTs)，在经过96小时偏置高加速应力测试(HAST)前后的电阻变化曲线图

根据JESD22-A110-B标准进行测试，HAST测试箱的条件设定为130℃、85%相对湿度（RH），测试持续时间为96小时。在测试过程中，对测试点电极施加了5V的直流偏压。每个晶圆上至少有一个交叉指状测试结构（IDT）点未施加偏压，以便将高温高湿环境的影响与电压偏置应力加上高温高湿环境的综合影响进行区分。这些未加偏压的测试点在HAST测试前后的泄漏电流平均值中并未被计入。

完成HAST测试后，使用相同的测试条件对晶圆进行了再次电气测试，以检测通过交叉指状结构的泄漏电流。图6展示了每种基板类型在经过96小时偏置HAST测试前后的平均电阻变化汇总图表。对于硅对照晶片、熔融二氧化硅、SGW3玻璃以及涂有Si3N4阻挡层的SGW8玻璃，测试前后的结果几乎没有变化。然而，在未涂覆阻挡层的SGW8晶圆上，所有IDT的电阻都显著下降。在5V偏压下未钝化的SGW8玻璃晶圆的测试部位，通过光学显微镜观察到有白色物质生成。同一基板类型的未受偏压的测试点没有出现这种现象。其他基板在经过HAST后也未表现出这种外观变化。从四种不同玻璃基板上获取的样本图像如图7所示。

为了确定在未涂覆阻挡层的SGW8玻璃上观察到的白色物质的化学成分，从每种晶圆类型的样品上垂直于Cu线切割，使用扫描电子显微镜（SEM）进行成像，并采用能量色散X射线光谱（EDS）进行化学分析。由于样品是通过切割制备的，Cu线由于其延展性似乎与周围的BCB电介质分离。SGW3的SEM图像如图8所示。在这种基板类型上，大块基板材料与Cu线附近或手指之间BCB/玻璃界面的区域之间没有检测到玻璃成分的差异。具体来说，在相邻的Cu线之间没有观察到Cu的存在。

图7 在经过偏置HAST测试后，不同基板上10微米线宽/间距铜交叉指状测试结构(Cu IDTs)的光学显微镜照片

具体包括：a)未涂覆Si3N4阻挡层的SGW8玻璃，b)涂覆有Si3N4阻挡层的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射线光谱（EDS）检测发现白色物质中存在铜（Cu），这可以通过光学显微镜检查铜布线之间的空间来观察。图9展示了从没有氮化硅（Si3N4）阻挡层的SGW8样品中获取的两个扫描电子显微镜（SEM）图像。从靠近铜污染区域的玻璃上采集的EDS光谱显示，铜不仅沿着界面迁移，而且深入到玻璃材料中。这一点也可以从靠近铜颗粒的玻璃的颜色和外观的细微变化中推断出来。对于涂覆有Si3N4阻挡层的SGW8基板，对其进行了类似的分析，如图10所示的SEM图像中，没有发现Cu指之间有铜迁移的迹象。这些SEM和EDS观察结果与泄漏电流的测量结果一致，表明铜的迁移可能是导致未涂覆Si3N4阻挡层的SGW8基板上IDT手指之间出现泄漏路径的原因。

图8经过偏置HAST处理的SGW3基板上的铜交叉指状测试结构(Cu IDT)的扫描电子显微镜(SEM)图像

在手指之间的BCB（苯环丁烯）/玻璃界面上没有观察到污染

图9 经过偏置HAST处理后，在未涂覆SiN（氮化硅）阻挡层的SGW8基板上的铜交叉指状测试结构(Cu IDT)的扫描电子显微镜(SEM)图像

在手指间的BCB(苯并环丁烯(/玻璃界面处检测到了铜(Cu)污染

图10在涂覆有1微米SiN(氮化硅)阻挡层的SGW8基板上，经过偏置HAST处理后的铜交叉指状测试结构(Cu IDT)的扫描电子显微镜(SEM)图像

能谱分析显示，在手指间的BCB(苯并环丁烯)/玻璃界面未检测到铜(Cu)的存在

偏置HAST和热循环测试被用来评估工程玻璃在中间层应用中的可靠性两个关键方面。首先，通过在-40°C至125°C的1000次热循环，验证了SGW3和SGW8基板上铜填充的TGVs的可靠性。使用20×20排列的35 μm×120 μm TGV阵列，以菊花链的形式，测试了热循环前后的电连续性和电阻。热循环后，在两种基板上测试的所有TGV阵列均显示连续性，没有观察到TGV或布线金属的失效。对两种类型基板上制备的TGV阵列进行了截面样品制备，并进行了扫描电子显微镜成像。尽管铜和玻璃基板之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，但在TGV附近没有观察到玻璃开裂或布线金属抬起的现象。

在可靠性测试的第二部分，采用偏置HAST方法研究了铜布线金属与不同类型玻璃基板的兼容性。在SGW3、SGW8、带有1 μm Si3N4阻挡层的SGW8、熔融二氧化硅以及带有3kÅ热氧化物的硅晶片上，制备了线距为10 μm的Cu IDTs。在经过96小时偏置HAST测试之前和之后对IDTs进行的漏电流测量显示，只有未涂覆阻挡层的SGW8基板上的电阻出现了大幅下降。在其他基板上，包括SGW3玻璃，在HAST之后没有观察到泄漏电流的显著变化。通过光学检测结合SEM/EDS分析，确定了铜沿着SGW8玻璃基板顶表面的迁移是导致泄漏路径的原因。氮化硅层提供了有效的屏障，防止了导致Cu迁移的机制。因此，在铜金属化（无论是表面布线金属还是TGV）和用于高CTE的玻璃基板之间应该使用阻挡层。

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