摘要：通过双面电镀铜实现TGV (Through Glass Via)通孔部分实心填充, 兼具TGV通孔密度高、TGV厚度尺寸范围大、热力学可靠性高、圆片级/板级工艺流程简单等优点, 是“芯粒”2.5D/3D集成、光电共封装(Co-Packaged-Optics,

TGV通孔双面电镀铜填充模式调控及工艺可靠性试验研究

马盛林 陈路明 张桐铨 王燕 王翌旭 王其强 肖雄 王玮

厦门大学萨本栋微米纳米技术研究院 厦门大学化学化工学院 北京大学微纳电子学研究院 厦门大学校长基金项目

摘要

通过双面电镀铜实现TGV (Through Glass Via)通孔部分实心填充, 兼具TGV通孔密度高、TGV厚度尺寸范围大、热力学可靠性高、圆片级/板级工艺流程简单等优点, 是“芯粒”2.5D/3D集成、光电共封装(Co-Packaged-Optics, CPO)等先进封装用TGV转接板潜在优选金属化路线. 本文将介绍基于国产电镀药水体系和课题组设计电镀槽体通过电镀参数设计实现TGV通孔双面电镀铜填充模式的调控, 实现了X型以及“桥型”直通型TGV孔金属化; 据JEDEC标准试验研究了TGV通孔glass–Ti–Cu金属化体系在高温加速老化测试(Highly Accelerated Stress Test, HAST)、温度循环测试(Temperature Cycle Test, TCT)、高温存储(High Temperature Storage, HTS)等可靠性表现, 验证了TGV部分实心填充金属化工艺优点, 试验发现了TGV铜互连氦气漏率、直流电阻对HAST试验最为敏感, Ti–Cu界面微缺陷、贯穿性裂纹产生是HAST试验中TGV铜互连主要失效模式, 揭示了TGV铜互连Cu–Ti–glass材料体系中Ti趋于向glass衬底扩散、Cu趋于向Ti层扩散, 由此在Ti–Cu界面产生缺陷、形成微裂纹, 为金属化材料体系选择与阻挡层厚度设计提供指导; 展示了用于体硅RF MEMS器件圆片级封装TGV盖帽圆片、2.5D射频集成大面积TGV转接板样品、TGV转接板堆叠集成毫米波天线等, 演示其圆片级工艺应用可行性, 为后续集成应用做技术储备.

1 引言

玻璃通孔(Through-Glass Via, TGV)互连技术最早可追溯至2008年[1], 衍生于2.5D/3D集成TSV转接板技术, 主要用来解决TSV转接板由于硅衬底损耗带来高频或高速信号传输特性退化、材料成本高与工艺复杂等问题. 因为玻璃材料与硅、二氧化硅材料属性的差异, 玻璃上刻孔、TGV孔金属化方法是玻璃TGV互连技术研究关键点[2]. 玻璃表面光滑, 对金属铜的粘附力较低, 容易产生金属层脱落、卷曲等现象, Onitake等学者[3]使用紫外光照射清洗玻璃表面以增强铜层与玻璃的结合力, 安美特公司提出通过化学溶液浸泡在玻璃表面生成纳米厚度的金属氧化物作为黏附层提高电镀铜层的结合力[4]. 早期, TGV孔金属化工艺主要延续TSV孔电镀铜金属化工艺路线, 采用Ti、TiW、Cr、TaN/Ta等作为黏附层/阻挡层[5~7], 溅射Cu作为种子层,在单面玻璃晶圆上电镀铜实现盲孔全实心填充. 为了降低后续退火过程热应力导致的开裂、提高全产品周期热力学可靠性表现, TGV孔电镀铜全实心金属化方法中TGV孔径设计一般小于50 μm, TGV厚度一般小于100 μm, 如2016年台湾工业研究院、格罗方德等公开的12英寸TGV转接板技术[8,9], 该工艺路线与TSV转接板工艺路线几乎相同, 具有TGV孔互连密度高等优点, 但是工艺流程复杂, 与TSV转接板技术面临产业生态层面竞争.

继承PCB高密度载板等电镀工艺技术的基础, 业界提出了一种TGV通孔双面电镀铜金属化工艺路线,即通 过 双 面 电 镀 工 艺 在 TG V 通孔 侧 壁 保 形 生 长5~20 μm厚铜层实现通孔全实心填充. 该方法有助于简化工艺流程、降低工艺开发难度, 兼具性能和成本上的优势, 也被称为保形金属化. 保形金属化方法主要有2种路线, 一种是TGV通孔直接双面电镀铜工艺,如2016年Unimicron Technology Corp、美国I3 Electro-nics等公司公开的TGV转接板样品以及基于TGV的集成无源元件(Integrated Passive Device, IPD)[10,11], 2018年作者团队公开了基于TGV玻璃转接板2.5D集成L波段接收组件[12], 2021年, 厦门云天半导体研制了基于TGV圆片级封装SAW滤波器[13]. 另一种是在TGV通孔表面贴膜有机物回填平坦化后利用激光制作贯穿有机物的通孔, 在贯穿有机物的通孔内进行双面电镀工艺,如2020年美国佐治亚理工学院演示的基于TGV的内嵌扇出封装体的毫米波天线模块[14], 该方法通过TGV孔内回填有机物改善电镀阻挡层与衬底的结合力、降低热力学可靠性风险. 在TGV通孔双面电镀铜填充金属化工艺路线中, TGV孔互连密度一般在50 μm以上, 继续缩小TGV通孔尺寸、间距将难以发挥工艺制程优势.

为了提高互连密度并降低热力学可靠性风险, 综合TGV孔电镀铜实心填充和保形金属化的优势, TGV通孔部分实心填充金属化工艺受到业界重视, 即在TGV通孔内一定位置处为实心填充, TGV孔内其余区域保形填充, 使得可以在铜TGV互连孔径与节距、厚度范围大、电学特性、热力学可靠性、电镀填充效率、工艺开发难度等方面进行平衡. TGV通孔电镀铜部分实心填充主要有3种方法, 一种是借助TGV孔几何形貌, 如2020年, 康宁公司公开了通过电镀铜工艺在深宽比为6:1的X型TGV通孔内侧壁上实现了铜层保形生长[15], 在TGV通孔1/2厚度处束腰处实现实心填充. 一种是开发新型电镀添加剂并配合电镀电流密度调整, 如2015年和2019年, 纽约州立大学和台湾工业研究院公开的新型电镀添加剂通过调控电流改变电镀铜过程中通孔内侧壁上的电位分布[16,17], 使得TGV通孔1/2厚度处在电镀过程中加速生长实现铜连接, 将TGV通孔电镀填充转变为2个盲孔电镀填充, 分别实现了6:1和12:1的高深宽比通孔金属化填充. 第三种是先双面保形电镀加厚侧壁铜层, 之后更换镀液填实一端孔口, 如2021年日本DNP公司公开的“桥型”TGV通孔部分实心填充工艺方案, 单个“桥型”铜TGV直流电阻约为35 mΩ, 1000次温度循环内电阻基本保持不变.该工艺方案的关键在于“桥型”的厚度控制, 这对于其气密性有很大影响[18,19]. 相较上述3种方法, 在TGV通孔一端实心填充一定深度, 而在另一端保形填充, 具有TGV通孔尺寸与互连密度高、热力学可靠性等设计空间大, RDL层平坦化等优点, 有望是“芯粒”2.5D/3D集成、光电共封装(Co-Packaged-Optics, CPO)等大面积大厚度范围TGV转接板优选金属化路线[20].

针对芯粒2.5D/3D集成、光电共封装等应用中大面积、大厚度范围的玻璃转接板TGV通孔电镀铜填充模式精准调控难题, 本文将基于国产电镀药水体系和自主设计电镀试验槽研究TGV通孔双面电镀铜填充模式调控方法, 研究TGV通孔glass–Ti–Cu金属化体系可靠性表现, 演示其圆片级工艺应用可行性, 为后续集成应用做技术储备.

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

本试 验 中 采 用 的 铜 电 镀 液 主 要 包 含 40 g L − 1Cu2+、 60 g L−1 H2SO4、50 ppm Cl−、3 mL L−1 SFT_A、10 mL L−1 SFT_S、5 mL L−1 SFT_L(上海赛夫特公司).

玻璃TGV通孔电镀试验在本课题组设计的8英寸晶圆电镀试验机台进行, 退火和CMP试验由高温退火炉RTP-761SA(技鼎股份有限公司, 中国)与化学机械抛光机GX-468(GMCS公司, 中国)完成, TGV孔电镀铜金属化层的表面形貌、电阻率通过场发射扫描电子显微镜Gemini SEM-500(ZEISS公司, 德国)、台阶仪Dek-tak XT-A(Bruker公司, 中国)、方块电阻仪(广州半导体材料研究所, 中国)等测试获取, TGV铜互连直流导通电阻采用吉利时数字源2400(Keithley公司, 美国)测量获取, TGV铜互连样品的温循、高温存储、高温加速老化实验等使用日本爱斯佩克的实验机台完成, TGV金属化体系中Class–Ti–Cu叠层体系中各成分含量采用EDS测量获取(能谱仪7021-H(Horiba公司, 日本)).

2.2 实验方法

本试验采用双面电镀铜工艺对TGV通孔进行金属化填充, 如图1所示. 试验中采用2种TGV通孔, 均使用激光诱导打孔工艺制作, 一种是在康宁公司生产的AF32玻璃衬底上制作的X型TGV通孔, 孔径70 μm、厚度220 μm, 中间交接区孔径为30 μm, 一种是在石英衬底上制作的直通孔, 孔径40 μm、厚度490 μm. 电镀试验之前, 首先在玻璃TGV通孔样品上通过溅射工艺制备Ti/Cu黏附阻挡层/种子层, X型孔表面Ti/Cu 黏附阻挡层/种子层的厚度为 260 nm/2 μm; 束腰处黏附阻挡层/种子层的厚度为 100 nm/2 μm. 直通型孔Ti/Cu黏附阻挡层/种子层的厚度为 300 nm/2 μm. 之后进行双面电镀铜填充工艺.

为了确定电镀参数, 我们参考Akollar等学者提出的蒂勒模量(Thiele modulus, μ)的概念[21], 如公式1所示, 定义为Cu2+电镀速率与扩散速率的比值.

其中, μ代表蒂勒模量, L是通孔的总长度, Rav是通孔的平均半径, i0是施加的电流密度, n是每个离子转移的电子数, D是扩散系数, F是法拉第常数, C∞是Cu2+的体积浓度. 表1中列出了各变量的详细取值.

当μ小于1时, Cu2+处于扩散活跃区域, 此时孔内Cu2+浓度分布均匀, 在无添加剂作用时各处电镀速率相等, 为近似保形生长, 当μ大于1时, Cu2+扩散处于扩散限制区域, 孔内铜离子浓度分布不均匀, 进而造成电镀速率不一致的现象. 通过TGV孔型设计或者电流密度调整使μ大于1, 进入扩散限制状态, 在TGV孔内某位置实现交连形成2个盲孔, 之后通过调整电镀电流使2个盲孔保形或者V型或自下而上生长, 实现全填充或者半实心填充, 2种通孔电镀电流密度及电镀时间参数设计如表2所示.

电镀试验完成后, 将样品清洗烘干后, 测量电镀铜表面粗糙度、电阻率、直流导通电阻、漏率等参数,之后进行退火, 再次测量表面粗糙度、电阻率测量、直流导通电阻、漏率等参数, 每个样品至少5个采样点.

氦气 漏 率 通 过 氦 质 谱 仪 进 行 检 测 , 检测 按 照GJB548B-2005:1014标准执行[25]. 高温加速老化测试(Highly Accelerated Stress Test, HAST)、温度循环测试(Temperature cycle Test, TCT)、高温存储(High Tem-perature Storage, HTS)等试验根据JEDEC标准设计, 详细参数如表3所示. X型TGV通孔电镀铜填充金属化后通过光刻、腐蚀铜、去除光刻胶等工艺步骤在样品两侧表面制作铜线条, 用于可靠性试验对比分析. 根据直通型TGV孔电镀铜金属化工艺应用场景, 直通型TGV样品在完成退火及测试表征后, 继续进行TGV孔实心填充面CMP工艺以及氦气漏率测试, 用于评估样品表面是否具备制作高密度RDL布线工艺的条件.

3 结果与讨论

3.1 玻璃TGV通孔双面电镀铜填充模式调整

图2 是X型TGV通孔双面电镀铜填充过程X-ray检测结果. 通过图片分析, 可以发现, 在第一阶段小电流密度电镀过程中, TGV孔内侧壁铜层保形生长, TGV孔中间腰部位置仍留有缝隙, 铜层没有交连如图2a与2b所示. 在第二阶段大电流密度电镀过程中, TGV孔中间腰部位置实现桥接, 如图2c与2d所示. 图2e是完成双面电镀铜填充的TGV样品截面SEM照片. TGV两侧表面铜层厚度约为15 μm, 表面粗糙度平均值为54.88 nm, 极差20 nm, 平均电阻率为52.3 mΩ μm, 极差13 mΩ μm (图3). 铜TGV的直流电阻为52 mΩ (理论值约为39 mΩ, 误差主要为TGV铜互连表面铜布线寄生电 阻 , 极差 为 13 mΩ . 氦气 泄 漏 率 平 均 值 为3.5×10−11 Pa m3 s−1, 极差0.7×10−11 Pa m3 s−1, 远低于行业标准5×10−9 Pa m3 s−1[26].

图4是直通型TGV通孔双面电镀铜填充过程中X-ray检测结果及电镀过程结束后切样SEM检测结果. 通过X-Ray检测图片分析, 可以发现直通孔TGV孔侧壁铜层在小电流密度电镀过程中呈现出近似等厚保形生长(图4a), 第二阶段中电流密度电镀填充过程中在孔接近中间位置实现交连(图4b), 之后TGV直通孔被分割为2个TGV盲孔, 高电流密度电镀过程中2个TGV盲孔呈现出V型生长模式(图4c), 最终电镀完成后切样SEM检测照片如图4d所示, 实心填充位置到两端孔口位置的距离分别为190 μm、100 μm左右. TGV通孔样品表面铜层粗糙度和电阻率平均值为355.5 nm和165.5mΩ μm. 对比X型电镀试验, 可以发现, 通过不同阶段电镀电流密度参数设置, 可以不依赖TGV孔结构形貌在TGV孔内侧壁某位置实现铜层交连, 达到类似的工艺效果.

基于上述研究成果, 本试验通过调整第二阶段电镀电流密度至0.4 A dm−2, 电镀填充结束后样品X-ray和SEM检测结果如图5所示, 可以发现, TGV通孔在一端完全被铜填充, 实心填充厚度120 μm, 另一端呈现保形填充, 表面铜层粗糙度和电阻率平均值为438.25 nm和210.25 mΩ μm. 对比图4和图5, 交连电流密度的值越大, 交连位置越靠近孔口, 说明可以通过调整第二阶段电流密度调整TGV孔内铜层的交连位置. 如图6a所示,0.4 A dm−2下的粗糙度和电阻率分别上升了83 nm和44.75 mΩ μm. 在温度250℃条件下进行退火处理30 min后, TGV通孔表面铜层粗糙度和电阻率分别为388 nm和190 mΩ μm, 电阻率和粗糙度并未明显改变,TGV通孔实测直流电阻为145 mΩ, 与理论值(137 mΩ)偏差8 mΩ, 主要由测量系统寄生电阻引起. 实心填充一侧的表面铜厚度21 μm, 无法直接作为RDL层使用,需要CMP工艺做平坦化处理. TGV通孔样品在完成电镀铜填充后、退火处理后、CMP去除面铜后三个阶段的氦气泄漏率, 分别为7.07×10−11、5.1×10−11和2.1×10−10 Pa m3 s−1, 漏率呈现上升趋势, 但其氦气漏率值仍然在标准许可范围之内(图6b).

3.2 玻璃TGV电镀铜填充金属化工艺可靠性试验

为了与已有研究结果对比分析, 将X型TGV通孔电镀铜金属化后继续光刻、腐蚀铜、去除光刻胶等工艺制作的TGV铜互连样品作为载体, 开展HAST、TCT和HTS等可靠性试验. 可靠性试验前后, 显微镜镜检对比, 未发现铜凸出、玻璃与铜界面开裂、裂纹等现象,说明了本研究中提出的双面电镀铜部分实心填充金属化方法的优势. 图7是X型部分实心填充TGV互连样品在可靠性试验中的表现, 可以发现TGV铜互连直流电阻、氦气漏率对HAST试验最为敏感, 100小时HAST测试后TGV铜互连氦气漏率和电阻值分别增加了136%和25%, 图8是铜TGV互连在不同HAST时间下氦气漏率的表现. 因此, 可以将氦气漏率检测作为加速老化试验优选评价方法.

图9是X型TGV通孔互连样品在HAST试验过程中关键位置截面SEM检测结果, 可以发现位置1~3处,HAST试验1000小时后, 铜表面氧化层厚度分别为400 nm、650 nm、1.5 μm, 位置4横向钻蚀约1 μm. 对于类似的现象, Okoro等[25]认为TGV铜互连在HAST试验中由于外部水汽腐蚀边缘位置Ti–Cu界面的铜层, 在Ti–Cu界面留下缝隙, 随着时间累积外部水汽沿着裂纹进入孔内, 缝隙不断延伸形成贯穿裂纹, 导致氦气漏率不断上升. 但是, 不论是对边缘处钻蚀处氧化情况还是微裂纹区氧含量检测结果, 均难以支撑此解释. 图10是HAST试验过程中在TGV孔内侧壁Ti–Cu界面检测发现的微裂纹. 对比分析HAST试验600小时、1000小时样品, 可以发现TGV孔内壁Ti–Cu界面微裂纹呈生长贯穿趋势, 这是HAST试验中TGV铜互连主要失效模式, 也是导致漏率上升的主要原因.

为了探究微裂纹形成机制, 将TGV孔中间束腰处Ti层较薄处作为研究点, 图11是此处Ti层SEM检测结果以及EDS能谱图, 可以发现在HAST不同阶段, 存在原子扩散迹象. 图11a~c展示了这个变化过程, 当HAST时间为600小时, Ti的边界变得模糊, 并且有外溢的倾向, 而当时间达到1000小时, Ti层在腰部出现了明显的断裂. 图11d~f为TGV腰部在600小时HAST测试后的EDS分析结果, 可以发现Ti、Cu元素均发生了明显的扩散现象, Ti层扩散至glass衬底中, 同时也有少量的铜原子扩散至glass衬底中. 图11g~i是TGV通孔束腰位置处glass–Ti–Cu界面上Cu元素和Ti元素含量在HAST不同阶段的变化情况, 可以发现, glass–Ti–Cu叠层结构中glass界面在1000小时HAST试验后Ti元素和Cu元素含量增加, 与Cu层接触的Ti界面Cu元素含量增加, Cu界面中Ti元素未见明显变化. 图12总结了TGV通孔不同位置处glass–Ti–Cu叠层结构中与Cu层接触Ti界面Cu和Ti含量变化规律, glass–Ti–Cu层叠结构中glass界面处Cu和Ti含量变化规律. 可以发现, HAST试验过程中glass–Ti–Cu层叠结构中Cu趋于向Ti层扩散, Ti趋于向glass扩散, Ti几乎不向Cu层扩散, 这是造成界面微孔洞、微裂纹的主要机制.

为了理解HAST试验中glass–Ti–Cu层叠中原子扩散行为, 本文计算了Ti–Cu金属之间的互扩散率, 结合HAST试验现象对扩散行为作出了解释. 对于Ti–Cu体系来说, Ti–Cu界面金属间扩散行为可由半经验公式––阿伦尼乌斯公式描述, 如公式2[27]所示

其中, D是扩散率(cm2 s−1), A是指前扩散率(cm2 s−1), Q为活化能(kJ mol−1), R为气体常数(8.314 J mol−1 K−1),T为温度(K). 表4展示了在过去的金属扩散研究中, 金属的指前系数A和Q的值.

表4中给出的活化能Q为体扩散活化能, 然而Tsu-kimoto等学者[28]认为Ti–Cu扩散体系中Cu和Ti会沿晶界扩散, 一般来说, 晶界扩散的活化能Qgb小于体扩散活化能Qv. Bokstein等学者[29]假设Ti–Cu体系晶界扩散中的指前扩散率与体扩散中的指前扩散率相同, 活化能为体扩散中的活化能的一半. 基于此假设, 结合式2,求得Dgb–Ti=1.374×10−13 cm2 s−1, Dgb–Cu=2.489×10−11cm2 s−1, 可以看出, 在Ti–Cu体系的互扩散行为中, Cu更容易向Ti中扩散, 而Ti难以向Cu中扩散, 符合试验观测现象.

对于Ti向玻璃中扩散的现象, 据Tsukimoto等学者[27]的研究表明, 在Cu–Ti–SiO2体系中Ti更倾向于SiO2方向扩散, 这可能是由于互扩散中产生的晶格缺陷使得Ti–Cu体系的吉布斯自由能很高, 处于热力学不稳定状态, 需要通过Ti的扩散以及Ti的氧化物的形成来使体系内的能量松弛, 以达到平衡状态. 由于AF32型玻璃SiO2成分占比为65%, 可以推测在glass–Ti–Cu层叠结构中Ti原子更倾向于向glass一侧扩散, 而不是Cu一侧.

3.3 玻璃TGV通孔电镀铜填充金属化工艺集成应用验证

基于上述的电镀TGV通孔电镀填充工艺完成了圆片级工艺的验证, 图13是制作的用于体硅MEMS开关圆片级封装盖帽圆片, 图14是制作的2.5D射频集成大面积TGV转接板样品, 图15是基于TGV转接板多层堆叠集成毫米波天线模块.

4 结论

首先, 本文基于国产铜镀液设计并实现了X型TGV通孔厚度1/2位置处实心填充, 直通型TGV孔内实现单端部分实心填充, 孔径40 μm、深度500 μm, 实心填充高度约为100 μm, 氦气漏率为2.1×10−10 Pa m3 s−1,优于标 准 值 至 少 1 个数 量 级 , 实测 直 流 电 阻 分 别 为145 mΩ (理论值137 mΩ), 具有工艺简单等优点. 其次, 根据JEDEC标准设计并开展了铜TGV互连样品的可靠性试验, HAST(130℃, 85%相对湿度, 100小时)、温度循环(−40℃~125℃, 100个循环)、高温存储(150℃, 100小时)可靠性试验后TGV铜互连未发现铜凸出、玻璃与铜界面开裂、裂纹等现象, 说明了本研究中提出的双面电镀铜部分实心填充金属化方法的优势. HAST试验对样品的直流电阻、真空漏率影响大,可以将HAST试验中TGV铜互连样品真空漏率作为加速老化试验优选评价方法. HAST试验中TGV铜互连样品失效模式是TGV孔内壁Ti−Cu界面微裂纹贯穿, Cu–Ti–glass叠层材料体系中Ti趋于向glass衬底扩散,Cu趋于向Ti层扩散, 由此在Ti−Cu界面产生缺陷、裂纹, 这是微裂纹形成的主要机制. 最后, 本文展示了基于双面电镀铜填充TGV孔金属化的TGV圆片级盖帽样品、大面积TGV转接板样品、堆叠键合TGV转接板天线样品.

来源：半导体封装工程师之家一点号