硅通孔電鍍填充銅的蠕變性能

武　偉，秦　飛，安　彤，陳　沛，宇慧平

硅通孔電鍍填充銅的蠕變性能

武偉，秦飛，安彤，陳沛，宇慧平

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

為了研究TSV-Cu的蠕變性能，首先利用典型的TSV工藝制作了電鍍Cu的TSV試樣，然后利用納米壓痕法對(duì)TSV-Cu進(jìn)行了壓痕蠕變測(cè)試.采用恒加載速率/載荷與恒載荷法相結(jié)合的方式，對(duì)TSV-Cu的蠕變行為進(jìn)行了研究，測(cè)量了TSV-Cu在不同壓入應(yīng)變速率和最大壓入深度條件下的蠕變行為.通過(guò)對(duì)保載階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了不同加載條件下的蠕變速率敏感指數(shù)m.結(jié)果表明:壓入應(yīng)變速率和最大壓入深度等加載條件對(duì)m的影響不很明顯.

硅通孔；TSV-Cu；納米壓痕；蠕變速率敏感指數(shù)

硅通孔（through silicon via，TSV）技術(shù)被認(rèn)為是3D集成封裝的核心，TSV可以在垂直方向上實(shí)現(xiàn)信號(hào)導(dǎo)通和傳熱等作用，還具備低功耗、高密度等諸多優(yōu)勢(shì)［1-2］.Cu具有高電導(dǎo)率、高抗電遷移能力以及低焦耳熱等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備相對(duì)成熟的電沉積工藝，因此，常被選作TSV的填充材料［3］.TSV的孔徑一般從幾微米到幾十微米，由于表面效應(yīng)、組織結(jié)構(gòu)及加工工藝等的影響，其內(nèi)填充的Cu（TSV-Cu）材料的力學(xué)性能與體相時(shí)相比會(huì)有顯著的不同［4］.Liu等［5］的研究指出，由于TSV-Cu被周圍的Ta/SiO2等材料所包裹，其力學(xué)行為與普通的Cu明顯不同，需要對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量.

目前，關(guān)于TSV-Cu的力學(xué)性能已有了一些研究.Dixit等［6］通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)得到彈性模量和硬度分別為124 GPa和1.8 GPa.李君翊等［7］基于單軸微拉伸法測(cè)得其彈性模量約為塊體純Cu的23%；而抗拉強(qiáng)度則約為后者的2.32倍.Wu等［8］采用納米壓痕實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬反演相結(jié)合的方法，得到TSV-Cu的彈性模量與屈服強(qiáng)度分別為155.47 GPa和47.91 MPa.

然而，對(duì)于TSV-Cu的蠕變性能研究則鮮有報(bào)道，而Cu的蠕變性能是電子器件可靠性分析的重要參數(shù)之一［9］.Heryanto等［10］指出，TSV-Cu的蠕變還是造成Cu脹出或縮進(jìn)Si表面，進(jìn)而導(dǎo)致TSV頂部金屬互連結(jié)構(gòu)破壞的原因之一.因此，本文重點(diǎn)研究并表征TSV-Cu的蠕變性能.蠕變應(yīng)力指數(shù)是評(píng)價(jià)金屬材料蠕變能力的主要指標(biāo)［11］.納米壓痕儀由于其具備極高的載荷和位移分辨率，同時(shí)測(cè)試方法快速便捷，已經(jīng)被用于不同材料的蠕變行為測(cè)試［12-14］.

本文采用納米壓痕法，對(duì)基于典型TSV工藝制備的TSV-Cu試樣進(jìn)行了納米壓痕蠕變性能測(cè)試.首先采用恒加載速率/載荷實(shí)現(xiàn)一個(gè)恒壓入應(yīng)變速率的穩(wěn)態(tài)加載，當(dāng)加載達(dá)到預(yù)定的最大深度后，采用恒載荷法進(jìn)行保載.通過(guò)利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)保載階段的蠕變位移-時(shí)間曲線進(jìn)行擬合，研究了TSV-Cu的蠕變行為，并分析了不同壓入應(yīng)變速率以及最大壓入深度等加載條件對(duì)TSV-Cu蠕變速率敏感指數(shù)m的影響.

1　納米壓痕實(shí)驗(yàn)

1.1試樣制備

制備試樣所選用的硅片直徑為200 mm，厚度為700 μm.TSV的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:直徑20 μm，深度180 μm，間距260 μm.具體的試樣制備流程為:1）在硅表面涂布一層光刻膠并將其圖形化；2）采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在硅片上形成TSV孔；3）利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在TSV孔內(nèi)沉積一層絕緣層；4）利用物理氣相沉積在絕緣層上繼續(xù)沉積阻擋層和種子層；5）電鍍填充Cu并進(jìn)行退火處理；6）采用化學(xué)機(jī)械拋光去除硅表面多余的電鍍Cu.制作完成的TSV結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

將制作完成的TSV硅片切割成1 cm×1 cm，并利用環(huán)氧樹(shù)脂和凝固劑對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌固定.對(duì)試樣表面采用粒度遞減的拋光液進(jìn)行機(jī)械拋光，最后再用稀硝酸溶液對(duì)表面進(jìn)行腐蝕，以滿足納米壓痕測(cè)試的條件.處理完的TSV試樣表面如圖2所示.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

本文采用恒加載速率/載荷法［12］與恒載荷法［13］相結(jié)合方式，首先采用前者實(shí)現(xiàn)一個(gè)恒壓入應(yīng)變速率的穩(wěn)態(tài)加載；當(dāng)加載達(dá)到預(yù)定的最大深度后，采用后者進(jìn)行保載，通過(guò)對(duì)保載階段的蠕變變形進(jìn)行分析，最終得到TSV-Cu的室溫蠕變速率敏感指數(shù)m.實(shí)驗(yàn)采用G200型納米壓痕儀，系統(tǒng)的位移分辨率為0.01 nm，載荷分辨率為50 nN.實(shí)驗(yàn)采用金剛石Berkovich壓頭，對(duì)TSV-Cu頂部表面靠近Cu圓心位置處進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn).

在對(duì)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)大約1 h使儀器達(dá)到熱平衡狀態(tài)以減小熱漂移帶來(lái)的影響，最終使熱漂移趨于穩(wěn)定且達(dá)到或小于0.01 nm/s.由于測(cè)試過(guò)程中的蠕變應(yīng)變率變化很大，通過(guò)對(duì)不同壓入應(yīng)變率下保載階段的蠕變位移-時(shí)間曲線提取蠕變參數(shù)，可以改善其分散性，得到較好的結(jié)果［12］.

本文的納米壓痕蠕變實(shí)驗(yàn)主要包含:1）壓頭以10 nm/s的速率接近試樣表面.2）采用恒加載速率/載荷（P·/P）的方式壓入樣品，直到達(dá)到設(shè)定的最大壓入深度hmax.為了考察不同P·/P和hmax對(duì)蠕變速率敏感指數(shù) m值的影響，實(shí)驗(yàn)采用的 P·/P= 0.01、0.10、0.20 s-1.hmax=500、1 000、1 500 nm.而恒定P·/P會(huì)導(dǎo)致恒定的壓入應(yīng)變速率ε·，并且ε·=0.5/P，即相當(dāng)于壓入應(yīng)變速率分別為 0.005、0.05、0.10 s-1.3）當(dāng)達(dá)到hmax時(shí)（載荷P也達(dá)到最大），然后采用恒載荷法進(jìn)行保載100 s，以獲得材料的蠕變特征.4）以10 mN/s的速率進(jìn)行卸載，當(dāng)卸載到最大載荷的10%時(shí)，保載1 min以消除熱漂移的影響.

為了考察實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，在每組測(cè)試條件下對(duì)試樣重復(fù)測(cè)試3次.圖3所示為光學(xué)顯微鏡下TSV-Cu的納米壓痕形貌，可見(jiàn)試樣表面并未出現(xiàn)明顯的凸起或凹陷，不會(huì)出現(xiàn)接觸面積被低估的情況，從而保證實(shí)驗(yàn)的精度.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為當(dāng)最大壓入深度hmax為1 500 nm時(shí)，/P從0.05 s-1增加到0.20 s-1時(shí)TSV-Cu的載荷位移曲線（P-h）.可以看出，在壓入深度達(dá)到1 500 nm時(shí)，隨著/P的增加，所需的最大載荷 Pmax也從81.3 mN增加到96.9 mN.這是由于隨著/P的增加，壓入應(yīng)變速率也隨之增大，加載到預(yù)定最大壓入深度時(shí)的歷時(shí)也越短，導(dǎo)致滯彈性和蠕變等依賴于時(shí)間的變形減小，進(jìn)而需要進(jìn)一步增大載荷以達(dá)到預(yù)定的壓入深度.在保載階段，蠕變位移也隨之增加，從37.4 nm增加到71.5 nm，這是由于隨著/P的增加，材料中儲(chǔ)存的彈性變形也相對(duì)越大，導(dǎo)致試樣在保載階段會(huì)有更多的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)換為塑性變形，從而使得蠕變位移增加.由此可知TSV-Cu對(duì)壓入應(yīng)變速率比較敏感.

2.2蠕變速率敏感指數(shù)m的確定

通常采用Weertman-Dorn方程［14］來(lái)描述試樣在穩(wěn)態(tài)蠕變階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與時(shí)間和溫度相關(guān)性，其表達(dá)式為式中:A為材料相關(guān)常數(shù)；Q為蠕變表面活化能；n為應(yīng)力指數(shù)（即1/m，m為蠕變速率敏感指數(shù)）；R為通用氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度.由于測(cè)試溫度等條件保持恒定，因此式（1）可以簡(jiǎn)化為

由于Berkovich壓頭具有幾何相似性，即在一定載荷范圍內(nèi)，不同載荷所形成的壓痕形貌相似，僅在數(shù)值上相差一個(gè)特定的尺寸因子.壓入應(yīng)變速率也可定義為瞬時(shí)壓入速率與當(dāng)前位移的比/h，即

對(duì)于Berkovich壓頭，保載階段的等效應(yīng)力可以定義為［15］

將式（3）（4）代入式（2）中，可得到

對(duì)式（5）兩邊取對(duì)數(shù)即得到m值為

圖6為當(dāng)hmax為1 500 nm時(shí)，在3種不同/P（對(duì)應(yīng)的最大載荷Pmax=38.48、20.67、6.23 mN）情況下保載100 s的蠕變位移-時(shí)間曲線.為了得到準(zhǔn)確的壓入應(yīng)變速率，需要將保載階段后期無(wú)效的數(shù)據(jù)點(diǎn)去除，同時(shí)，對(duì)保載階段起始的壓入深度和時(shí)間都進(jìn)行了歸零處理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在保載初始階段，蠕變位移有一個(gè)快速增加的區(qū)間，隨著保載時(shí)間的增加，蠕變位移的增加速率越來(lái)越小并逐漸趨于穩(wěn)定.這是由于在保載初期，試樣的彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，并在壓頭的下方形成穩(wěn)態(tài)塑性區(qū).隨著時(shí)間的增加，試樣中逐漸形成穩(wěn)定的變形結(jié)構(gòu)，各種缺陷的形成和湮沒(méi)逐漸達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，從而使變形進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段.

在達(dá)到設(shè)定的最大壓入深度后，可采用經(jīng)驗(yàn)公式［16］對(duì)保載階段的蠕變位移-時(shí)間曲線進(jìn)行擬合

圖8、9分別為當(dāng)hmax=1 500 nm和/P為0.2 s-1時(shí)，在不同的P·/P和hmax加載條件下，等效應(yīng)力σ和壓入應(yīng)變速率·ε的雙對(duì)數(shù)曲線及其線性擬合情況.從圖中可以看出，其線性相關(guān)度均在0.981以上.圖中每條直線的斜率即代表TSV-Cu在該加載條件下確定的蠕變速率敏感指數(shù)m值.

由圖8中3條直線斜率的平均值確定的m值為0.015 2±0.000 4，并且其值受加載時(shí)所用的P·/P值的影響不是很明顯.由圖9中3條直線斜率的平均值確定的m值為0.014 4±0.001 5，加載時(shí)采用最大壓入深度hmax對(duì)其影響也不是很明顯.最后，將圖8、9得到的m值進(jìn)行平均，得到了TSV-Cu的m平均值為0.014 9±0.002 0.

2.3結(jié)果討論

與傳統(tǒng)的單軸拉伸蠕變測(cè)試相比，納米壓痕蠕變中的應(yīng)變速率要明顯高于前者，并且壓頭下方區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜.表1對(duì)比了本文測(cè)得的TSV-Cu蠕變速率敏感指數(shù)m值和其他研究者采用納米壓痕蠕變測(cè)試測(cè)得的結(jié)果.可以看出，對(duì)于采用不同方式制作的Cu，測(cè)得的m值也有所不同.

表1　不同m值的對(duì)比Table 1　Comparison of different values of m

Chang等［17-18］分別采用電鍍沉積和化學(xué)鍍的方式制備了厚度為6 μm和2～3 μm的2種Cu膜，利用恒載荷法的納米壓痕實(shí)驗(yàn)研究了其力學(xué)性能，得到Cu膜的 m值分別為0.045 5和 0.1560.陳吉等［19］采用恒加載速率/載荷法與恒載荷法相結(jié)合方式研究了單晶、多晶及納米晶Cu塊體材料的蠕變性能，指出晶界增加會(huì)使蠕變速率增加，但測(cè)得多晶Cu的m值僅為0.000 7，同其他文獻(xiàn)中所報(bào)道的差距較大.王飛等［21］采用恒載荷法對(duì)采用電鍍工藝制備的不同晶粒尺寸的Cu膜進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶粒尺寸小于200 nm時(shí)，m值對(duì)晶粒尺寸變得敏感，隨晶粒尺寸的降低而降低，得到的 m值在0.054 3～0.149 0.本實(shí)驗(yàn)得到TSV-Cu的m平均值為0.014 9±0.002 0，要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)蠕變測(cè)試得到的宏觀塊體Cu的m值（0.208［22］）.

關(guān)于m值的差異，除了測(cè)試方法和試樣制備工藝的不同、環(huán)境噪音等引起的試驗(yàn)誤差外，還可能有幾個(gè)主要原因:根據(jù)Goodall等［15］的研究，保載時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果也是重要的一個(gè)指標(biāo)，許多測(cè)試中較短的保載時(shí)間不僅受設(shè)備熱穩(wěn)定的限制，還要考慮減小試樣基體帶來(lái)的影響.初期蠕變階段對(duì)研究蠕變行為有著重要的影響.對(duì)于TSV-Cu試樣，電鍍工藝造成的工藝殘余應(yīng)力以及非均勻的微結(jié)構(gòu)同樣會(huì)影響其復(fù)雜的蠕變行為.

由于本實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，測(cè)試溫度僅為0.23Tm（Tm=1 083℃），而擴(kuò)散蠕變和晶界滑移機(jī)制發(fā)生的條件一般在0.7Tm，甚至更高.因此，原子的熱運(yùn)動(dòng)受到限制，外界應(yīng)力只能激活數(shù)量有限的位錯(cuò).位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)又容易被晶界或者雜質(zhì)原子所阻擋，從而導(dǎo)致蠕變速率降低.此外，隨著晶粒尺寸減小，壓頭在壓入過(guò)程中所涉及的晶粒數(shù)目增加，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用逐漸增強(qiáng)，容易在晶界處形成位錯(cuò)塞積造成蠕變速率降低［21］.由于TSV-Cu的晶粒尺寸在100～200 nm［23］，小于一般的塊體Cu，因此得到的TSV-Cu蠕變速率敏感指數(shù)是合理的.

3　結(jié)論

1）所有試樣在保載階段均發(fā)生了明顯的蠕變變形，不同加載條件下得到的壓痕蠕變位移有明顯的尺寸效應(yīng)，最終得到的TSV-Cu的蠕變速率敏感指數(shù)m的平均值為0.014 9.

2）在采用恒加載速率/載荷法與恒載荷法相結(jié)合方式對(duì)TSV-Cu的蠕變速率敏感指數(shù)m進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)加載段所用的恒P·/P以及最大壓入深度hmax對(duì)最終m值的影響不是很明顯.

3）由于晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，分析認(rèn)為由于TSV-Cu中晶粒尺寸的減小會(huì)引起晶界數(shù)量的增加，最終導(dǎo)致TSV-Cu的m值與宏觀Cu不同.

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（責(zé)任編輯楊開(kāi)英）

Creep Behavior of Electroplated Cu for Through-Silicon Via Filling

WU Wei，QIN Fei，AN Tong，CHEN Pei，YU Huiping
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

As through-silicon via（TSV）is the core structural element of 3D integration or packaging，and the performance of TSV-Cu is critical for TSV reliability.This paper studied the creep behavior of TSV-Cu comprehensively.TSV-Cu sample was prepared by regular TSV process，and then nanoindention was used to determine the creep behavior of TSV-Cu at room temperature.A method of combining the constant loading rate/load test and the constant load test was introduced for the creep behavior testing. Therefore，the creep behaviors of TSV-Cu under various loading conditions were analyzed.The creep strain rate sensitivity m can also be obtained by processing the data from constant loading stage.Results show that m is independent with indentation strain rates and maximum indentation depths.

through-silicon-via（TSV）；TSV-Cu；nanoindentation；creep rate sensitivity

U 461；TP 308

A

0254-0037（2016）06-0837-06

10.11936/bjutxb2015030040

2015-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11272018）

武偉（1985—），男，博士研究生，主要從事先進(jìn)電子封裝技術(shù)與可靠性方面的研究，E-mail:wuweimoto@163.com