鄧小英， 于思齊， 王士偉， 謝奕

(1.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081；2. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081)

在集成電路設(shè)計(jì)與制造中，通過光刻技術(shù)的進(jìn)步、引入新的材料、新制造工藝技術(shù)、新的器件結(jié)構(gòu)等，不斷縮小晶體管特征尺寸[1]，但是這并未使晶體管的閾值電壓沿著摩爾定律降低，并且隨著芯片集成度不斷提高，全局互連線引入的信號(hào)延遲以及功率損耗顯著增加[2]. 這使得IC的設(shè)計(jì)和制造難以適應(yīng)消費(fèi)領(lǐng)域?qū)τ诟咚俣?、更低功耗、更高集成度、更多功能的需求，因此，三維集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生. 轉(zhuǎn)接板技術(shù)是三維集成技術(shù)的一種. 轉(zhuǎn)接層技術(shù)將多個(gè)芯片并排放置或堆疊放置在轉(zhuǎn)接板上，通過硅通孔(TSV) 以及微凸點(diǎn)與轉(zhuǎn)接板上的互連層連接，實(shí)現(xiàn)芯片與芯片、芯片與基板的互連，完成單個(gè)器件的功能. 轉(zhuǎn)接板技術(shù)允許使用不同的襯底，因此在降低硅基芯片與非硅基芯片之間熱膨脹系數(shù)失配方面具有靈活的設(shè)計(jì)空間.

硅通孔(TSV)技術(shù)是轉(zhuǎn)接板技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速、高性能、高可靠性并且較低成本的TSV，是轉(zhuǎn)接板技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的先決條件[3-4]. 傳統(tǒng)TSV以銅作為其導(dǎo)電材料，但是目前在通孔側(cè)壁均勻淀積絕緣層并且完成無空隙電鍍銅是很困難的. 并且在加工制造及器件使用過程中，由于銅、SiO2和硅襯底的熱失配，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較大的熱應(yīng)力，從而引起一系列的可靠性問題，常見問題有銅柱的凸起、介質(zhì)層碎裂、界面分離等[5-6]. 基于以上問題，本文提出的采用低阻硅作為TSV的導(dǎo)電材料，并采用與襯底具有相同熱膨脹系數(shù)的硅作為導(dǎo)體，在一定程度上減小了熱失配引起的熱應(yīng)力. 并且采用低彈性模量的聚合物，如苯并環(huán)丁烯(BCB)作為側(cè)壁絕緣層，可以起到應(yīng)力緩沖層的作用，從而增加了TSV的機(jī)械可靠性[7]. 為了定量評(píng)估其熱力學(xué)特性，并與銅填充TSV對(duì)比，本文采用有限元仿真(FEM)的方法對(duì)該新型TSV結(jié)構(gòu)和銅填充TSV結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的熱力學(xué)分析.

1 兩種TSV結(jié)構(gòu)制作工藝

低阻硅TSV在加工完成之后是上下連接金屬互連線的垂直通孔結(jié)構(gòu). 對(duì)比兩種TSV的加工流程，如圖1所示. 低阻硅TSV與銅填充TSV相比省去了沉積阻擋層、銅種子層；中心銅的電鍍以及表面銅CMP等大量與銅電鍍相關(guān)的工藝. 并且在背部處理過程中，省去回刻工藝，大幅度降低了加工難度及制造成本. 另外在絕緣層的選擇上使用聚合物填充的方法保證了電絕緣的同時(shí)，也降低了硅通孔的寄生電容.

圖1 低阻硅TSV與銅填充TSV工藝流程示意圖Fig.1 The process flow of TSV LRS-TSV and copper-filled TSV

2 仿真建模

根據(jù)其結(jié)構(gòu)建立了低阻硅TSV的通孔模型以及作為對(duì)比的銅填充TSV通孔模型. 假定在TSV的頂部和底部具有相同的結(jié)構(gòu)，基于對(duì)稱性，本文采用1/8的TSV通孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行之后的有限元仿真分析，如圖2所示. 銅填充TSV的尺寸與低阻硅TSV一致，結(jié)構(gòu)上略有不同，低阻硅TSV上層SiO2覆蓋中心硅柱2 μm，另外銅柱側(cè)壁絕緣層材料換為了SiO2，仿真中材料均假定為線彈性體[8]. 仿真設(shè)置中模型材料采用SOLID185，除頂部之外，前后左右及底部5個(gè)面皆設(shè)置為對(duì)稱約束. 初始溫度為室溫 25 ℃，此時(shí)初始應(yīng)力為0，模擬升溫到350 ℃時(shí)，低阻硅TSV和銅填充TSV的應(yīng)力及各處凸起分布情況，并進(jìn)行對(duì)比.

圖2 TSV的仿真模型Fig.2 FEM model of TSVs

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.1 The parameters applied in FEM

3 結(jié)果與分析

3.1 凸起高度對(duì)比

通過有限元仿真計(jì)算得到低阻硅TSV和銅填充TSV的凸起高度分布云圖，如圖3所示. 從圖3(a)中可得，低阻硅TSV凸起最為顯著的區(qū)域位于絕緣層BCB以及低阻硅柱上方的鋁層，且凸起高度分別為82 nm和76 nm. 在圖3(b)中可以看出，銅填充TSV的凸起位置主要集中在通孔中心銅柱的上方，最大值為150 nm. 從云圖中可以看出低阻硅TSV和銅填充TSV受熱時(shí)的凸起位置和凸起高度有顯著的差別，并且在兩者尺寸相似的條件下，低阻硅TSV表現(xiàn)出更小的凸起量，因此與銅填充TSV相比，低阻硅TSV的熱機(jī)械性能更優(yōu).

圖3 在350 ℃下TSV凸起高度分布云圖Fig.3 Protrusion height contour of TSVs under 350 ℃

為了更直觀的對(duì)比低阻硅TSV與銅填充TSV的凸起變化，給出低阻硅TSV和銅填充TSV金屬層表面沿半徑方向的凸起高度分布曲線，如圖4所示. 可以看出，兩種結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)區(qū)(非TSV區(qū)域)的凸起高度皆為60 nm左右. 在圖4(a)中，較大的凸起出現(xiàn)在BCB絕緣層區(qū)域和硅柱上方鋁層區(qū)域，且凸起高度分別為82 nm和76 nm，與場(chǎng)區(qū)相對(duì)凸起高度為22 nm，在BCB與中心硅柱之間存在一個(gè)凸起高度的波谷，這是因?yàn)楸砻鍿iO2覆蓋中心硅柱2 μm的寬度，鋁層通過SiO2的中間開孔與硅柱接觸，鋁層厚度相對(duì)于中間區(qū)域的厚度較小，故凸起較小. 在圖4(b)中，最大凸起位于銅柱中心處，高度為150 μm，與場(chǎng)區(qū)的相對(duì)凸起高度為90 nm. 低阻硅TSV最大相對(duì)凸起高度約為銅填充TSV最大相對(duì)凸起高度的1/4. 綜上所述，低阻硅TSV受熱凸起遠(yuǎn)小于銅填充TSV，熱力學(xué)可靠性較高.

圖4 350 ℃下TSV沿徑向方向的凸起高度分布曲線Fig.4 Protrusion height of radial displacement of TSVs under 350 ℃

3.2 熱應(yīng)力對(duì)比

圖5給出低阻硅TSV與銅填充TSV在350 ℃下的von Mises應(yīng)力分布云圖. 從圖5(a)中可以看出，低阻硅TSV在絕緣層兩側(cè)的應(yīng)力最大，且最大值為1 005 MPa，這是由于BCB絕緣層的凸起擠壓BCB兩側(cè)上方的鋁層. 而在圖5(b)中可以看出，在中心銅柱外側(cè)的應(yīng)力最大，且最大值為1 227 MPa，另外在側(cè)壁SiO2層兩側(cè)區(qū)域的應(yīng)力較大，中心銅柱外側(cè)的應(yīng)力集中是由銅柱凸起擠壓外側(cè)銅層引起的. 而垂直界面處的應(yīng)力產(chǎn)生主要是因?yàn)殂~、SiO2和硅的熱失配. 從上面分析可以得出，低阻硅TSV和銅填充TSV的最大應(yīng)力集中的區(qū)域不同，在尺寸相似的條件下，低阻硅TSV的最大應(yīng)力小于銅填充TSV的最大應(yīng)力，進(jìn)一步證明低阻硅TSV的熱力學(xué)可靠性要高于銅填充TSV.

圖5 在350 ℃下TSV的von Mises應(yīng)力分布云圖Fig.5 Von Mises stress contour of TSVs under 350 ℃

同樣為更直觀對(duì)比低阻硅TSV與銅填充TSV應(yīng)力分布情況，給出低阻硅TSV和銅填充TSV沿半徑方向金屬層表面的von Mises應(yīng)力分布曲線，如圖6所示. 從中可以看出低阻硅TSV在表面SiO2覆蓋中心硅柱的上方區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力最大，其值為983 MPa，而在BCB區(qū)域和中心硅柱上方區(qū)域的應(yīng)力較小，分別為643 MPa和710 MPa，場(chǎng)區(qū)的應(yīng)力恒定為800 MPa. 在銅填充TSV中，其位于SiO2側(cè)壁絕緣層的外側(cè)區(qū)域應(yīng)力最大，其值為1 120 MPa，場(chǎng)區(qū)應(yīng)力恒定為1 020 MPa，中心銅填充出的應(yīng)力非常小僅為12 MPa，這是因?yàn)橹行你~柱與表面銅層為一體，向上凸起不受約束，應(yīng)力較小. 通過對(duì)比可得，尺寸相同的情況下，低阻硅TSV表面的最大應(yīng)力小于銅填充TSV，其熱力學(xué)可靠性要高于銅填充TSV.

圖6 350 ℃下TSV沿徑向方向的von Mises應(yīng)力分布曲線Fig.6 Von Mises of radial displacement of TSVs under 350 ℃

3.3 界面應(yīng)力對(duì)比

本文對(duì)低阻硅TSV和銅填充TSV在側(cè)壁絕緣層兩側(cè)的應(yīng)力分布進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示. 從圖7(a)中可得，在低阻硅TSV中，BCB外側(cè)的應(yīng)力要稍大于內(nèi)側(cè)的應(yīng)力，內(nèi)外側(cè)應(yīng)力在接近TSV兩端時(shí)開始急劇增加. 這是由于頂部SiO2層和鋁層阻礙BCB的變形，使得熱應(yīng)力更加集中. 但是即使界面應(yīng)力在TSV兩端急劇增加，其值仍低于400 MPa，同時(shí)在BCB中間沒有靠近邊緣的區(qū)域，界面應(yīng)力甚至沒有超過120 MPa. 在圖7(b)中，對(duì)于SiO2介質(zhì)層而言，在接近TSV兩端時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)界面應(yīng)力急劇增加的現(xiàn)象. 在TSV的中間區(qū)域，絕緣層外側(cè)應(yīng)力約為內(nèi)側(cè)應(yīng)力的2倍. SiO2的斷裂強(qiáng)度在800 MPa左右，絕緣層外側(cè)應(yīng)力大于800 MPa，并在接近TSV兩端時(shí)內(nèi)外側(cè)界面應(yīng)力分別達(dá)到了800 MPa、1 098 MPa，故存在界面失效的風(fēng)險(xiǎn). 因此，對(duì)于此時(shí)的銅填充TSV而言，存在界面失效的風(fēng)險(xiǎn). 基于以上結(jié)果，可以推斷出：相比于銅填充TSV而言，低阻硅TSV具有更高的熱力學(xué)可靠性.

圖7 垂直方向上側(cè)壁絕緣層內(nèi)外的應(yīng)力分布曲線Fig.7 Stress distribution of BCB and SiO2 insulator liner

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)探討了低阻硅TSV和銅填充TSV通孔的熱力學(xué)特性. 介紹了低阻硅TSV在工藝制造上相比于銅填充TSV的優(yōu)勢(shì). 根據(jù)之后有限元仿真分析，低阻硅TSV在絕緣層BCB以及低阻硅柱上方的鋁層區(qū)域中凸起較大，在絕緣層的兩側(cè)低阻硅TSV的應(yīng)力最大. 最后通過與銅填充TSV通孔的熱力學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比，可以推斷出：低阻硅TSV不僅具有更小的凸起高度，而且在最大應(yīng)力及側(cè)壁界面應(yīng)力方面都要優(yōu)于銅填充TSV，這充分說明了低阻硅TSV的熱力學(xué)可靠性要?jiǎng)儆阢~填充TSV.