硅通孔(TSVs)尺寸缩小对微观结构和热力学响应的影响

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引言

三维(3D)异构集成已成为半导体技术超越传统晶体管缩放的关键方法。硅通孔(TSVs)是这项技术的核心，作为嵌入硅基板中的垂直金属互连，能够实现堆叠芯片之间的高密度连接。随着半导体行业的不断发展，TSV的尺寸缩小变得非常必要，以满足高性能计算系统日益增长的需求，特别是在人工智能、超级计算机和图形处理应用方面。

Lyu, Beechem和Wei的研究论文探讨了TSV从5μm缩小到1μm直径时的关键缩放效应。这种缩小对于实现超过10^6/mm²(约1 TSV/μm)的超高互连密度非常必要，这是未来逻辑-逻辑和逻辑-存储计算架构所需的。然而，这种微型化带来了与热力学应力和可靠性相关的显著挑战。

本文探讨TSV缩放的基本方面，重点关注尺寸缩小时微观结构和热力学响应的变化。将研究制造工艺、应力测量技术、分析建模方法以及缩小尺寸TSV中晶粒大小与机械性能之间的关系[1]。

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TSV基础和制造工艺

TSV本质上是垂直嵌入硅基板内的金属导线。典型的TSV结构由中心金属互连(通常为铜)和周围的薄膜层组成，包括介电绝缘体(SiO₂)、扩散屏障(Ti)和粘附内衬。铜因其优异的电导率而被广泛使用，但也带来挑战，因为其热膨胀系数(CTE)约为硅的六倍。

直径范围从1μm到5μm的TSV制造工艺包括几个关键步骤，如论文中的图1所示。

图1：铜TSV阵列的制造和样品准备：(a)TSV阵列结构形成的工艺步骤。(b)显示无空洞填充TSV的SEM/FIB横截面图像。(c)CMP后不同尺寸TSV的顶视光学图像。

工艺首先使用Bosch工艺进行深度反应离子蚀刻(DRIE)，在硅晶圆中创建盲孔。然后进行薄膜沉积：60nm SiO₂绝缘层、25nm Ti屏障层和300nm铜种子层。随后使用自下而上的电镀工艺填充铜，确保无空洞的金属填充。电镀后，进行化学机械抛光(CMP)，通过去除过度电镀的铜露出TSV孔，使用SiO₂层作为蚀刻终止点。最后，在充满成形气体的炉中对TSV进行400°C、1小时的热退火处理。

所得的TSV阵列直径范围从1μm到5μm，长宽比约为5:1。阵列间距固定为10μm，以便比较不同直径的通孔。论文中提供的横截面SEM/FIB图像显示了铜TSV的高质量、无空洞填充。

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TSV中的热力学应力

由于铜和硅之间的CTE不匹配，热力学应力是TSV结构中的重要问题。在热处理过程中，这种不匹配会在铜和周围的硅中产生大量的机械应变和应力。这种应力可能导致各种可靠性问题，包括：

• 材料之间的界面剥离
• 铜顶出现象(突出于硅表面)
• 由于硅的压电特性导致的载流子迁移率不良变化
  

热退火是TSV制造中的关键步骤，因为它稳定了铜的微观结构并减少了铜顶出现象。然而，它也会产生相当大的残余应力。了解这种应力演变对设计可靠的3D集成电路非常重要。

退火前，电镀铜通常呈现细晶粒、低应力状态。在热退火过程中，铜的微观结构和体积发生变化，影响铜本身和周围的硅。应力演变遵循特定模式：

• 初始加热期间，CTE不匹配产生显著的热应力
• 随着时间在高温下推移，塑性变形和再结晶逐渐释放热应力
• 结构在通常介于115°C至400°C之间的温度下达到无应力状态
• 冷却时，由于CTE不匹配，应力重新出现，铜向TSV中心收缩并拉动硅
  

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使用拉曼光谱测量应力

研究人员使用拉曼光谱这一强大的非破坏性技术来量化TSV周围硅中的应力。使用WiTec alpha300R光谱成像系统进行背散射布置测量，使用532nm激光聚焦至衍射极限的光斑大小。

图2显示了退火后两个相邻不同直径铜TSV之间间隙中等效残余应力的分布。

图2：退火后两个相邻铜TSV之间间隙中等效残余应力的分布，TSV直径分别为(a) 1μm、(b) 2μm和(c) 4μm，在400°C下退火1小时。红点表示多次测量的平均等效应力(蓝点)。

正如预期，由于铜相对于硅的较大CTE，靠近铜核心处的应力是压缩的。然而，应力分布随TSV直径显著变化。较小的1μm直径TSV表现出应力分布从最靠近金属核心的压缩转变为轻微拉伸，然后在距离通孔边缘约2μm处消散至无应力状态。这在通孔之间留下约6μm的无应力硅。相比之下，较大直径的TSV(2μm和4μm)没有足够的硅间距实现完全应力松弛，导致相邻通孔之间的应力串扰。

图3展示了TSV直径函数下两个相邻TSV之间中心线上的线性平均应力。

图3：两个相邻TSV之间中心线上的线性平均应力。残余应力绘制为直径范围从1到5μm的TSV直径函数。每个数据点代表五次单独测量的算术平均值。

有趣的是，应力与TSV直径呈现非单调关系，增加到约4.5μm处的最大值后减小。通过考虑全局晶圆弯曲和局部铜收缩的竞争效应可以解释这种行为，这将在分析模型部分进行探讨。

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机械应力的线性弹性模型

为了理解观察到的应力模式背后的机制，研究人员基于叠加原理开发了线性弹性分析模型。TSV阵列的应力场分解为两个组成部分：

• 样品翘曲引起的全局应力
• TSV中铜核收缩引起的局部应力分布
  

通过将含有TSV的晶圆顶部部分视为具有由铜和硅衍生的有效特性的薄膜来评估全局弯曲效应。考虑铜与硅的体积比，使用Schapery方程确定有效材料特性。

铜收缩引起的局部应力分布被建模为由单个TSV引起的应力场的叠加。使用Ryu等人提出的模型计算单个TSV的应力分布，该模型考虑了由CTE不匹配产生的热应变。

图4显示了4μm TSV的分析模型与拉曼测量结果的比较。

图4：4μm TSV的分析模型与拉曼测量的比较。基于最佳拟合假设无应力温度为250°C。TSV相邻区域的残余应力分布(a)由分析模型预测和(b)通过拉曼光谱测量。(c)两个TSV之间间隙中的应力线分布。(d)应力与TSV直径的依赖关系。

应力等值线和线扫描显示理论预测与实验测量之间的显著一致性。分析模型成功捕捉到实验中观察到的应力与TSV直径之间的非单调关系。这种非单调趋势源于两种效应的竞争：

• 随着TSV直径增加，铜的体积比增加，增强了铜收缩的影响并增加了硅中的压缩应力
• 同时，更多的铜提供更大的力量使晶圆弯曲，在硅中产生拉伸
  
  

这些相互制衡的效应以不同速率随直径变化，弯曲在较小直径处占主导地位，然后在较大直径处让位于收缩效应。这些机制主导性的权衡导致了观察到的非单调应力模式。

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铜TSV的微观结构和机械强度

研究人员进行了电子背散射衍射(EBSD)分析，以表征退火前后TSV内铜的晶粒大小和取向。图5展示了EBSD图像和晶粒大小分析。

图5：(a)电镀态和(b)退火后TSV的横截面显示晶粒取向和大小的EBSD图像。TSV样品在成形气体中400°C退火1小时。(c)柱状图显示预退火和后退火TSV的面积加权平均晶粒大小与直径的依赖关系。

EBSD分析揭示TSV直径显著影响铜晶粒大小。较大的直径导致较大的晶粒，退火后平均晶粒大小大致与TSV半径成比例。例如，1μm直径的TSV退火后平均晶粒大小约为0.45μm，而4μm的TSV晶粒约为1.3μm。

这种直径依赖的晶粒大小对铜的机械性能有重要影响。根据Hall-Petch关系，较小的晶粒大小导致机械强度增加。较小的晶粒限制了位错的产生并增加了晶界的浓度，这限制了位错移动。这些效应结合在一起增强了较小TSV中铜的屈服强度。

观察到的弹性响应与微观结构特性之间的相关性表明，随着TSV直径缩小，由于晶粒较小而增强的屈服强度有助于在热退火后保持弹性热力学响应。这与先前研究一致，表明较大的TSV(直径>5μm)在退火后也会表现出弹性响应。

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结论

对TSV缩放效应的研究为3D集成技术的发展提供了重要见解。随着TSV直径从5μm缩小到1μm，产生了几个关键发现：

• TSV周围硅中的应力与TSV直径呈非单调关系，在约4.5μm处达到峰值
• 这种非单调行为源于全局晶圆弯曲和局部铜收缩效应之间的竞争
• 在研究的直径范围内，热力学响应保持主要为弹性
• 铜的晶粒大小与TSV半径成比例，较小的TSV具有较小的晶粒
• 减小直径的TSV中较小的晶粒大小通过Hall-Petch效应增强了机械强度，促成了观察到的弹性行为
  

这些发现对于TSV技术向亚微米尺寸的继续缩小具有重要意义。较小TSV中弹性响应的保持表明，随着行业向高密度3D集成迈进以用于先进计算架构，可靠性特性将有利于发展。

了解微观结构、机械性能和热力学应力之间的相互作用对于设计和优化接近1 TSV/μm的超高互连密度的下一代3D集成电路很重要。这些知识将有助于指导基于TSV的技术发展，用于未来的逻辑-逻辑和逻辑-存储应用，使得超越传统摩尔定律缩放的技术进步成为现实。