硅通孔（TSV）的工艺引入热应力及其释放结构设计.pdf

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1、应用数学和力学，第35卷第3期AppliedMathematicsandMechanics2014年3月15日出版V01．35，No．3，Mar．15，2014文章编号：10000887(2014)03-0295—10⑥应用数学和力学编委会，ISSN1000—0887硅通孑L(TSV)的工艺引入热应力及其释放结构设计孙汉，王玮，陈兢，金玉丰(1．北京大学微电子学研究院，北京100871；2．北京大学深圳研究生院，广东深圳518055)摘要：在3DSiP(三维系统级封装)的TSV(硅通孔)的工艺制造过程中，热应力会引发TSV周围的载流子迁移率的改变，进而改变3D系统级封

2、装芯片的性能．针对这一问题，提出了一种TSV热应力释放槽结构，以期解决微机电系统(MEMS)应用的大尺寸TSV的热应力问题．在释放槽内外，硅衬底表面的应力得到有效隔离，表面应力大大降低．在结合可行工艺参数的基础上，通过数值模拟对比了3D与2D模型的区别、不同TSV材料的区别，计算应力释放槽的深度、位置、宽度等因素对硅衬底表面应力释放的效果，给出了TSV应力释放槽的布局建议．研究结果表明含有释放槽的TSV，释放槽外热应力可以减小至无释放槽情况下的40％一60％，保留区域的面积也相应降低．关键词：硅通孔；热应力释放；槽状结构；数值仿真；设计建议中图分类号：039；TK12

3、3文献标志码：Adoi：10．3879／j．issn．1000—0887．2014．03．008引言在集成性提高的方案中，SiP(systeminpackage，系统级封装)和SOC(systemonchip，片上系统)是未来微电子发展的两大方向，这为封装技术带来了深刻的机遇和挑战[11．TSV(throughsiliconvia)技术是3D系统级封装的核心技术之一．在3D集成电路(IC)及微机电系统(MEMS)封装过程中，通常需要多层芯片的垂直互联以减小互联面积．因此需要应用微纳加工方法竖直地在芯片上实现穿通的通孔，再填充金属来实现电学连接．由于TSV工艺与传统的微

4、加工技术兼容，并且尺度不断缩小、成本也逐年降低，目前较为主流的高级封装技术都会采用TSV作为3D互联方法．然而目前TSV技术仍面临一些亟待解决的关键问题，如TSV三维集成所带来的高集成度会在微器件／系统中产生更大的能耗、更高的温度；TSV制备工艺过程中由于工序工作温度不同也会在器件内产生严重的热应力等问题．其中，热应力由于会引起载流子的迁移率显著改变，进而影响器件性能，而备受关注．根据相关文献，100MPa的应力可使MOSFET中载流子的迁移率改变7％；而较大的TSV可能会产生1GPa量级的热应力l2】．目前通常应用的解决方案收稿日期：2013—10—06；修订日期：

5、2014—01—07基金项目：国家科技重大专项(2009ZX02038—02)作者简介：孙汉(1990一)，男，黑龙江人，硕士生(E-mail：1301213638@pku．edu．cn)；王玮(1977一)，男，黑龙江人，副教授，博士(通讯作者．E-mail：W．wang@ime．pku．edu．cn)295296孙汉王玮陈兢金玉丰是在TSV周围划分一定面积的保留区域(KOZ，keep—of-zone)，在保留区域设计的时候，通过数值仿真或实验，估算载流子迁移率改变的幅度，在器件设计时预留一定的空间．不设计对应力敏感的器件，以此规避热应力的负面影响，但同时也造成了衬

6、底面积的浪费．根据vorlMises应力原理，优化应力分布的最佳思路是在结构中设计适合的应力释放单元_3]．针对TSV引人应力问题，本文提出了一种应力释放槽的解决思路．应力释放槽是一种环绕TSV的槽型微结构，由于该槽的存在，从空间上隔离了TSV和有源区在表面热应力上的直接联系，使得应力释放槽外硅表面的热应力相对较小且变化平缓，由于仅占用一个较小的环形区域，同常规保留区域相比。有望节省更多的空间用于器件布置．本文通过数值模拟验证了应力释放槽的可行性，并分析了应力释放效果及其结构的优化设计．1TSV结构的热应力由于在工艺过程中。材料经历了从低温到高温再到低温的过程，硅和铜

7、等材料会有各自的热膨胀作用(硅的线膨胀系数约为铜的1／4，硅4．15x10K～，铜1．7×l0K)，加上材料的弹性模量有所差别(硅131GPa，铜110GPa)，就会在TSV周围硅体区产生热应力，从而影响表面器件的电学特性．基于第四强度理论VOI1Mises准则，TSV引起的硅表面热应力可以表示为=(／2)[(一)+(一IT：)+(一：)+6('r2xy+T2+下2)]，(1)其中，，，，分别是应力张量的，Y，z分量，即3个轴方向上的正应力．而．r，则分别是3个平面上的剪切应力．而在本文所采用的极坐标的模型中，应该采用or，or，or3个分量来表示总