1、=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301012January2023Semiconductor Technology Vol48 No173基金项目:河南省重点研发与推广专项(科技攻关)项目(222102210207);河南省高等学校重点科研项目(20B510006)同轴硅通孔热应力诱导界面分层失效研究杨陈，张立文*，杨贺，黄慧霞，曹磊(河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳471023)摘要:界面分层失效已成为同轴硅通孔(TSV)应用中重要的热可靠性问题之一。构建有限元分析模型对其热可靠性进行仿真，发现在 TSV 结构中铜屏蔽环/SiO2界面顶端附近出现明显的热应力集中，可
2、能更易在该界面发生分层失效。为研究结构参数对铜/SiO2界面分层失效的影响，通过对中心铜导体半径、苯并环丁烯(BCB)厚度、铜屏蔽环厚度、SiO2厚度、硅衬底厚度、TSV 高度进行变参分析，计算了该界面分层裂纹尖端能量释放率。结果表明:铜屏蔽环厚度对界面能量释放率影响最大，中心铜导体半径次之，SiO2厚度、硅衬底厚度和 TSV 高度的影响较小，因此减小铜屏蔽环厚度能够有效提高铜屏蔽环/SiO2界面可靠性。关键词:界面分层;同轴硅通孔(TSV);有限元分析;热应力;能量释放率中图分类号:TN405.97;TN406文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01007307esearch
3、 on the Interface Delamination Failure of Coaxial ThroughSilicon Via Subjected to Thermal StressYang Chen，Zhang Liwen*，Yang He，Huang Huixia，Cao Lei(College of Information Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China)Abstract:Interface delamination failure has become on
4、e of the key thermal reliability issues incoaxial through silicon via(TSV)application A finite element analysis model was constructed tosimulate its thermal reliability It is found that a significant thermal stress concentration occurred near thetop of interface between copper(Cu)shield ring and SiO
5、2may be more likely to cause delamination fail-ure at the interface To study the influences of structural parameters on Cu/SiO2interface delaminationfailure，by changing the structure sizes of different parameters such as central copper radius，benzocyclobutene(BCB)thickness，Cu shield ring thickness，S
6、iO2thickness，silicon substratethickness，and TSV height，energy release rates of the delamination crack tip at the interface werecalculated The results show that the thickness of Cu shield ring has the greatest influence on energyrelease rates at the interface，followed by central copper radius，while S
7、iO2thickness，silicon substratethickness，and TSV height have little effect on it So，reducing the thickness of Cu shielding ring caneffectively improve the reliability of Cu shield ring/SiO2interfaceKeywords:interface delamination;coaxial through silicon via(TSV);finite element analysis;thermal stress
8、;energy release rateEEACC:0170N;2550F杨陈等:同轴硅通孔热应力诱导界面分层失效研究=74半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月0引言由于制造的复杂性和物理限制，传统平面集成电路的摩尔定律近年来面临挑战。三维集成技术的出现有望使集成电路的发展超越摩尔定律。硅通孔(TSV)技术通过垂直互连能够堆叠具有不同功能的多个硅层，具有改善互连性能、提高集成密度、减小芯片面积和功耗的优点，是实现三维集成互连的一种重要技术解决方案。常规圆柱型 TSV 具有加工简便、结构简单等特点，但在提高阵列密度方面却并不具有优势，因此衍生出环形、锥形、同轴等新结构的 TSV
9、结构14。其中，同轴 TSV 结构通过中心导体进行信号传输，周围环绕同心接地回路，使其携带信号的电磁场仅存在于中心导体与屏蔽环之间，同时不需要额外的接地 TSV，从而具有自屏蔽和抑制电磁干扰的特性，可大大提高 TSV的高频传输特性，已成为高频封装应用中首选的三维互连方式。传统 TSV 结构是由电镀铜填充的 Cu-Si 复合结构，但各材料间的热膨胀系数失配会产生热应力，造成界面分层、硅基体开裂等热可靠性问题，已成为影响 TSV 技术发展的重要因素56。目前国内外学者在 TSV 结构热可靠性方面已开展大量研究，但主要针对常规圆柱形 TSV 结构710。对同轴TSV 结构的热可靠性研究主要集中在热应
10、力方面。F J Wang 等人11 评估了同轴环形 TSV 中载流子迁移率受热应力的影响。丁英涛等人12 对苯并环丁烯(BCB)介质层同轴 TSV 的热力学特性进行了仿真分析。S Adamshick 等人13 利用微拉曼光谱技术通过实验的方法确定了热循环载荷下同轴TSV 结构的阻挡区。J C Zhao 等人14 针对射频微电子机械系统(MEMS)红外探测器设计了一种同轴 TSV 阵列结构，相较于传统结构大大降低了热应力。由于同轴 TSV 由内到外具有多层材料，结构更加复杂，并且近年来的理论分析和实验研究也表明，多层材料的薄弱部位位于层间，界面分层失效是其在应用中突出的可靠性问题。因此，对同轴T
11、SV 结构的界面分层研究具有重要的理论意义和应用价值。本文基于 ANSYS 有限元分析软件建立了同轴TSV 结构模型，模拟计算了同轴 TSV 结构的热应力和界面分层裂纹尖端能量释放率，通过对中心铜导体半径、BCB 介质层厚度、SiO2隔离层厚度、屏蔽环厚度、硅衬底厚度、TSV 高度分别进行变参分析，研究了这些参数对同轴 TSV 结构界面分层裂纹扩展的影响，探索了同轴 TSV 结构的界面分层机理，为同轴 TSV 在高密度集成电路中的可靠性设计和应用提供参考和依据。1模型建立与参数选择不同于传统 TSV 结构，同轴 TSV 使用中心导体作为信号传输线，并使用同轴外环导体作为信号返回路径。这使得同轴
12、 TSV 可自屏蔽并与周围环境隔离。同轴 TSV 的中心和外环导体之间可以填充低损耗并具有优异的电绝缘特性的材料，如BCB 或高阻硅，屏蔽环与硅衬底之间是 SiO2绝缘层，其结构如图 1 所示，图中 A 和 B 为预置裂纹的两个端点。图 1同轴 TSV 结构示意图Fig.1Structure diagram of a coaxial TSV假设整个 TSV 处于无缺陷的理想状态，考虑到同轴 TSV 的对称性，采用二维轴对称模型进行有限元建模，其模型几何参数如表 1 所示。有限元模型选择 PLANE182 对称单元，在模型左侧施加对称边界条件，在对称轴底端同时施加径向和轴向的位移约束，其他为自由
13、边界。由于裂纹尖端周围区杨陈等:同轴硅通孔热应力诱导界面分层失效研究=January2023Semiconductor Technology Vol48 No175域的应力和应变场梯度较大，为了获得准确结果，需要在裂纹尖端区域进行网格细化。因此，在对模型进行网格划分时，需指定裂纹尖端为奇异点，围绕裂纹尖端第一圈单元的半径取值应小于裂纹半长的 1/8;裂纹所在界面两边的铜屏蔽环和 SiO2层的网格划分较细(网格边长为 0.1 m)，在远离界面分层裂纹的区域，网格划分相对稀疏(网格边长为 0.5 m)，这样可以在保证模拟结果准确的同时提高模拟效率。考虑到铜电镀和退火温度一般为250350，本文假设
14、 TSV 的退火温度为 300，芯片工作在室温 25 下，对模型施加275 的静态温度载荷，将整个模型视为均匀受热。所用的材料均可视为各向同性线弹性材料，材料的参数值如表 2 所示。表 1同轴 TSV模型的几何参数Tab.1Geometry parameters of the coaxial TSV model参数值中心铜导体半径 rm/m5.0BCB 介质层厚度 td/m3.0屏蔽环厚度 tm/m2.0SiO2层厚度 tox/m0.1硅衬底厚度 L/m20.0TSV 高度 H/m50.0表 2同轴 TSV各层材料参数Tab.2Material parameters of each layer
15、 of the coaxial TSV材料杨氏模量/GPa泊松比热膨胀系数/(106K1)铜120.00.3517.0BCB2.90.3342.0SiO272.00.170.5硅130.00.282.32热应力分布及界面层裂分析在降温和升温载荷作用下，同轴 TSV 结构中的径向应力 rr和剪切应力 rz分布云图如图 2 所示，图中 t 为温度载荷，应力值的正负分别表示径向的拉伸和收缩力。可以看出，在降温和升温载荷下 TSV 结构内的铜与 BCB 都发生了明显的收缩和膨出现象，这是由于 BCB 与铜的热膨胀系数都比硅的热膨胀系数高很多，尤其是 BCB，更高的热膨胀系数导致其热变形更加突出。由图
16、2(a)可见，在 SiO2绝缘层顶端出现了方向相反的径向拉伸和收缩力，对 SiO2绝缘层顶端应力云图进行局部放大，可以看出由于降温载荷下铜与 BCB 产生了明显的收缩，在铜屏蔽环表面存在较大的径向收缩应力，在 SiO2绝缘层和硅衬底表面有很大的拉伸应力。降温载荷下在铜屏蔽环与 SiO2绝缘层界面顶端两侧径向应力方向正好相反，在径向应力的作用下该界面更容易产生型裂纹分层失效。另外，从图 2(b)可以看出，在降温载荷下 SiO2绝缘层与铜屏蔽环界面顶端附近产生了剪切应力极值，该剪切应力过大容易在该界面产生型裂纹分层失效。图 2两种温度载荷下同轴 TSV 结构的应力分布云图Fig.2Stress distribution contours of the coaxial TSV struc-ture under two temperature loads从图 2(c)和(d)可以看出，升温载荷下的同轴 TSV 的径向应力和剪切应力分布与降温载荷下方向完全相反。因此，在 SiO2绝缘层与铜屏蔽环界面不易产生型裂纹分层失效。但升温载荷下的剪切应力，虽然方向和降温载荷下剪切应力方杨陈等:同轴硅通孔热
