TSV[过硅通孔]新型互连材料以及方法探究

TSV通孔的金属填充
金属填充的不足
金属TSV通孔互连线的制备工艺，一般都是化学电镀法
或物理溅射的方法。但是，由于TSV通孔过大的高宽比，使 得金属填充的质量不是很高。
金属互连线在大电流工作状态下，容易发生金属离子
的电迁移而使得互连线出现空洞，容易引起器件失效。
3D-IC结构的特殊性，器件的发热问题比较严重，在
3D-IC中一般都是通过TSV通孔互连线散热，而一般金属的 导热性都不够优越。
新型材料填充
CNT的特点：
优良的电特性 优于金刚石的导热性 良好的机械性能 优良的热稳定性
新型材料填充
CNT-TSV通孔填充流程
新型材料填充
CNT-TSV通孔填充面临的问题
催化剂的制备
CNT的生长
TSV通孔过大的深宽比
15kV ×850 20μ m 1653SEI
ຫໍສະໝຸດ Baidu
溅射后通孔中部的SEM 图片
TSV通孔的金属填充
目前常用的金属填充材 料为铜，填充工艺一般 为电镀方法。 电镀工艺包括淀积黏附 阻挡层、种子层、电镀 填孔。黏附层可以较好 地粘附种子层，阻挡层 防止铜向SiO2中扩散。
电镀法向TSV填充铜后的显微镜照片
TSV通孔互连工艺介绍
任 君
2014-9-14
Outline
TSV简介 通孔形成 绝缘层制备 金属填充 新型材料填充
TSV简介
3D电路
互连线能 耗增大
互连线 电阻增 大 互连线 延迟增 大 电迁移 现象严 重
2D电路 发展遇到的 问题
芯片规模 受到芯片 面积限制
TSV简介
3D电路 三维集成电路3D-IC
5kV ×3300 5 μ m
1952 SEI
热氧化工艺后通孔局部SEM照片
TSV通孔绝缘层的制备
在某些工艺中也有沉积绝缘层之前已 经完成一些金属化或者与高温工艺不 兼容的工艺，这种情况下也可以选择 工艺温度为200～400℃的PECVD工 艺制作TSV的绝缘层。
TSV通孔的金属填充
PVD法填充金属 使用PVD的方法向 TSV通孔中填充金 属。由于TSV通孔 过大的高宽比，使 得填充效果不理想。
减小互 连线上 的损耗
TSV通孔形成
目前应用于存储芯片和其他微电子领域的TSV 工艺芯片厚度一般在20～100μｍ，TSV直径为 8～20μｍ，深宽比为５～10。
深反应刻蚀
（deep reactiveion ion etching, DRIE）
DRIE是一种电感耦合等离子－反应离子刻蚀设备， 通过电感耦合增加反应离子的能量和浓度，使用 SF6气体作为反应气体实现硅的快速刻蚀。
激光刻蚀
TSV通孔形成
DRIE刻蚀后通孔SEM照片
TSV通孔绝缘层的制备
目前TSV通孔互连材料的 研究热点多为金属材料。 金属与硅基底之间需要沉 积一层绝缘层以确保电互 连的稳定。如果该工艺之 前没有金属层，热氧化工 艺可以在侧壁形成一层致 密的SiO2，其工艺温度为 700～1150℃，具有良好 的侧壁覆盖性能。
CNT空间占有率过低 CNT与上下电极金属接触电阻过大
新型材料填充
针对于： CNT空间占有率过。
CNT与上下电极金 属接触电阻过大。
提出的解决方案
新型材料填充
将会遇到的问题：
如何解决TSV过大的深 宽比所带了的： 催化剂制备问题 CNT生长问题 CNT聚合后金属填 充的问题。
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Three Dimensional Integrated Circuit
所谓的3D-IC是指由多个晶 片纵向堆叠组成的集成电路， 每个晶片之间的器件由过硅 通孔互连。
Through-Silicon-Via TSV
TSV简介
3D电路
TSV通孔 3D-IC 互连
降低器 件的RC 延迟
增加芯片单位面 积上的器件密度