熱サイクル下におけるシリコン貫通ビアの信頼性と寿命評価
引用
Viljanto, H. (2015). 熱サイクル下におけるシリコン貫通ビアの信頼性と寿命の評価 (修士論文、アールト大学、電気工学部)。
簡単な
この修士論文では、さまざまな設計選択が信頼性に与える影響を調べ、信頼性テストを実行し、FEM やワイブル解析などの手法を使用して障害を解析することにより、熱サイクル下での銅充填シリコン貫通ビア (TSV) の信頼性と寿命に関する研究を紹介します。
まとめ
この修士論文では、銅充填シリコン貫通ビア (TSV) の信頼性を調査します。TSV は、3 次元集積回路 (3D IC) でスタックされたチップを接続するために使用される垂直電気接続です。この論文では、TSV 製造プロセス、信頼性の課題、および故障メカニズムに関する文献レビューを示し、部分的に銅充填されたテーパー ブラインド TSV の寿命と信頼性に関する実験的研究を実施します。
文献レビューでは、TSV の次の重要な側面を取り上げます。
- 製造プロセス:この論文では、ビアのエッチング、絶縁層とバリア層の堆積、ビアの充填など、TSV の作成に必要な手順について概説しています。
- 信頼性の課題: TSV の製造では、ビアのアスペクト比が高いため、さまざまな課題が生じます。この論文では、これらの課題が絶縁層とバリア層の品質にどのように影響し、漏電などの問題を引き起こす可能性があるかについて説明します。
- 故障メカニズム:この論文では、アクティブ シリコン領域への銅の拡散、絶縁層の絶縁破壊、エレクトロマイグレーション、熱応力など、TSV の一般的な故障メカニズムについて検討します。
実験研究にはいくつかの要素が含まれていました。
- 熱サイクル テスト: 420 個のビアを持つ 6 個と 1400 個のビアを持つ 3 個の合計 9 個のサンプルで熱サイクル テストを実施しました。このテストは、抵抗の変化を測定することで TSV の寿命と信頼性を評価することを目的としています。オープン サーキットが発生したサンプルは不合格とマークされました。
- 抵抗測定:この研究では、熱サイクル中の抵抗測定を記録しました。予想外に、ビア数の多いサンプルは、ビア数の少ないサンプルよりも耐久性が優れていました。ほとんどのサンプルで、デイジー チェーン ループ全体で抵抗が一貫して増加しており、欠陥が徐々に形成され、広がっていることを示唆しています。
- ワイブル分析:この統計手法は、熱サイクル テストのデータを分析し、TSV の寿命を推定するために使用されました。1,400 個のビアを持つチップのサンプル サイズが限られているため、このグループの分析の信頼性は低下しました。ただし、420 個のビアを持つサンプルについては、分析で有意義な結果が得られました。
- FEM シミュレーション:有限要素法 (FEM) シミュレーションを使用して、TSV 構造内の応力分布をモデル化しました。シミュレーションでは、ビアの底部の銅と二酸化シリコン層の交差点が最も破損しやすいポイントであることが一貫して特定されました。
- SEM イメージング:走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用してテスト サンプルを視覚的に検査し、故障箇所を特定しました。観察された故障は、FEM シミュレーションによって予測された重要な領域と一致していました。
調査結果から、テストされたテーパー環状 TSV は亀裂の形成と伝播の影響を受けやすく、最終的には故障につながることが示されています。この脆弱性は、テストされた TSV の特定の設計と製造プロセスに関連している可能性があります。論文は、TSV の故障メカニズムをより包括的に理解するために、より大きなサンプル サイズと高度なイメージング技術を使用したさらなる研究の重要性を強調して結論付けています。
出典: https://aaltodoc.aalto.fi/server/api/core/bitstreams/8c7673c9-c9a5-4b88-8d54-9a46a8c8fe19/content