Reliability and Lifetime Assessment of Through-Silicon Vias Under Thermal Cycling

热循环条件下硅通孔的可靠性和寿命评估

引用

Viljanto, H. (2015). 热循环条件下硅通孔的可靠性和寿命评估（硕士论文，阿尔托大学电气工程学院）。

关键词

  • 硅通孔 (TSV)
  • 可靠性
  • 热循环
  • 失效机制
  • 制造工艺
  • 有限元法 (FEM)
  • 威布尔分析
  • 铜
  • 三维集成

简介

本硕士论文通过考察不同设计方案对可靠性的影响、进行可靠性测试以及使用有限元法 (FEM) 和威布尔分析等技术分析故障，研究了热循环条件下铜填充硅通孔 (TSV) 的可靠性和寿命。

摘要

本硕士论文研究了铜填充硅通孔 (TSV) 的可靠性。TSV 是三维集成电路 (3D IC) 中用于连接堆叠芯片的垂直电连接。本论文综述了 TSV 制造工艺、可靠性挑战和失效机制的文献，并对部分铜填充锥形盲 TSV 的寿命和可靠性进行了实验研究。

文献综述涵盖了硅通孔 (TSV) 的以下关键方面：

  • 制造工艺：本文概述了创建 TSV 的步骤，包括蚀刻通孔、沉积绝缘层和阻挡层以及填充通孔。
  • 可靠性挑战：由于通孔的高纵横比，TSV 的制造面临着各种挑战。本文探讨了这些挑战如何影响绝缘层和阻挡层的质量，并可能导致漏电等问题。
  • 失效机制：本文研究了 TSV 中常见的失效机制，例如铜扩散到有源硅区域、绝缘层的介电击穿、电迁移和热应力。

实验研究包含以下几个部分：

  • 热循环测试：对 9 个样品进行了热循环测试，其中 6 个样品的通孔数量为 420 个，3 个样品的通孔数量为 1400 个。测试旨在通过​​测量电阻变化来评估 TSV 的寿命和可靠性。当样品出现开路时，则标记为失效。
  • 电阻测量：本研究记录了热循环过程中的电阻测量值。通孔数量较多的样品意外地比通孔数量较少的样品表现出更高的耐久性。大多数样品的菊花链环路电阻持续增加，表明缺陷逐渐形成并扩散。
  • 威布尔分析：采用这种统计方法分析热循环测试数据并估算硅通孔 (TSV) 的寿命。由于 1400 个通孔芯片的样本量有限，影响了该组分析的可靠性。然而，对于 420 个通孔的样品，分析得出了有意义的结果。
  • 有限元 (FEM) 仿真：采用有限元法 (FEM) 仿真对 TSV 结构内的应力分布进行建模。仿真结果一致表明，通孔底部铜层和二氧化硅层的交界处是最易发生故障的点。
  • 扫描电子显微镜 (SEM) 成像：采用扫描电子显微镜 (SEM) 对测试样品进行目视检查并识别故障点。观察到的故障与有限元仿真预测的关键区域一致。

研究结果表明，经测试的锥形环形硅通孔 (TSV) 易受裂纹形成和扩展的影响，最终导致失效。这种脆弱性可能与经测试的 TSV 的具体设计和制造工艺有关。论文最后强调，需要进一步研究更大的样本量和先进的成像技术，以更全面地了解 TSV 的失效机制。

来源：https://aaltodoc.aalto.fi/server/api/core/bitstreams/8c7673c9-c9a5-4b88-8d54-9a46a8c8fe19/content

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