مواد و فرآیندهای رابط کلید TSV

TSVMساختگیTعلم جبهه شناسی

در فناوری تولید TSV ، این شامل هر دو محتوای مربوط به حرکات و عایق در فناوری تولید TSV است.

علاوه بر این ، سه پیوند اصلی تولید TSV: لایه سد ، لایه بذر و پر کردن مس نیز قابلیت اطمینان و هزینه را تعیین می کند.

این مقاله به شرح زیر است:

لایه چسبندگی و لایه مانع انتشار

لایه دانه

پر کردن مواد رسانا

لایه چسبندگی و لایه مانع انتشار

در فرآیند تولید TSV ، لایه چسبندگی و لایه سد پراکندگی ، رابط های کلیدی عملکردی بین ستون مس مس و لایه دی الکتریک هستند و فرآیند انتخاب و رسوب آنها به طور مستقیم قابلیت اطمینان طولانی مدت و مشکل ادغام فرآیند دستگاه را تعیین می کند.

Unlike planar interconnects, TSV's high aspect ratio structure places special requirements on the barrier layer: in addition to excellent Cu diffusion blocking ability, it is also necessary to solve the problem of conformal deposition in deep pores while balancing the stress of the film to avoid cracking or peeling. At present, the mainstream material system is dominated by tantalum (Ta)/tantalum nitride (TaN) and titanium (Ti)/titanium nitride (TiN), among which Ta-based materials have become the preferred scheme for high aspect ratio TSV due to their low resistivity (~20μΩ·cm), high step coverage ability and electromigration resistance. Ti-based materials have the advantages of strong adhesion to the SiO₂ dielectric layer (peel strength >5J/m²) و استرس کم (<100MPa), which are suitable for scenarios with strict mechanical reliability requirements.

عملکرد اصلی لایه سد انتشار ، مسدود کردن نفوذ اتم های مس به بستر سیلیکون است - ضریب انتشار مس در Si به اندازه 10⁻⁴cm²/s است. بنابراین ، لایه مسدود کننده نیاز به رعایت چندین شاخص عملکرد دارد: در مرحله اول ، ساختارهای آمورف (مانند برنزه) می توانند مسیر انتشار مرز دانه را از بین ببرند و در ضخامت زیر 10 نانومتر مسدود کنند. ثانیاً ، در TSV با نسبت عمق به عرض بیش از 20: 1 ، لایه سد باید به طور مداوم توسط فرآیند پاشیدن یا MOCVD پوشانده شود ، از جمله این که لکه دار شدن مگنترون با فناوری هدف استوانه ای می تواند پوشش مرحله را به بیش از 95 ٪ افزایش دهد. علاوه بر این ، کنترل استرس فیلم نازک بسیار مهم است - استرس ذاتی ناشی از عدم تطابق شبکه (به عنوان مثال ، انحراف استوکیومتری بین TA و N در طول رسوب برنزه) ، در حالی که استرس حرارتی ناشی از تفاوت در ضریب انبساط حرارتی بین فلز (CTE ~ 8ppm/k) و بستر سیلیکون (CTE ~ 3ppm/k) است. (به عنوان مثال ، قدرت لکه دار ، دمای بستر).

It is worth noting that there is a significant difference in the demand for barrier layers between TSV and planar interconnects: in planar interconnects, the thickness of the barrier layer at the 65nm node is 10nm, which accounts for 35% of the interconnect section, forcing the industry to develop ultra-thin barrier layers (such as Ru-based materials); Due to the large cross-sectional size (diameter >1μm) ، ضخامت لایه سد می تواند به ترتیب 100 نانومتری برسد ، و نیازی به فشار بیش از حد ضخامت نیست ، اما در عوض بر توانایی انطباق و بهینه سازی چسبندگی در سوراخ عمیق تمرکز می کند. به عنوان مثال ، فرآیند پاشیدن مدوله شده NH₃ می تواند در هنگام رسوب برنزه ، واکنش های نیتریدر را معرفی کند تا انرژی اتصال با لایه دی الکتریک سیو را بهبود بخشد و ضمن کاهش زبری جانبی به کمتر از 0.5 نانومتر.

از نظر پویایی صنعت ، فرآیند رسوب لایه اتمی (ALD) -TAN که اخیراً توسط IMEC ساخته شده است ، پوشش یکنواخت لایه سد داخلی TSV را با عمق و عرض نسبت 30: 1 از طریق پالس های پیش ساز متناوب حلقوی (TA (NME₂) ₅ و NH₃) به دست می آورد ، با یک انحراف ضخامت<2%; The new ionized sputtering technology launched by Applied Materials reduces the resistivity of TaN films to 25μΩ·cm, which is 30% higher than the traditional process. In addition, for GaN and other wide bandgap semiconductor TSV applications, the low-temperature (<200°C) TaN deposition solution developed by Tokyo Electron has passed the -55~150°C thermal cycling test, providing a reliable solution for third-generation semiconductor 3D integration.

لایه دانه

In the TSV manufacturing process, the seed layer is the key conductive interface between the plating Cu column and the diffusion barrier layer, and its material selection and deposition quality directly determine the reliability of the plating filling and the electrical properties of the device. Unlike planar interconnects, TSV's high aspect ratio structure places special demands on the seed layer: in addition to low resistivity and good crystal orientation control, it also needs to solve the problem of continuous coverage in deep holes while balancing film stresses to avoid cracking or peeling. At present, the mainstream material system is dominated by cobalt (Co), ruthenium (Ru) and copper (Cu), among which Co has become the preferred solution for high aspect ratio TSV due to its high adhesion (peel strength >3J/m²) و استرس کم (<50MPa) with the TaN barrier layer. Ru-based materials, on the other hand, have high conductivity (~7μΩ·cm) and anti-electromigration characteristics, making them suitable for high-frequency application scenarios.The core function of the seed layer is to provide a uniform cathode potential for the plating Cu and control the crystal orientation of the plating to reduce stress. In planar interconnects, the thickness of the blocking layer needs to be compressed to less than 2.4nm at the 32nm node, forcing the seed layer to develop towards ultra-thinning. However, due to the large cross-sectional size (diameter > 1μm), the thickness of the seed layer can reach the order of 100-200nm, which does not need to be over-compressed and focuses on the continuous coverage ability in the deep hole. For example, when using the physical vapor deposition (PVD) process, TSVs with a depth-to-width ratio of more than 20:1 are prone to the absence of the bottom seed layer or discontinuity below the spike, and the step coverage rate needs to be increased to more than 90% through process optimization (such as tilt angle deposition and multi-target collaborative sputtering).

شایان ذکر است که تفاوت معنی داری در الزامات لایه بذر بین TSV و اتصال مسطح وجود دارد: در اتصال مسطح ، فن آوری آبکاری لایه بدون بذر در زیر گره 45 نانومتر بررسی شده است ، که این روند را به صورت 30 ٪ با واریز مستقیم CU بر روی سطح لایه سد قلع ساده می کند. با این حال ، فرآیند تولید انبوه TSV هنوز هم برای اطمینان از پایداری آبکاری باید به لایه بذر تکیه کند ، به ویژه هنگامی که نسبت ابعاد از 30: 1 فراتر رود ، و تکنیک تقویت لایه بذر (مانند اصلاح مکانیکی شیمیایی (CMP) قبل از آبکاری) به وسیله ای ضروری تبدیل می شود.

0020-42287 Plate Perf 8inch EC WXZ

پر کردن مواد رسانا

در فرآیند تولید TSV ، پر کردن مواد رسانا ، به عنوان پیوند اصلی برای دستیابی به اتصال عمودی ، همیشه از نظر دشواری و هزینه فنی در رده اول قرار گرفته است. با تکامل مدارهای یکپارچه سه بعدی به گره های کوچکتر (مانند زیر 3 نانومتر) ، قطر TSV به 0.8-1.6μm فشرده شده است و نسبت ابعاد از 20: 1 فراتر رفته است ، که الزامات نهایی را برای فرآیند پر کردن مطرح می کند. محلول اصلی جریان فعلی هنوز تحت سلطه بر آبکاری مس (CU) است ، اما پیچیدگی فرآیند آن به مراتب فراتر از فرآیند سنتی دمشق است - تخمین زده می شود که آبکاری مس بیش از 40 ٪ از کل هزینه تولید TSV را هزینه می کند ، و زمان پر کردن تا چند ساعت است و به یک بطری در ظرفیت تولید تبدیل می شود.

چالش اصلی آبکاری سوراخ کور در محدودیت های فیزیکی ناشی از نسبت ابعاد بالا نهفته است: اول ، حمل و نقل یونی در سوراخ عمیق مسدود می شود ، و غلظت Cu²⁺ به طور شیب از دهانه به پایین کاهش می یابد و در نتیجه میزان رسوب کافی در پایین و به راحتی شکل حفره ها یا شکاف ها ایجاد می شود. ثانیا ، لایه بذر رسوب PVD مستعد ناپیوستگی است که نسبت ابعاد از 5: 1 فراتر رود ، که نقص آبکاری را بیشتر می کند. علاوه بر این ، خیس شدن سطح ضعیف منجر به احتباس حباب می شود ، چگالی جریان متمرکز در باز باعث ایجاد برآمدگی "سر قارچ" می شود ، و یک گودال بشقاب بشقاب در منطقه مرکزی شکل می گیرد که بیش از 30 ٪ زمان اضافی برای CMP بعدی طول می کشد. برای حل این مشکلات ، صنعت یک سیستم چند افزودنی (مانند PW1000 Ahementone) را با آبکاری معکوس پالس برای دستیابی به پر کردن "از پایین به بالا" با سرکوب میزان رسوب در دهانه اتخاذ می کند. در عین حال ، پیش درمانی خلاء و فناوری مرطوب کننده با کمک اولتراسونیک می تواند میزان حذف حباب را در داخل سوراخ کور به 95 ٪ افزایش دهد تا از نفوذ یکنواخت محلول آبکاری اطمینان حاصل شود.

0021-02983 TXZ سپر داخلی

به عنوان یک طرح تکمیلی ، تولید آب از طریق سوراخ به طور موثری با تبدیل VIA های کور به سوراخ ها و استفاده از آب بندی رسوب عرضی و پر کردن یک طرفه ، از مشکل حمل و نقل یون در VIA های عمیق جلوگیری می کند. اگرچه این فرآیند به مراحل نازک شدن ویفر و مراحل رسوب دو طرفه نیاز دارد ، اما می تواند با نسبت عمق به عرض بیش از 30: 1 پر شود و وابستگی به مواد افزودنی محلول را کاهش دهد. به عنوان مثال ، تجهیزات آبکاری دو طرفه تولید شده توسط مواد کاربردی ، همراه با فناوری آب بندی از طریق سوراخ و تنظیم جریان پویا ، زمان پر کردن را 40 ٪ در حالی که کنترل ضخامت لایه بیش از حد در 2 میکرومتر را کاهش می دهد ، کاهش می دهد و به طور قابل توجهی فرآیند CMP را ساده می کند.