Τα υλικά και οι διαδικασίες κλειδιού κλειδιού TSV

ΤσιMανυψώνονταςTηχοειδής

Στην τεχνολογία κατασκευής TSV, περιλαμβάνει τόσο τη χάραξη όσο και τη μόνωση που σχετίζεται με τη μόνωση στην τεχνολογία κατασκευής TSV.

Επιπλέον, οι τρεις μεγάλοι σύνδεσμοι της κατασκευής TSV: στρώμα φραγμού, στρώμα σπόρων και πλήρωση Cu καθορίζουν επίσης την αξιοπιστία και το κόστος.

Αυτό το άρθρο περιγράφεται ως εξής:

Στρώμα στρώματος προσκόλλησης και διάχυσης

Στρώμα σπόρου

Γέμιση αγώγιμων υλικών

Στρώμα στρώματος προσκόλλησης και διάχυσης

Στη διαδικασία κατασκευής TSV, το στρώμα προσκόλλησης και το στρώμα φραγμού διάχυσης είναι οι βασικές λειτουργικές διεπαφές μεταξύ της στήλης μεταλλικής Cu και της διηλεκτρικής στρώσης και η διαδικασία επιλογής υλικού και εναπόθεσης καθορίζουν άμεσα τη μακροπρόθεσμη δυσκολία αξιοπιστίας και ενσωμάτωσης της συσκευής της συσκευής.

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) και χαμηλή τάση (<100MPa), which are suitable for scenarios with strict mechanical reliability requirements.

Η βασική λειτουργία του στρώματος φραγμού διάχυσης είναι να εμποδίσει τη διείσδυση των ατόμων Cu στο υπόστρωμα του πυριτίου - ο συντελεστής διάχυσης του Cu στο Si είναι τόσο υψηλός όσο 10 ⁴cm2/s/s. Ως εκ τούτου, το στρώμα αποκλεισμού πρέπει να πληροί πολλαπλούς δείκτες απόδοσης: πρώτον, οι άμορφες δομές (όπως το TAN) μπορούν να εξαλείψουν τη διαδρομή διάχυσης των ορίων των κόκκων και να επιτύχουν αποτελεσματικό μπλοκάρισμα σε πάχος υπο-10NM. Δεύτερον, στο TSV με αναλογία βάθους προς πλάτος άνω των 20: 1, το στρώμα φραγμού πρέπει να καλύπτεται συνεχώς από τη διαδικασία ψεκασμού ή MOCVD, μεταξύ των οποίων το μαγνητρόνιο sputtering σε συνδυασμό με την κυλινδρική τεχνολογία στόχου μπορεί να αυξήσει την κάλυψη βημάτων σε περισσότερο από 95%. Επιπλέον, ο έλεγχος στρες λεπτού φιλμ είναι κρίσιμος - το εγγενές στρες προκύπτει από την αναντιστοιχία πλέγματος (π.χ., η στοιχειομετρική απόκλιση μεταξύ ΤΑ και Ν κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης TAN), ενώ η θερμική τάση προκαλείται από τη διαφορά σε θερμική διαστολή μεταξύ του μετάλλου (CTE ~ 8ppm/k) και του υποστρώματος πυριτίου (CTE ~ 3ppm/k) και το συνολικό στρες πρέπει να μειώνεται για να μειωθεί από το 150mpa -k) (π.χ. ισχύς ψεκασμού, θερμοκρασία υποστρώματος).

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), το πάχος του στρώματος φραγμού μπορεί να φτάσει στη σειρά των 100nm και δεν υπάρχει ανάγκη να υπερπληρωθεί το πάχος, αλλά να επικεντρωθεί στην ικανότητα συμμόρφωσης και στη βελτιστοποίηση της προσκόλλησης στη βαθιά οπή. Για παράδειγμα, η διαμορφωμένη διαδικασία ψεκασμού NH₃ μπορεί να εισαγάγει αντιδράσεις νιτρικής κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης TAN για τη βελτίωση της ενέργειας δέσμευσης με το διηλεκτρικό στρώμα Sio₂ μειώνοντας παράλληλα την τραχύτητα του πλευρικού τοιχώματος σε λιγότερο από 0,5nm.

Όσον αφορά τη δυναμική της βιομηχανίας, η διαδικασία απόθεσης ατομικής στρώσης (ALD) -TAN που αναπτύχθηκε πρόσφατα από την IMEC επιτυγχάνει ομοιόμορφη κάλυψη του εσωτερικού στρώματος φραγμού TSV με αναλογία βάθους και πλάτους 30: 1 έως κυκλικού εναλλασσόμενου προδρόμου (TA (NME₂) ₅ και NH₃),<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.

Στρώμα σπόρου

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) και χαμηλή πίεση (<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).

Αξίζει να σημειωθεί ότι υπάρχει σημαντική διαφορά στις απαιτήσεις του στρώματος σπόρου μεταξύ TSV και επίπεδης διασύνδεσης: σε επίπεδη διασύνδεση, η τεχνολογία επένδυσης χωρίς σπόρους έχει αρχίσει να διερευνάται κάτω από τον κόμβο 45nm, ο οποίος απλοποιεί τη διαδικασία βήμα κατά 30% με άμεση εναπόθεση Cu στην επιφάνεια του στρώματος κασσίτερου. Ωστόσο, η διαδικασία μαζικής παραγωγής του TSV πρέπει ακόμα να βασίζεται στο στρώμα σπόρων για να εξασφαλίσει ότι η σταθερότητα της επιμετάλλωσης, ειδικά όταν η αναλογία διαστάσεων υπερβαίνει το 30: 1 και η τεχνολογία βελτίωσης του στρώματος σπόρων (όπως η χημική μηχανική στίλβωση (CMP) πριν από την ηλεκτρολυτική) γίνεται απαραίτητο μέσο.

0020-42287 Πλάκα Perf 8inch EC WXZ

Γέμιση αγώγιμων υλικών

Στη διαδικασία κατασκευής TSV, η πλήρωση αγώγιμων υλικών, ως ο βασικός σύνδεσμος για την επίτευξη κατακόρυφης διασύνδεσης, κατέλαβε πάντοτε την πρώτη θέση όσον αφορά την τεχνική δυσκολία και το κόστος. Με την εξέλιξη των 3D ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε μικρότερους κόμβους (όπως κάτω από 3nm), η διάμετρος TSV έχει συμπιεστεί σε 0,8-1,6μm και ο λόγος διαστάσεων έχει ξεπεράσει τις 20: 1, η οποία προωθεί τις τελικές απαιτήσεις για τη διαδικασία πλήρωσης. Το τρέχον κύριο διάλυμα εξακολουθεί να κυριαρχείται από τον ηλεκτροκαταστημένο χαλκό (CU), αλλά η πολυπλοκότητα της διαδικασίας υπερβαίνει κατά πολύ τη διαδικασία της παραδοσιακής διαδικασίας της Δαμασκού - εκτιμάται ότι το κόστος επένδυσης CU πάνω από το 40% του συνολικού κόστους κατασκευής του TSV και ο χρόνος πλήρωσης είναι μέχρι και αρκετές ώρες, καθιστώντας την συμφόρηση στην παραγωγική ικανότητα.

Η βασική πρόκληση της επένδυσης τυφλών οπών έγκειται στους φυσικούς περιορισμούς που προκαλούνται από την υψηλή αναλογία διαστάσεων: πρώτον, η μεταφορά ιόντων στην βαθιά οπή εμποδίζεται και η συγκέντρωση Cu² ⁺ μειώνεται από το άνοιγμα προς το κάτω Δεύτερον, το στρώμα σπόρου της εναπόθεσης PVD είναι επιρρεπής σε ασυνέχεια όταν ο λόγος διαστάσεων υπερβαίνει το 5: 1, η οποία επιδεινώνει περαιτέρω τα ελαττώματα επένδυσης. Επιπλέον, η κακή διαβρεξιμότητα της επιφάνειας οδηγεί σε συγκράτηση φυσαλίδων, συμπυκνωμένη πυκνότητα ρεύματος στο άνοιγμα προκαλεί διόγκωση "Head Mushroom" και σχηματίζεται σε σχήμα λουριού σε σχήμα πιατάκι στην κεντρική περιοχή, η οποία διαρκεί περισσότερο από 30% επιπλέον χρόνο για επακόλουθο CMP. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, ο κλάδος υιοθετεί ένα σύστημα πολλαπλών προσθέτων (όπως το PW1000 του Enthone) με παλμική αντίστροφη επένδυση για να επιτευχθεί η πλήρωση "από τη βάση προς τα πάνω", καταστέλλοντας τον ρυθμό εναπόθεσης στο άνοιγμα. Ταυτόχρονα, η προεπεξεργασία κενού και η τεχνολογία διαβροχής με υπερηχητική υποβοηθούμενη από υπερήχους μπορούν να αυξήσουν τον ρυθμό απομάκρυνσης των φυσαλίδων μέσα στην τυφλή οπή στο 95% για να εξασφαλιστεί η ομοιόμορφη διείσδυση του διαλύματος επιμετάλλωσης.

0021-02983 TXZ Εσωτερική ασπίδα

Ως συμπληρωματικό σχήμα, η ηλεκτρολυτική μέσω της οπής αποφεύγει αποτελεσματικά το πρόβλημα της μεταφοράς ιόντων σε βαθιές βδροποιίες μετατρέποντας τις τυφλές βδέλες σε διαδόχους οπές και χρησιμοποιώντας σφράγιση εγκάρσιας εναπόθεσης και μη κατευθυνόμενη πλήρωση. Παρόλο που αυτή η διαδικασία απαιτεί πρόσθετη αραίωση πλακιδίων και βήματα εναπόθεσης διπλής όψης, μπορεί να επιτύχει πλήρωση μη κοινοτήτων με αναλογία βάθους προς πλάτος άνω των 30: 1 και να μειώσει την εξάρτηση από τα πρόσθετα διαλύματος επιμετάλλωσης. Για παράδειγμα, ο αμφίδρομος εξοπλισμός επιμετάλλωσης που αναπτύχθηκε από τα εφαρμοσμένα υλικά, σε συνδυασμό με την τεχνολογία σφράγισης και τη δυναμική ρύθμιση του δυναμικού ρεύματος, μειώνει το χρόνο πλήρωσης κατά 40%, ενώ ελέγχει το πάχος του υπερβολικού στρώματος εντός 2 μm, απλοποιώντας σημαντικά τη διαδικασία CMP.