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TSV可靠性綜述

2021年電子技術應用第2期

王碩1，馬奎1，2，楊發順1，2

1.貴州大學大數據與信息工程學院，貴州貴陽550025； 2.半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州貴陽550025

摘要： 對硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技術的可靠性進行了綜述，主要分為三個方面：熱應力，工藝和壓阻效應。TSV熱應力可靠性問題體現在不同材料之間的熱膨脹系數差異較大，過大的熱應力可能導致界面分層和裂紋;TSV工藝可靠性體現在側壁的連續性以及填充銅的質量;有源區中載流子的遷移率會受到TSV熱應力的影響。在TSV周圍規定一個保持區域(Keep-Out Zone，KOZ)。KOZ設置為載流子遷移率不超過5%的區域。當載流子遷移率超過5%，可能會導致電路的時序被破壞，使集成電路失效。

關鍵詞： TSV KOZ 熱應力熱膨脹系數

中圖分類號： TN3
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200767
中文引用格式： 王碩，馬奎，楊發順. TSV可靠性綜述[J].電子技術應用，2021，47(2)：1-6.
英文引用格式： Wang Shuo，Ma Kui，Yang Fashun. A review on TSV reliability[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(2)：1-6.

A review on TSV reliability

Wang Shuo1，Ma Kui1，2，Yang Fashun1，2

1.College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China； 2.Semiconductor Power Device Reliability Engineering Research Center of Ministry of Education，Guiyang 550025，China

Abstract： This paper reviews the reliability of TSV(through silicon via) in three aspects: thermal stress, process and piezoresistive effect. The thermal stress reliability of TSV is reflected in the great difference of thermal expansion coefficient between different materials, too large thermal stress may lead to interface delamination and cracks; the reliability of TSV process is reflected in the continuity of side wall and the quality of filled copper; the carrier mobility in the active region will be affected by the thermal stress of TSV. A KOZ(keep out zone) area around TSV is defined. The KOZ is set to the region where the carrier mobility does not exceed 5%. When the carrier mobility exceeds 5%, the timing of the circuit may be destroyed and the integrated circuit will fail.

Key words : TSV；KOZ；the thermal stress；coefficient of thermal expansion

0 引言

三維集成封裝技術被公認為是超越摩爾定律的第四代封裝技術。硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技術是三維封裝技術的關鍵^[1]。摩爾定律指出，硅片上的晶體管數量大約每兩年翻一番^[2]。然而，由于晶體管的縮放比例和漏電的限制^[3]，摩爾定律不能永遠持續下去。隨著晶體管尺寸越來越小，晶體管數量越來越多，晶體管之間的間距也越來越小。最終會引起量子隧穿效應，電子會在兩根金屬線之間隧穿，導致短路^[4-5]。因此，存在一個極限，超過這個極限，摩爾定律將失效。一種實現突破傳統摩爾定律的封裝摩爾定律被提出，封裝摩爾定律是基于三維集成封裝技術提出的^[6]。

TSV技術是指在硅片上進行微通孔加工，在硅片內部填充導電材料,通過TSV技術實現芯片與芯片之間的垂直互連，是三維封裝技術的關鍵技術^[7-8]。與傳統的金絲鍵合相比，TSV的優點是節省了外部導體所占的三維空間。TSV技術可以使微電子芯片封裝實現最緊密的連接和最小的三維結構。此外，由于芯片之間的互連線長度的縮短，大大降低了互連延遲，從而提高了運行速度。并且由于互連電阻的降低，電路的功耗也大大降低^[9]。TSV不僅廣泛地應用于信息技術，而且在飛機、汽車和生物醫學等新領域都得到了廣泛的應用，因為三維大規模集成電路具有很多優勢，如高性能、低功耗、多功能、小體積^[10]。TSV是一種顛覆性技術，被認為是實現“超越摩爾定律”的有效途徑，在未來主流器件的設計和生產中會得到廣泛應用。

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作者信息：

王碩1，馬奎1，2，楊發順1，2

(1.貴州大學大數據與信息工程學院，貴州貴陽550025；

2.半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州貴陽550025)

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