TSV atslēgas saskarnes materiāli un procesi

TSVMavārijas veidošanaTekecholoģija

TSV ražošanas tehnoloģijā tas ietver gan caurumu kodināšanu, gan ar izolāciju saistītu saturu TSV ražošanas tehnoloģijā.

Turklāt trīs galvenās TSV ražošanas saites: barjeru slānis, sēklu slānis un Cu pildījums nosaka arī uzticamību un izmaksas.

Šis raksts ir aprakstīts šādi:

Adhēzijas slānis un difūzijas barjera slānis

Sēklu slānis

Vadošs materiālu pildījums

Adhēzijas slānis un difūzijas barjera slānis

TSV ražošanas procesā adhēzijas slānis un difūzijas barjeras slānis ir galvenās funkcionālās saskarnes starp metāla Cu kolonnu un dielektrisko slāni, kā arī to materiāla izvēli un nogulsnēšanas procesu tieši nosaka ierīces ilgtermiņa uzticamības un procesa integrācijas grūtības.

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) un zems stress (<100MPa), which are suitable for scenarios with strict mechanical reliability requirements.

Difūzijas barjeras slāņa pamatfunkcija ir bloķēt Cu atomu iespiešanos silīcija substrātā - Cu difūzijas koeficients Si ir pat 10⁻¹⁴cm²/s. Tāpēc bloķējošajam slānim ir jāatbilst vairākiem veiktspējas rādītājiem: pirmkārt, amorfās struktūras (piemēram, iedegums) var novērst graudu robežas difūzijas ceļu un panākt efektīvu bloķēšanu zem 10 nm biezuma; Otrkārt, TSV ar dziļuma un platuma attiecību vairāk nekā 20: 1, barjeras slānis ir nepārtraukti jāpārklāj ar spriegošanas vai MOCVD procesu, starp kuriem magnetrons spriežot apvienojumā ar cilindrisku mērķa tehnoloģiju, var palielināt soļa pārklājumu līdz vairāk nekā 95%. Turklāt plānas plēves stresa kontrole ir būtiska - iekšējais stress rodas no režģa neatbilstības (piemēram, stehiometriska novirze starp TA un N iedeguma nogulsnēšanās laikā), savukārt termisko spriegumu izraisa atšķirība termiskās izplešanās koeficientā starp metālu (CTE ~ 8ppm/k), un silikona substrāts, kas nepieciešams, lai samazinātu 150 mpm/k), un kopējais stress, kas jāpārāk vairāk nekā 150 mpm/k), un visaptveroši, lai samazinātu 150 mpm/k), un tilpums, kas ir vairāk nekā 15. (Piemēram, izšļakstīšanās jauda, substrāta temperatūra).

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), barjeras slāņa biezums var sasniegt 100 nm, un nav nepieciešams pārmērīgi pārvarēt biezumu, bet gan koncentrēties uz atbilstības spēju un adhēzijas optimizāciju dziļā caurumā. Piemēram, NH₃ modulētais stieples process var izraisīt nitring reakcijas iedeguma nogulsnēšanās laikā, lai uzlabotu saistīšanas enerģiju ar sio₂ dielektrisko slāni, vienlaikus samazinot sānu raupjumu līdz mazāk nekā 0,5 nm.

In terms of industry dynamics, the atomic layer deposition (ALD)-TaN process recently developed by IMEC achieves uniform coverage of the TSV inner barrier layer with a depth and width ratio of 30:1 through cyclic alternating precursor pulses (Ta(NMe₂)₅ and NH₃), with a thickness deviation of<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.

Sēklu slānis

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) un zems stress (<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).

Ir vērts atzīmēt, ka starp TSV un plakano starpsavienojumu ir ievērojama atšķirība sēklu slāņa prasībās: zem 45nm mezgla ir sākusies ar plakano savienojumu, bez sēklu slāņa pārklājuma tehnoloģija, kas vienkāršo procesa soli par 30%, tieši nogulsnējot Cu uz skārda barjera virsmas; Tomēr TSV masveida ražošanas procesam joprojām ir jāpaļaujas uz sēklu slāni, lai nodrošinātu galvanizācijas stabilitāti, it īpaši, ja malu attiecība pārsniedz 30: 1, un sēklu slāņa uzlabošanas tehnoloģija (piemēram, ķīmiskā mehāniskā pulēšana (CMP) pirms galvanizācijas) kļūst par nepieciešamu līdzekli.

0020-42287 Plate Perf 8inch EC WXZ

Vadošs materiālu pildījums

TSV ražošanas procesā vadītspējīga materiāla aizpildīšana, kā pamatne vertikālā savienojuma sasniegšanai, vienmēr ir ierindojies pirmajā vietā, ņemot vērā tehniskās grūtības un izmaksas. Ar 3D integrēto shēmu attīstību mazākiem mezgliem (piemēram, zem 3 nm), TSV diametrs ir saspiests līdz 0,8-1,6μm, un malu attiecība ir pārsniegusi 20: 1, kas izvirza galīgās prasības pildījuma procesam. Pašreizējā vispārējā šķīdumā joprojām dominē galvanizācijas varš (Cu), bet tā procesa sarežģītība ievērojami pārsniedz tradicionālā Damaskas procesa procesu - tiek lēsts, ka Cu galvanizācijas izmaksas, kas pārsniedz 40% no kopējām TSV ražošanas izmaksām, un aizpildīšanas laiks ir līdz vairākām stundām, kļūstot par sašaurinājumu ražošanas jaudā.

Neredzīgo caurumu pārklājuma galvenais izaicinājums slēpjas fiziskajos ierobežojumos, ko izraisa augsta malu attiecība: pirmkārt, jonu transports dziļajā caurumā tiek bloķēts, un Cu²⁺ koncentrācija samazinās gradienībā no atveres uz leju, kā rezultātā nepietiekams nogulsnēšanās ātrums apakšā un viegli veido dobumus vai spraugas. Otrkārt, PVD nogulsnēšanās sēklu slānis ir pakļauts pārtraukumam, ja malu attiecība pārsniedz 5: 1, kas vēl vairāk saasina galvanizācijas defektus. Turklāt slikta virsmas mitrināšana noved pie burbuļa aiztures, koncentrēta strāvas blīvuma atveres cēloņu "sēņu galvas" izspiesties, un centrālajā apgabalā veidojas apakštase formas bedre, kas nākamajam CMP prasa vairāk nekā 30% papildu laika. Lai atrisinātu šīs problēmas, nozare izmanto vairāku pievienošanos (piemēram, Enthone's PW1000) ar impulsu apgrieztu pārklājumu, lai sasniegtu "no apakšas uz augšu" aizpildīšanu, nomācot nogulsnēšanas ātrumu atverē. Tajā pašā laikā vakuuma pirmapstrāde un ar ultraskaņas palīdzību mitrināšanas tehnoloģija var palielināt burbuļa noņemšanas ātrumu aklā cauruma iekšpusē līdz 95%, lai nodrošinātu vienmērīgu šķīduma iespiešanos.

0021-02983 txz iekšējais vairogs

Kā papildu shēma caur caurumu galvanizācija efektīvi ļauj izvairīties no jonu transportēšanas problēmas dziļās Viasā, pārvēršot neredzīgos vias caur caurlaidēm un izmantojot šķērseniskās nogulsnēšanās blīvēšanu un vienvirziena pildījumu. Lai gan šim procesam ir nepieciešama papildu vafeļu retināšana un divpusēja nogulsnēšanās pakāpe, tas var sasniegt bezspēcības pildījumu ar dziļuma un platuma attiecību vairāk nekā 30: 1 un samazināt atkarību no galvanizācijas šķīduma piedevām. Piemēram, divvirzienu apšuvuma aprīkojums, ko izstrādā lietišķie materiāli, apvienojumā ar caurumu blīvējuma tehnoloģiju un dinamisko strāvas regulēšanu, samazina pildījuma laiku par 40%, vienlaikus kontrolējot pārmērīgas pārklājuma slāņa biezumu 2 μm robežās, ievērojami vienkāršojot CMP procesu.