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3D IC-TSV技术与可靠性研究摘要：对三维（3 Dimension，3D）堆叠集成电路的硅通孔(Through Silicon Via，TSV)互连技术进行了详细的介绍，阐述了TSV的关键技术与工艺，比如对准、键合、晶圆减薄、通孔刻蚀、铜大马士革工艺等。
着重对TSV可靠性分析的重要性、研究现状和热应力分析方面进行了介绍。
以传热分析为例，实现简单TSV模型的热仿真分析和理论计算。
最后介绍了TSV技术市场化动态和未来展望。
关键词： 3D-TSV；通孔；晶圆减薄；键合；热可靠性0 引言随着半导体制作工艺尺寸缩小到深亚微米量级，摩尔定律受到越来越多的挑战。
首先，互连线(尤其是全局互连线)延迟已经远超过门延迟，,这标志着半导体产业已经从“晶体管时代”进入到“互连线时代”。
为此，国际半导体技术路线图组织(ITRS)在 2005 年的技术路线图中提出了“后摩尔定律”的概念。
“后摩尔定律”将发展转向综合创新，而不是耗费巨资追求技术节点的推进。
尤其是基于TSV(Through Silicon Via)互连的三维集成技术，引发了集成电路发展的根本性改变。
三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit，3D IC)可以将微机电系统(MEMS)、射频模块(RF module)、内存(Memory)及处理器(Processor)等模块集成在一个系统内[1]，，大大提高了系统的集成度，减小了功耗，提高了性能，因此被业界公认为延续摩尔定律最有效的途径之一，成为近年来研究的热点。
目前3D集成技术主要有如下三种：焊线连接(Wire-Bonding)、单片集成(Monolithic Integration)和TSV技术[2]。
焊线连接是一种直接而经济的集成技术，但仅限于不需要太多层间互连的低功率、低频的集成电路。
单片集成是在同一个衬底上制作多层器件的新技术，它的应用受到工艺温度要求很高和晶体管质量较差等约束。
高端集成电路引线框架铜合金材料研发与应用引言随着科技的不断进步和人们对高质量电子设备的需求日益增长，高端集成电路作为电子产品的核心部件，对于材料的要求也越来越高。
其中，引线框架是集成电路中非常重要的组成部分，它承担着电信号传输和功耗控制的关键任务。
铜合金作为一种优质的引线框架材料，具有良好的导电性、导热性和机械强度，因此在高端集成电路中得到广泛应用。
本文将深入探讨高端集成电路引线框架铜合金材料的研发与应用。
研发历程铜合金材料的优势1.优良的导电性：铜合金具有出色的电导率，能够快速传导电信号，提高集成电路的工作效率。
2.良好的导热性：铜合金具有较高的导热系数，能够有效散热，保证集成电路的稳定性。
3.高强度和耐腐蚀性：铜合金具有较高的机械强度和抗腐蚀能力，能够提供可靠的引线支撑。
研发目标1.提高铜合金的导电性和导热性；2.提高铜合金的机械强度和耐腐蚀性；3.降低铜合金的成本。
研发方法和过程1.材料筛选：通过大量实验和数据分析，筛选出具备良好导电性和导热性的铜合金材料；2.工艺优化：优化材料的制备工艺，提高材料的机械强度和耐腐蚀性；3.合金配比调整：通过调整铜合金的配比，降低材料的成本；4.综合评估：对优化后的铜合金材料进行综合评估，选取最优方案。
应用案例案例一：5G通信领域随着5G技术的快速发展，高端集成电路在5G通信领域的应用越来越广泛。
在此背景下，高导电性、高导热性和高强度的铜合金引线框架成为必备的关键材料。
通过引线框架的优化设计和铜合金材料的应用，可以提高5G通信设备的性能，实现更快的数据传输和更低的功耗。
案例二：人工智能芯片人工智能芯片作为近年来的热门领域，对高端集成电路的要求也越来越高。
铜合金引线框架因其优越的导电性和导热性，在人工智能芯片中得到广泛应用。
通过铜合金引线框架的应用，可以提高人工智能芯片的计算速度和稳定性，进一步推动人工智能技术的发展。
案例三：工业自动化在工业自动化领域，高端集成电路引线框架铜合金材料的应用也十分重要。
芯片钴互连及其超填充电镀技术的研究进展
魏丽君;周紫晗;吴蕴雯;李明;王溯
【期刊名称】《电化学》
【年(卷),期】2022(28)6
【摘要】芯片中的钴互连作为铜互连之后的下一代互连技术受到了业界的极大关注,且已经引入集成电路7 nm以下的制程。
钴互连主要采用湿法的电化学沉积技术,但由于保密原因和研究条件的限制,其研究报道不多。
本文基于现有专利、文献报道较系统地介绍了钴互连技术的优势及发展现状,并从溶液化学和电化学角度综述了钴互连电镀基本工艺、基础镀液组成与添加剂、超填充电镀机理,以及镀层退火控制与杂质影响等的研究现状,并对钴互连技术下一步研究进行了展望。
【总页数】13页(P18-30)
【作者】魏丽君;周紫晗;吴蕴雯;李明;王溯
【作者单位】上海交通大学材料科学与工程学院;上海新阳半导体材料股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.超深亚微米芯片互连线电感提取技术及应用
2.基于超材料构建的PCB通信信道芯片无线互连通信研究
3.芯片铜互连电镀添加剂浓度对镀层性能的影响
4.芯片铜
互连电镀液填补国内空白5.上海新BB65—45nm芯片铜互连超高纯电镀液及添加剂研发
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3D IC中全铜互连热应力分析王志敏;黄秉欢;叶贵根;李逵;巩亮【期刊名称】《微电子学与计算机》【年(卷),期】2023(40)1【摘要】三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)技术相比于二维封装形式具有互连长度短、异构集成度高、功耗低以及封装尺寸小等特点.因为铜基体具有优异的导电性、抗电迁移性和机械性能,全铜互联结构替代了焊球作为连接结构应用于3D IC中.本文通过数值模拟研究了含有全铜互连和微流道结构的3D IC模型在循环温度载荷下的热可靠性,分析了全铜互联高度对模型内部热应力的影响.结果表明,全铜互连部分的最大热应力与铜柱所处的空间位置相关,离模型中心越远,铜柱内的变形越大.同时,最危险铜柱内部应力分布和变形情况表明,由于铜柱上下端面所受载荷性质不同,铜柱在热载荷作用下的Mises应力大致呈左右及上下对称分布.这会导致铜柱的潜在失效模式是轴向压缩和剪切共同作用下的断裂或损伤.另外,最大Mises应力随铜柱高度的增加而逐渐减小,当铜柱高度为300 gm 时最大Mises应力趋于稳定,可以为全铜互连可靠性设计提供参考.【总页数】8页(P97-104)【作者】王志敏;黄秉欢;叶贵根;李逵;巩亮【作者单位】中国石油大学(华东)石大山能新能源学院;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院;西安微电子技术研究所【正文语种】中文【中图分类】TN402【相关文献】1.铜互连兆声清洗中结构损伤预测的有限元分析2.IC封装中引线键合互连特性分析3.防污漆中全锡与全铜分析的微波溶样前处理方法研究4.胃癌患者3D全腹腔镜根治术中应用改良Overlap吻合的疗效及安全性分析5.铜互连布线及其镶嵌技术在深亚微米IC工艺中的应用因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
铜互连技术2008-2-18周江涛、周长聘、严玮俊、沈系蒙、陈龙摘要:在集成电路中采用双镶嵌工艺制备互连线，铜作为互连线的材料具有低电阻率和较好的抗电迁移能力等优点，同时存在新的缺陷模式如沟槽缺陷、气泡缺陷、金属缺失等，目前的工作主要是该工艺的完善。
本文将按如下次序介绍:Cu淀积(用于生长籽晶);铜图形化方法,,铜图形化有三种方法:镶嵌工艺(damascene), 剥离工艺 , 铜刻蚀;抛光(完成互连制备)。
铜互连工艺简介:Cu的互连工艺最早在1997年9月由IBM提出来的，被称为是镶嵌工艺(也称大马士革)。
并应用于制备微处理器、高性能存储器及数字信号处理器等等。
它采用对介电材料的腐蚀来代替对金属的腐蚀来确定连线的线宽和间距。
镶嵌工艺分为单镶嵌和双镶嵌。
它们的区别就是在于穿通孔和本曾的工艺连线是否是同时制备的。
2、铜籽晶层制备经过一系列布线刻槽和穿通孔加工完毕后，是Cu的淀积过程。
由于铜虽然电阻率和电迁移特性优于铝, 但是也有不如铝的方面。
铜对二氧化硅等材料的粘附性很弱,而且在二氧化硅中的扩散系数很大, 所以铜互连线外面需要有一层DBA P (diffuSion barrier and adheSion promoter) , 简称为阻挡层(barrier) , 阻挡层可为氮化硅(Si3N4 )、氮化钛(T iN )、氮化钨(WN )、钽(Ta) 等。
为了能更好地电度上Cu，需要先做上一层薄薄的Cu籽晶层,它对二氧化硅等材料的粘附性却很强，之后再电度Cu。
目前有多种途径来生长种籽层:(溅射法、化学气相淀积法、原子层淀积法)。
A、溅射法制备种籽层:溅射是物理气相淀积的形式之一，具有工艺简单，能够淀积2008-2-18高熔点的金属和原位溅射刻蚀等优点。
因此溅射是目前集成电路工业铜种籽层最主要的制备方法。
由于铜容易与其他材料发生反应，粘附系数高，因此在填充高宽比大的引线孔和沟槽时，往往会先将洞口上方堵塞，从而在引线孔和沟槽中留下孔洞，无法完全填充，这样势必会对器件造成很大影响。
浅谈现代集成电路28nm芯片制造工艺A(前端FEOL) 全球90%以上集成电路都是CMOS工艺制造的，经历了半个多世纪发展进化，芯片集成度从一个芯片包含几十个器件进化到几十亿个器件。
从上世纪60年代MOS器件采用铝栅工艺，70年代采用了硅栅工艺，铝线互连，进化到现代集成电路采用高K金属栅、超低k介质多层铜线互连，以及FD-SOI和FinFET立体结构。
制造工艺也越来越复杂。
下面就纳米级体硅平面型CMOS集成电路工艺流程，展现芯片先进制程不断丰富现代集成电路制造工艺。
1）现将几种先进制程工艺简介如下：50多年发展，集成电路制造过程工艺越来越复杂，先进制程不断完善。
首先为了抑制短沟道效应，提高栅极对沟道的控制能力，提高栅极电容，栅氧化层厚度不断减薄。
对于厚度大于4nm的栅氧化层，SiO2是理想的绝缘体，不会形成栅漏电流。
当纯二氧化硅厚度小于3nm时，衬底的电子以量子形式穿过栅介质进入栅极，形成栅极漏电流。
（量子隧穿）栅极漏电导致功耗增加，IC 发热且阈值电压飘移，可靠性降低。
为提高介质绝缘特性，当特征尺寸达到0.18μm时采用氮氧化硅代替二氧化硅。
特征尺寸进入90nm节点，单纯缩小厚度不能满足器件性能的要求了，于是采用提高氮氧化硅含氮量以增加介电常数k，但SiON厚度低于14Å会严重遂穿，栅极漏电剧增。
45nm节点之后氮氧化硅已经不能满足mos器件正常工作的要求，开始使用高k介质HfO2代替SiON来改善栅极漏电问题，同时采用金属栅解决费米能级钉扎和多晶硅栅耗尽问题。
尽管在0.35μm技术节点开始采用掺杂多晶硅与金属硅化物（WSi）鈷（镍）多晶硅化物栅叠层代替多晶硅栅，降低了多晶硅栅的电阻。
但金属栅电阻要比金属硅化物还要小。
高k金属栅HKMG.采用高k介质材料替代SiO2。
二氧化硅k=3.9,氮氧化硅k=4~7，高K介质(HfO2和,HfSiON）=15~25。
同样等效氧化层厚度时，高k材料的物理厚度是SiO2的3~6倍。
互连线概念互连线及布线系统的功能：分配时钟信号和其他信号，以及提供电源线和地线。
互连线的基本发展要求是满足在尺寸进一步缩小的情况下，能够更高速的传输信号。
采用Cu-CMP的大马士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功应用到IC制造中的铜制程工艺。
器件的可靠性和集成电路互连系统的可靠性是制约芯片寿命的两个关键因素，因此集成电路互连系统的可靠性一直是IC设计和制造所关心的重要问题。
Al，Cu优缺点集成电路技术的进步和更新换代是以所加工最小特征尺寸的缩小、硅片尺寸的增加及芯片集成度的增加为标志的。
新技术新工艺的发展要求引入新的互连技术来突破传统互连的局限性。
第一代互连技术是以铝和铝合金作为导体材料，二氧化硅作为绝缘介质材料的铝互连技术。
在超大规模集成电路(VLSI)时代及以前的集成电路中，铝互连技术基本上可以满足电路性能的要求，从而得到了广泛的应用。
但是随着器件特征尺寸进入深亚微米领域，这就要求金属互连线的宽度不断减小，金属互连线的层数不断增加。
但是由于采用铝(舢)作为互连材料，随着互连层数和长度的增加以及宽度的减小，铝互连线电阻增加，使得电路的延迟时间、信号衰减以及串扰效应增加，同时电迁移和应力迁移失效加剧，严重影响到电路的可靠性。
因此，新的工艺采用铜(Cu)和低介电常数(k)介质材料取代传统的A1和Si02。
基于大马士革结构的Cu互连集成工艺被称为第二代互连工艺。
使用铜作为互连材料有很多优点：但是采用铜／低k互连工艺也有其缺点与不足之处：首先，Cu是半导体的深能级杂质，对半导体中的载流子具有强的陷阱效应，同时Cu在Si02介质中扩散很快，Cu进入Si和Si02后，在Si中充当深能级受主杂质，并形成高阻化合物，降低其绝缘性能，引起介质穿通，从而使Si02的介电性能严重退化，使器件性能大大降低【l】。
为了阻止铜离子扩散，需要在金属铜和二氧化硅之间加上一层扩散阻挡层，如TaN、Ta、TiN等，以解决Cu污染问题。
1.双嵌⼊式铜互连⼯艺 随着芯⽚集成度的不断提⾼，铜已经取代铝成为超⼤规模集成电路制造中的主流互连技术。
作为铝的替代物，铜导线可以降低互连阻抗，降低功耗和成本，提⾼芯⽚的集成度、器件密度和时钟频率。
由于对铜的刻蚀⾮常困难，因此铜互连采⽤双嵌⼊式⼯艺，⼜称双⼤马⼠⾰⼯艺（Dual Damascene），1）⾸先沉积⼀层薄的氮化硅（Si3N4）作为扩散阻挡层和刻蚀终⽌层，2）接着在上⾯沉积⼀定厚度的氧化硅（SiO2），3）然后光刻出微通孔（Via），4）对通孔进⾏部分刻蚀，5）之后再光刻出沟槽（Trench），6）继续刻蚀出完整的通孔和沟槽，7）接着是溅射（PVD）扩散阻挡层（TaN/Ta）和铜种籽层（Seed Layer）。
Ta的作⽤是增强与Cu的黏附性，种籽层是作为电镀时的导电层，8）之后就是铜互连线的电镀⼯艺，9）最后是退⽕和化学机械抛光（CMP），对铜镀层进⾏平坦化处理和清洗。
电镀是完成铜互连线的主要⼯艺。
集成电路铜电镀⼯艺通常采⽤硫酸盐体系的电镀液，镀液由硫酸铜、硫酸和⽔组成，呈淡蓝⾊。
当电源加在铜（阳极）和硅⽚（阴极）之间时，溶液中产⽣电流并形成电场。
阳极的铜发⽣反应转化成铜离⼦和电⼦，同时阴极也发⽣反应，阴极附近的铜离⼦与电⼦结合形成镀在硅⽚表⾯的铜，铜离⼦在外加电场的作⽤下，由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗。
电镀的主要⽬的是在硅⽚上沉积⼀层致密、⽆孔洞、⽆缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。
2.电镀铜⼯艺中有机添加剂的作⽤ 由于铜电镀要求在厚度均匀的整个硅⽚镀层以及电流密度不均匀的微⼩局部区域（超填充区）能够同时传输差异很⼤的电流密度，再加上集成电路特征尺⼨不断缩⼩，和沟槽深宽⽐增⼤，沟槽的填充效果和镀层质量很⼤程度上取决于电镀液的化学性能，有机添加剂是改善电镀液性能⾮常关键的因素，填充性能与添加剂的成份和浓度密切相关，关于添加剂的研究⼀直是电镀铜⼯艺的重点之⼀[1，2].⽬前集成电路铜电镀的添加剂供应商有Enthone、Rohm&Haas等公司，其中Enthone公司的ViaForm系列添加剂⽬前应⽤较⼴泛。
