TSV可靠性综述-AET-电子技术应用

TSV可靠性综述

2021年电子技术应用第2期

王硕1，马奎1，2，杨发顺1，2

1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025； 2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心，贵州贵阳550025

摘要： 对硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技术的可靠性进行了综述，主要分为三个方面：热应力，工艺和压阻效应。TSV热应力可靠性问题体现在不同材料之间的热膨胀系数差异较大，过大的热应力可能导致界面分层和裂纹;TSV工艺可靠性体现在侧壁的连续性以及填充铜的质量;有源区中载流子的迁移率会受到TSV热应力的影响。在TSV周围规定一个保持区域(Keep-Out Zone，KOZ)。KOZ设置为载流子迁移率不超过5%的区域。当载流子迁移率超过5%，可能会导致电路的时序被破坏，使集成电路失效。

关键词： TSV KOZ 热应力热膨胀系数

中图分类号： TN3
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200767
中文引用格式： 王硕，马奎，杨发顺. TSV可靠性综述[J].电子技术应用，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

三维集成封装技术被公认为是超越摩尔定律的第四代封装技术。硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技术是三维封装技术的关键^[1]。摩尔定律指出，硅片上的晶体管数量大约每两年翻一番^[2]。然而，由于晶体管的缩放比例和漏电的限制^[3]，摩尔定律不能永远持续下去。随着晶体管尺寸越来越小，晶体管数量越来越多，晶体管之间的间距也越来越小。最终会引起量子隧穿效应，电子会在两根金属线之间隧穿，导致短路^[4-5]。因此，存在一个极限，超过这个极限，摩尔定律将失效。一种实现突破传统摩尔定律的封装摩尔定律被提出，封装摩尔定律是基于三维集成封装技术提出的^[6]。

TSV技术是指在硅片上进行微通孔加工，在硅片内部填充导电材料,通过TSV技术实现芯片与芯片之间的垂直互连，是三维封装技术的关键技术^[7-8]。与传统的金丝键合相比，TSV的优点是节省了外部导体所占的三维空间。TSV技术可以使微电子芯片封装实现最紧密的连接和最小的三维结构。此外，由于芯片之间的互连线长度的缩短，大大降低了互连延迟，从而提高了运行速度。并且由于互连电阻的降低，电路的功耗也大大降低^[9]。TSV不仅广泛地应用于信息技术，而且在飞机、汽车和生物医学等新领域都得到了广泛的应用，因为三维大规模集成电路具有很多优势，如高性能、低功耗、多功能、小体积^[10]。TSV是一种颠覆性技术，被认为是实现“超越摩尔定律”的有效途径，在未来主流器件的设计和生产中会得到广泛应用。

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作者信息：

王硕1，马奎1，2，杨发顺1，2

(1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025；

2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心，贵州贵阳550025)

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