高性能硅通孔（TSV）三维互连研究
发布时间：2023-04-29 18:08
随着晶体管特征尺寸的缩小,平面集成电路发展面临挑战。以硅通孔(TSV,Through-Silicon-Via)技术为代表的三维互连可以实现高密度集成。随着产品需求的提升,TSV在电学和热力学性能上面临一些潜在挑战。本论文针对现有TSV结构中寄生电容大和热应力导致失效的问题,对TSV互连结构做出改进。由理论推导和仿真可知,互连延迟和功耗主要取决于TSV寄生电容,而TSV结构引入的热应力可以通过应力缓冲进行释放。本论文从材料以及结构设计角度突破和创新。通过探索新材料和新工艺,实现高性能的三维互连。由于聚合物和空气均具有低的介电常数,并对应力有缓冲作用,本论文提出了两种TSV互连方案,分别为聚合物绝缘TSV和空气绝缘TSV。根据材料特性与工艺需求,聚合物选定为聚碳酸丙烯酯(PPC)和苯并环丁烯(BCB);而空气则采用牺牲层释放进行加工。通过对聚合物侧壁涂覆、牺牲材料释放等关键工艺的研究,分别实现PPC绝缘TSV,BCB绝缘TSV和空气间隙TSV结构制造。首先,采用直接旋涂和深槽填充两种方法对侧壁聚合物层制造进行研究,并分别实现46:1和24:1的聚合物薄层。基于直接旋涂方法实现PPC绝缘TS...
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 三维互连技术概述
1.1.1 三维互连技术发展的背景
1.1.2 三维互连技术的应用
1.1.3 三维互连技术的发展
1.2 硅通孔（TSV）技术的研究现状
1.2.1 TSV技术的结构与特点
1.2.2 TSV技术的发展
1.2.3 TSV技术的电学特性及建模
1.2.4 TSV技术的热学特性
1.2.5 TSV技术的困难和挑战
1.2.6 TSV技术的新趋势
1.3 论文的研究目的
1.4 论文框架及组织
第2章 低介电常数绝缘层的高性能三维互连方案
2.1 本章引论
2.2 TSV结构及建模
2.2.1 TSV结构与电学特性关系
2.2.2 TSV结构与热学特性关系
2.3 低介电常数绝缘层技术方案
2.3.1 实施方案及特点
2.3.2 低介电常数绝缘材料与牺牲材料
2.4 聚合物绝缘层三维互连方案
2.4.1 工艺方案
2.4.2 方案特点
2.4.3 关键工艺与可能的实现方法
2.5 空气间隙绝缘层三维互连方案
2.5.1 工艺方案
2.5.2 方案特点
2.5.3 关键工艺及可能的实现方法
2.6 本章小结
第3章 PPC绝缘的三维互连技术
3.1 概述
3.2 关键工艺技术研究
3.2.1 PPC用作绝缘层的制备实验研究
3.2.2 铜和PPC的机械抛光技术
3.3 PPC绝缘层三维互连方案实施结果
3.3.1 版图设计考虑
3.3.2 制备工艺步骤
3.3.3 实施过程及结果观察
3.4 PPC绝缘TSV的电学特性及热–机械可靠性
3.4.1 寄生电容
3.4.2 漏电流
3.4.3 温度冲击试验
3.5 本章小结
第4章 BCB绝缘的三维互连技术
4.1 概述
4.2 BCB绝缘层的三维互连方案实施结果
4.2.1 版图设计考虑
4.2.2 制备工艺步骤
4.2.3 实施过程与结果观察
4.3 BCB绝缘TSV的电学特性
4.3.1 寄生电容
4.3.2 漏电流
4.4 温度相关的BCB绝缘TSV电学特性
4.4.1 高温下的寄生电容
4.4.2 高温下的漏电流
4.5 BCB绝缘TSV的热-机械可靠性试验与讨论
4.5.1 温度冲击试验
4.5.2 应力测量试验
4.5.3 热应力测量试验
4.6 BCB绝缘TSV的力学可靠性试验与讨论
4.6.1 试验方法
4.6.2 结果与讨论
4.7 BCB绝缘TSV的湿热可靠性试验与讨论
4.8 本章小结
第5章 空气绝缘的三维互连技术
5.1 概述
5.2 牺牲材料释放的实验研究
5.2.1 PPC材料的真空热释放
5.2.2 BCB材料的RIE释放
5.3 真空热释放方法实现空气绝缘的三维互连方案
5.3.1 版图设计考虑
5.3.2 制备工艺步骤
5.3.3 实施过程及结果观察
5.4 真空热释放方法实现的空气绝缘TSV电学特性
5.4.1 常温下的电学特性
5.4.2 温度相关的电学特性
5.4.3 斜坡电压测试
5.5 真空热释放方法实现空气绝缘的三维互连方案改进
5.5.1 真空热释放方法存在的问题及改进方案
5.5.2 实施过程与结果观察
5.5.3 常温下的电学特性
5.5.4 温度相关的电学特性
5.6 RIE释放方法实现空气绝缘的三维互连方案
5.6.1 版图设计考虑
5.6.2 制备工艺步骤
5.6.3 实施过程与结果观察
5.7 RIE释放方法实现的空气绝缘TSV电学特性
5.7.1 常温下的电学特性
5.7.2 温度相关的电学特性
5.8 本章小结
第6章 空气绝缘的三维互连可靠性
6.1 概述
6.2 空气绝缘TSV的热–机械可靠性试验与讨论
6.2.1 温度冲击试验
6.2.2 应力测量试验
6.2.3 热应力测量试验
6.3 空气绝缘TSV的力学可靠性试验与讨论
6.3.1 跌落试验
6.3.2 振动试验
6.4 空气绝缘TSV的湿热可靠性试验与讨论
6.5 本章小结
第7章 结论与总结
7.1 论文的主要成果
7.2 不同TSV结构的比较
7.3 论文的创新点
7.4 进一步研究的展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3805481
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 三维互连技术概述
1.1.1 三维互连技术发展的背景
1.1.2 三维互连技术的应用
1.1.3 三维互连技术的发展
1.2 硅通孔（TSV）技术的研究现状
1.2.1 TSV技术的结构与特点
1.2.2 TSV技术的发展
1.2.3 TSV技术的电学特性及建模
1.2.4 TSV技术的热学特性
1.2.5 TSV技术的困难和挑战
1.2.6 TSV技术的新趋势
1.3 论文的研究目的
1.4 论文框架及组织
第2章 低介电常数绝缘层的高性能三维互连方案
2.1 本章引论
2.2 TSV结构及建模
2.2.1 TSV结构与电学特性关系
2.2.2 TSV结构与热学特性关系
2.3 低介电常数绝缘层技术方案
2.3.1 实施方案及特点
2.3.2 低介电常数绝缘材料与牺牲材料
2.4 聚合物绝缘层三维互连方案
2.4.1 工艺方案
2.4.2 方案特点
2.4.3 关键工艺与可能的实现方法
2.5 空气间隙绝缘层三维互连方案
2.5.1 工艺方案
2.5.2 方案特点
2.5.3 关键工艺及可能的实现方法
2.6 本章小结
第3章 PPC绝缘的三维互连技术
3.1 概述
3.2 关键工艺技术研究
3.2.1 PPC用作绝缘层的制备实验研究
3.2.2 铜和PPC的机械抛光技术
3.3 PPC绝缘层三维互连方案实施结果
3.3.1 版图设计考虑
3.3.2 制备工艺步骤
3.3.3 实施过程及结果观察
3.4 PPC绝缘TSV的电学特性及热–机械可靠性
3.4.1 寄生电容
3.4.2 漏电流
3.4.3 温度冲击试验
3.5 本章小结
第4章 BCB绝缘的三维互连技术
4.1 概述
4.2 BCB绝缘层的三维互连方案实施结果
4.2.1 版图设计考虑
4.2.2 制备工艺步骤
4.2.3 实施过程与结果观察
4.3 BCB绝缘TSV的电学特性
4.3.1 寄生电容
4.3.2 漏电流
4.4 温度相关的BCB绝缘TSV电学特性
4.4.1 高温下的寄生电容
4.4.2 高温下的漏电流
4.5 BCB绝缘TSV的热-机械可靠性试验与讨论
4.5.1 温度冲击试验
4.5.2 应力测量试验
4.5.3 热应力测量试验
4.6 BCB绝缘TSV的力学可靠性试验与讨论
4.6.1 试验方法
4.6.2 结果与讨论
4.7 BCB绝缘TSV的湿热可靠性试验与讨论
4.8 本章小结
第5章 空气绝缘的三维互连技术
5.1 概述
5.2 牺牲材料释放的实验研究
5.2.1 PPC材料的真空热释放
5.2.2 BCB材料的RIE释放
5.3 真空热释放方法实现空气绝缘的三维互连方案
5.3.1 版图设计考虑
5.3.2 制备工艺步骤
5.3.3 实施过程及结果观察
5.4 真空热释放方法实现的空气绝缘TSV电学特性
5.4.1 常温下的电学特性
5.4.2 温度相关的电学特性
5.4.3 斜坡电压测试
5.5 真空热释放方法实现空气绝缘的三维互连方案改进
5.5.1 真空热释放方法存在的问题及改进方案
5.5.2 实施过程与结果观察
5.5.3 常温下的电学特性
5.5.4 温度相关的电学特性
5.6 RIE释放方法实现空气绝缘的三维互连方案
5.6.1 版图设计考虑
5.6.2 制备工艺步骤
5.6.3 实施过程与结果观察
5.7 RIE释放方法实现的空气绝缘TSV电学特性
5.7.1 常温下的电学特性
5.7.2 温度相关的电学特性
5.8 本章小结
第6章 空气绝缘的三维互连可靠性
6.1 概述
6.2 空气绝缘TSV的热–机械可靠性试验与讨论
6.2.1 温度冲击试验
6.2.2 应力测量试验
6.2.3 热应力测量试验
6.3 空气绝缘TSV的力学可靠性试验与讨论
6.3.1 跌落试验
6.3.2 振动试验
6.4 空气绝缘TSV的湿热可靠性试验与讨论
6.5 本章小结
第7章 结论与总结
7.1 论文的主要成果
7.2 不同TSV结构的比较
7.3 论文的创新点
7.4 进一步研究的展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3805481
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