锥型TSV热应力的建模与仿真

摘要

在三维集成中，硅通孔（TSV）是实现垂直互连的一种重要结构。然而该技术仍面临许多挑战性的问题，如何迅速准确建立其等效模型、提取热应力分布便是其中之一。常用的分析方法是将TSV等效成圆柱，应用传输线理论分析。然而，受限于工艺技术，制造的硅通孔倾角最高可达20度，此时传统传输线方法将不再适用，对锥形TSV的建模分析就显得十分必要。
　　本研究主要内容包括：⑴掌握了应用于三维互连的TSV结构及其热应力的产生机理，基于以上内容首先选择最基础的单层单个锥型 TSV模型进行研究。建立模型，施加热负载，对其进行热应力分析，并与相同上表面半径的圆柱型 TSV对比分析得出锥型结构内的热应力数值更大，分布更不均匀的特点。给出了可做二维简化的平面应力和迁移率计算公式。通过计算可知，Cu锥体半径的增加导致应力及阻止区（KOZ）尺寸均增大；SiO2层厚度增加使其应力缓冲层的效用更为明显，面应力最大值和KOZ尺寸均少量下降，效果微弱；锥角的增加导致应力和KOZ尺寸下降。⑵考虑实际应用中每层芯片存在众多的TSV，提出由四个锥型TSV构成的TSV阵列结构，细化影响锥型TSV阵列热应力的因素为阵列间距和排布方式。就阵列而言，原本锥型 TSV的应力分布起伏不定，再经过彼此叠加很难通过面平均和面最大应力得出结论，因此我们将重点放在了KOZ尺寸的比较上。格点式排布随着阵列间距增大，单个TSV的KOZ尺寸减小，阵列整体的KOZ尺寸增加且KOZ区域连通；菱形式排布相比格点式排布增加了单个TSV的KOZ尺寸，减小了阵列整体的KOZ尺寸且由于抵消作用使得各个TSV的KOZ区域独立。⑶考虑实际应用中存在多层TSV的情况，提出由两个TSV连同中间的金属互连构成的双层 TSV结构，热应力在各高度的分布结果如下：就面平均应力而言，双层结构呈现了与单个TSV类似的两端高中间低的分布，在金属互连层中，面平均应力先下降后上升；就面最大应力而言，极大值出现在金属互连的上下表面，形成双峰值的分布曲线。影响因素分析如下：Cu锥体半径的增大除了增加了应力最大值外，还增大了应力的影响区域；SiO2层厚度增加降低了TSV内部的面最大应力值，对器件摆放影响微弱；锥角的增加导致应力增加，但由于新增的金属互连结构并不影响器件摆放。