TSV Key Interface -materialen en -processen

TSVMverwerkenTechnologie

In de TSV-productietechnologie omvat het zowel door gat etsen als isolatiegerelateerde inhoud in TSV-productietechnologie.

Bovendien bepalen de drie belangrijkste links van TSV -productie: barrièrelaag, zaadlaag en CU -vulling ook betrouwbaarheid en kosten.

Dit artikel wordt als volgt beschreven:

Adhesielaag en diffusiebarrièrelaag

Zaadlaag

Geleidend materiaalvulling

Adhesielaag en diffusiebarrièrelaag

In het TSV-productieproces zijn de adhesielaag en de diffusiebarrièrelaag de belangrijkste functionele interfaces tussen de metaal Cu-kolom en de diëlektrische laag, en hun materiaalselectie en afzettingsproces bepalen direct de langdurige betrouwbaarheid en procesintegratie moeilijkheid van het apparaat.

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

De kernfunctie van de diffusiebarrièrelaag is om de penetratie van Cu -atomen in het siliconensubstraat te blokkeren - de diffusiecoëfficiënt van Cu in Si is zo hoog als 10⁻¹⁴cm²/s. Daarom moet de blokkerende laag aan meerdere prestatie-indicatoren voldoen: ten eerste kunnen amorfe structuren (zoals TAN) het diffusiepad korrelgrens elimineren en effectieve blokkering bereiken bij een dikte van de sub-10 nm; Ten tweede, in TSV met een diepte-tot-breedte-verhouding van meer dan 20: 1, moet de barrièrelaag continu worden behandeld door sputter- of MOCVD-proces, waaronder magnetronsputtering gecombineerd met cilindrische doeltechnologie kan de stapdekking verhogen tot meer dan 95%. Bovendien is dunne filmstresscontrole cruciaal - intrinsieke stress komt voort uit roostere mismatch (bijv. Stoichiometrische afwijking tussen TA en N tijdens Tan Deposition), terwijl thermische stress wordt veroorzaakt door het verschil in thermische expansiecoëfficiënt tussen metaal (CTE ~ 3PPM/K), en de totale stress moet worden teruggebracht tot minder dan 150MPA. Optimalisatie (bijv. Sputtervermogen, substraattemperatuur).

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 >1 μm), kan de dikte van de barrièrelaag de volgorde van 100 nm bereiken, en het is niet nodig om de dikte te overcomprimeren, maar in plaats daarvan focussen op het conformiteitsvermogen en de adhesieoptimalisatie in het diepe gat. Het NH₃ -gemoduleerde sputteringsproces kan bijvoorbeeld nitridreacties introduceren tijdens tan -depositie om de bindende energie met de SIO₂ diëlektrische laag te verbeteren, terwijl de ruwheid van de zijwand minder dan 0,5 nm wordt verminderd.

In termen van industriële dynamiek, bereikt het Atomic Layer Deposition (ALD) -tan-proces dat onlangs is ontwikkeld door IMEC een uniforme dekking van de TSV binnenbarrièrelaag met een diepte- en breedte-verhouding van 30: 1 tot en met cyclische afwisselende voorloperpulsen (Ta (NME₂) ₅ en NH₃), met een dikke afwijking van de dikteafwijking van de dikke afdeling van de dikke deviatie van de dikke deviatie van de dikke deviatie van een dikke afdeling<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.

Zaadlaag

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) en lage 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).

Het is vermeldenswaard dat er een significant verschil is in de vereisten van de zaadlaag tussen TSV en vlakke interconnect: in vlakke interconnect is zaadloze laagplatingtechnologie begonnen te worden onderzocht onder de 45 nm knooppunt, die het proces vereenvoudigt stap door 30% door direct af te zetten Cu op het oppervlak van de tin -lagen; Het massaproductieproces van TSV moet echter nog op de zaadlaag vertrouwen om de stabiliteit van de plating te waarborgen, vooral wanneer de beeldverhouding groter is dan 30: 1, en de zaadlaagverbeteringstechnologie (zoals chemisch mechanisch polijsten (CMP) reparatie (CMP) reparatie (CMP) wordt een noodzakelijke middelen.

0020-42287 PLAAT PERF 8inch EC WXZ

Geleidend materiaalvulling

In het TSV -productieproces heeft geleidingsmateriaalvulling, als kernverbinding om verticale interconnectie te bereiken, altijd op de eerste plaats gerangschikt in termen van technische moeilijkheid en kosten. Met de evolutie van 3D-geïntegreerde circuits naar kleinere knooppunten (zoals onder 3 nm), is de TSV-diameter gecomprimeerd tot 0,8-1,6 μm en de beeldverhouding heeft 20: 1 overschreden, waardoor de ultieme vereisten voor het vulproces worden gesteld. De huidige mainstream -oplossing wordt nog steeds gedomineerd door het elektropuleren van koper (CU), maar de procescomplexiteit is veel groter dan dat van het traditionele Damascus -proces - er wordt geschat dat de cu -plating meer dan 40% van de totale productiekosten van TSV kost, en de vultijd is tot enkele uren en wordt een flessenkijk in productiecapaciteit.

De kernuitdaging van blind gatplating ligt in de fysieke beperkingen veroorzaakt door de hoge beeldverhouding: ten eerste wordt het ionentransport in het diepe gat geblokkeerd en de Cu²⁺ -concentratie neemt geleidelijk af van de opening naar de bodem, wat resulteert in onvoldoende afzettingssnelheid aan de onderkant en gemakkelijk om holten of gaten te vormen. Ten tweede is de zaadlaag van PVD -depositie vatbaar voor discontinuïteit wanneer de beeldverhouding groter is dan 5: 1, die de platingdefecten verder verergert. Bovendien leidt een slechte bevochtiging van het oppervlak tot bellenbehoud, geconcentreerde stroomdichtheid bij de opening veroorzaakt "paddestoelenkop" bobbel en wordt een schotelvormige put gevormd in het centrale gebied, dat meer dan 30% extra tijd kost voor de daaropvolgende CMP. Om deze problemen op te lossen, neemt de industrie een multi-additief systeem (zoals de PW1000 van Enton) aan met gepulseerde omgekeerde platen om "bottom-up" vulling te bereiken door de afzettingssnelheid bij de opening te onderdrukken. Tegelijkertijd kunnen vacuümvoersbehandeling en ultrasone bevochtigingstechnologie de bubbelverwijderingssnelheid in het blind gat verhogen tot 95% om een uniforme penetratie van de platingoplossing te garanderen.

0021-02983 TXZ binnenscherm

Als aanvullend schema vermijdt door gat elektroplimeren effectief het probleem van ionentransport in diepe vias door blinde vias om te zetten in doorgaande gaten en transversale afzettingafdichting en unidirectionele vulling te gebruiken. Hoewel dit proces extra wafelverdunning en dubbelzijdige afzettingsstappen vereist, kan het een niet-ongetwijfeld vulling bereiken met een diepte-tot-breedte-verhouding van meer dan 30: 1 en de afhankelijkheid van platingoplossing-additieven verminderen. Bijvoorbeeld, de bidirectionele plateringsapparatuur ontwikkeld door toegepaste materialen, in combinatie met doorgaande afdichtingtechnologie en dynamische stroomregeling, vermindert de vultijd met 40%, terwijl de dikte van de overplatenlaag binnen 2 μm wordt geregeld, wat het CMP-proces aanzienlijk vereenvoudigt.