隨著晶體管特征尺寸的縮小,平面集成電路發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。以硅通孔(TSV,Through-Silicon-Via)技術為代表的三維互連可以實現(xiàn)高密度集成。隨著產(chǎn)品需求的提升,TSV在電學和熱力學性能上面臨一些潛在挑戰(zhàn)。本論文針對現(xiàn)有TSV結構中寄生電容大和熱應力導致失效的問題,對TSV互連結構做出改進。由理論推導和仿真可知,互連延遲和功耗主要取決于TSV寄生電容,而TSV結構引入的熱應力可以通過應力緩沖進行釋放。本論文從材料以及結構設計角度突破和創(chuàng)新。通過探索新材料和新工藝,實現(xiàn)高性能的三維互連。由于聚合物和空氣均具有低的介電常數(shù),并對應力有緩沖作用,本論文提出了兩種TSV互連方案,分別為聚合物絕緣TSV和空氣絕緣TSV。根據(jù)材料特性與工藝需求,聚合物選定為聚碳酸丙烯酯(PPC)和苯并環(huán)丁烯(BCB);而空氣則采用犧牲層釋放進行加工。通過對聚合物側(cè)壁涂覆、犧牲材料釋放等關鍵工藝的研究,分別實現(xiàn)PPC絕緣TSV,BCB絕緣TSV和空氣間隙TSV結構制造。首先,采用直接旋涂和深槽填充兩種方法對側(cè)壁聚合物層制造進行研究,并分別實現(xiàn)46:1和24:1的聚合物薄層�；谥苯有糠椒▽崿F(xiàn)PPC絕緣TS...

【文章頁數(shù)】：145 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 三維互連技術概述
        1.1.1 三維互連技術發(fā)展的背景
        1.1.2 三維互連技術的應用
        1.1.3 三維互連技術的發(fā)展
    1.2 硅通孔（TSV）技術的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 TSV技術的結構與特點
        1.2.2 TSV技術的發(fā)展
        1.2.3 TSV技術的電學特性及建模
        1.2.4 TSV技術的熱學特性
        1.2.5 TSV技術的困難和挑戰(zhàn)
        1.2.6 TSV技術的新趨勢
    1.3 論文的研究目的
    1.4 論文框架及組織
第2章 低介電常數(shù)絕緣層的高性能三維互連方案
    2.1 本章引論
    2.2 TSV結構及建模
        2.2.1 TSV結構與電學特性關系
        2.2.2 TSV結構與熱學特性關系
    2.3 低介電常數(shù)絕緣層技術方案
        2.3.1 實施方案及特點
        2.3.2 低介電常數(shù)絕緣材料與犧牲材料
    2.4 聚合物絕緣層三維互連方案
        2.4.1 工藝方案
        2.4.2 方案特點
        2.4.3 關鍵工藝與可能的實現(xiàn)方法
    2.5 空氣間隙絕緣層三維互連方案
        2.5.1 工藝方案
        2.5.2 方案特點
        2.5.3 關鍵工藝及可能的實現(xiàn)方法
    2.6 本章小結
第3章 PPC絕緣的三維互連技術
    3.1 概述
    3.2 關鍵工藝技術研究
        3.2.1 PPC用作絕緣層的制備實驗研究
        3.2.2 銅和PPC的機械拋光技術
    3.3 PPC絕緣層三維互連方案實施結果
        3.3.1 版圖設計考慮
        3.3.2 制備工藝步驟
        3.3.3 實施過程及結果觀察
    3.4 PPC絕緣TSV的電學特性及熱–機械可靠性
        3.4.1 寄生電容
        3.4.2 漏電流
        3.4.3 溫度沖擊試驗
    3.5 本章小結
第4章 BCB絕緣的三維互連技術
    4.1 概述
    4.2 BCB絕緣層的三維互連方案實施結果
        4.2.1 版圖設計考慮
        4.2.2 制備工藝步驟
        4.2.3 實施過程與結果觀察
    4.3 BCB絕緣TSV的電學特性
        4.3.1 寄生電容
        4.3.2 漏電流
    4.4 溫度相關的BCB絕緣TSV電學特性
        4.4.1 高溫下的寄生電容
        4.4.2 高溫下的漏電流
    4.5 BCB絕緣TSV的熱-機械可靠性試驗與討論
        4.5.1 溫度沖擊試驗
        4.5.2 應力測量試驗
        4.5.3 熱應力測量試驗
    4.6 BCB絕緣TSV的力學可靠性試驗與討論
        4.6.1 試驗方法
        4.6.2 結果與討論
    4.7 BCB絕緣TSV的濕熱可靠性試驗與討論
    4.8 本章小結
第5章 空氣絕緣的三維互連技術
    5.1 概述
    5.2 犧牲材料釋放的實驗研究
        5.2.1 PPC材料的真空熱釋放
        5.2.2 BCB材料的RIE釋放
    5.3 真空熱釋放方法實現(xiàn)空氣絕緣的三維互連方案
        5.3.1 版圖設計考慮
        5.3.2 制備工藝步驟
        5.3.3 實施過程及結果觀察
    5.4 真空熱釋放方法實現(xiàn)的空氣絕緣TSV電學特性
        5.4.1 常溫下的電學特性
        5.4.2 溫度相關的電學特性
        5.4.3 斜坡電壓測試
    5.5 真空熱釋放方法實現(xiàn)空氣絕緣的三維互連方案改進
        5.5.1 真空熱釋放方法存在的問題及改進方案
        5.5.2 實施過程與結果觀察
        5.5.3 常溫下的電學特性
        5.5.4 溫度相關的電學特性
    5.6 RIE釋放方法實現(xiàn)空氣絕緣的三維互連方案
        5.6.1 版圖設計考慮
        5.6.2 制備工藝步驟
        5.6.3 實施過程與結果觀察
    5.7 RIE釋放方法實現(xiàn)的空氣絕緣TSV電學特性
        5.7.1 常溫下的電學特性
        5.7.2 溫度相關的電學特性
    5.8 本章小結
第6章 空氣絕緣的三維互連可靠性
    6.1 概述
    6.2 空氣絕緣TSV的熱–機械可靠性試驗與討論
        6.2.1 溫度沖擊試驗
        6.2.2 應力測量試驗
        6.2.3 熱應力測量試驗
    6.3 空氣絕緣TSV的力學可靠性試驗與討論
        6.3.1 跌落試驗
        6.3.2 振動試驗
    6.4 空氣絕緣TSV的濕熱可靠性試驗與討論
    6.5 本章小結
第7章 結論與總結
    7.1 論文的主要成果
    7.2 不同TSV結構的比較
    7.3 論文的創(chuàng)新點
    7.4 進一步研究的展望
參考文獻
致謝
個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果



本文編號：3805481