Advanced methods for mechanical analysis and simulation of through silicon vias

Abstract

Seit der Erfindung des integrierten Schaltkreises im Jahr 1950 schreitet die Miniaturisierung der Bauelemente kontinuierlich foran. Kleinere Bauelemente bedeuteten niedrigere Kosten, geringerennergieverbrauch und höhere Geschwindigkeit. Früher oder später wird dieser Miniaturisierungsprozess an seine Grenzen stoßen und bereits jetzt ist zu erkennen, dass grundlegende Elemente Schwachstellen aufweisen. Um die daraus resultierenden Herausforderungen zu bewältigen, wurden bereits verschiedene Ansätze entwickelt. Manche beinhalten die Verbesserung von bestehenden Technologien, während andere die Entwicklung von neuen Bauelementen beziehungsweise Fertigungsverfahren erfordern. Je nach Ansatz können die Kosten einen Nachteil darstellen, was die Einführung der Technologien in die Industrie erschwert. Eine Fertugungsanlage kann Investitionen in der Höhe von zwei Mrd. US Dollars erfordern. Es ist daher unwahrscheinlich, dass eine Industrie bereit ist, mittelfristig in die Entwicklung von Technologien zu investieren, die nicht zu ihrer gegenwärtigen Anlage kompatibel sind. Dreidimensionale Integration gibt die Möglichkeit die Miniaturisierung der Halbleiterbauelemente voranzuführen und gleichzeitig den Energeiverbrauch zu veringern und die Geschwindigkeit zu erhöhen. Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Ansätzen für die Herstellung eines dreidimensionalen Bauelements. Die meist verbreitetste Methode ist eine Durchkontaktierung durch das Silizium (through silicon via, TSV) um eine elektrische Verbindung in der dritten Dimension zu ermöglichen. Der Aufbau eines TSV ist vor allem wegen seiner Größe eine Herausforderung. Zu den notwendigen Schritten zählen das Ätzen von Strukturen mit einem großem Höhe zu Breite Verhältnis, Waferdünnung, und mehreren Schichtabscheidungen. Ein besonderes Problem, das TSVs mit sich bringen, ist die mechanische Stabilität des Aufbaus und ihr Einfluss auf ihre Umgebung. Solche großen metallischen Strukturen inmitten der Silizium-Schaltung sind während des Betriebes und -verarbeitung der Fertigung stressanfällig. In dieser Arbeit wurde eine ausführliche mechanische Analyse von TSVs durch Simulationen durchgeführt. Die mechanischen Auswirkungen der TSVs auf ihre Umgebung wurden auf Makroebene untersucht. Anschließend wurde die Durchkontaktierung lokal analysiert. Abschließend wurden die makrostrukturellen Effekte, die zum Aufbau von Spannungen im Schichtsystem von TSVs während der Metallabscheidung führen, untersucht. Das Hauptziel ist eine umfassende Charakterisierung der mechanischen Stabilität von TSVs vorzunehmen, welche die Auswirkungen auf den Silizium-Schaltkreis.

Device miniaturization has steadily progressed since the invention of the integrated circuit in the 1950s. The many challenges which arose along the years were surpassed by advancements in processing technologies. Smaller devices meant more chips per wafer, lower power consumption, and higher speeds. Eventually, it is expected that device miniaturization will reach a limit and the basics elements of the current device technology have shown signs of weariness. Naturally, several ideas have appeared with claims to overcome the challenges. Some involve the reformulation of a device or a process, while others involve enhancements of the current technology. Depending on the chosen path, the cost of implementation can be a drawback for the fast implementation of the technology by industry. It is not uncommon that a new semiconductor plant requires investments in the excess of two billion US dollars. It is unlikely that any industry would be willing to invest, in the short and middle term, in the development of technologies not compatible with their current plant. Therefore, a solution for the current integration problems should take into consideration the processing technologies available in the industry today. Three-dimensional integration is a well balanced solution. It presents possibilities for an increase in device integration in every sense: device miniaturization, lower power consumption, and higher speeds. There are varying approaches for the manufacture of devices, but the majority relies on a through silicon via (TSV) to electrically bind the devices along the third dimension. The construction of a TSV is challenging, mainly due to its size. Among the required processing steps are the etching of high aspect ratio structures, wafer thinning, and several film depositions. A particular problem with TSVs is the mechanical stability of the structure and its influence on its surroundings. Such a large metal structure in the middle of the silicon circuit is prone to create a high level of stress during device operation and processing. Within this work an extensive analysis of the mechanical aspects of the TSV is performed by means of simulations. A macro scale investigation of the mechanical effects of the TSV on its surroundings is performed. Subsequently, the via is analyzed locally, with a consideration of processing and handling scenarios. Lastly, microstructural effects are studied for the formation of residual stress during metal growth. The main objective is to provide a comprehensive characterization of the mechanical stability of the TSV, from its effects on the silicon circuit down to the manufacturing of the via. A collection of simulation techniques and models is developed and presented as the main contribution of this work.