基于填充式缓冲结构的低应力TSV设计

Low⁃Stress TSV Design Based on Filled⁃Type Buffer Structure

摘要

随着三维集成与MEMS器件向高集成度与高可靠性方向发展， 传统硅通孔（Through-Silicon Via， TSV）结构在温度载荷作用下因材料热膨胀系数失配而引发的界面热应力集中问题日益突出， 成为影响器件可靠性的关键因素。针对上述问题， 在不改变TSV主体通孔结构及现有基本工艺流程的前提下， 提出一种填充式缓冲结构TSV设计方案， 通过在通孔外围引入填充低杨氏模量材料的环形缓冲沟槽， 从而降低界面应力集中。基于该结构设计， 通过有限元仿真分析TSV通孔结构参数及缓冲结构参数对热应力的影响。结果表明， 当通孔为圆柱形且直径为50 μm， 缓冲结构宽度、 间隔及深度均为5 μm， 填充材料选用苯并环丁烯（BCB）时， TSV的最大热应力降低至540.35 MPa， 较无缓冲结构TSV下降约28.6%， 为在现有工艺框架内实现低应力、 高可靠TSV互连提供了一种具有可行性的设计思路。

Abstract

With the continuous advancement of three-dimensional integration and MEMS devices toward higher integration density and reliability， interfacial thermal stress concentration induced by the mismatch of coefficients of thermal expansion under thermal loading is increasingly observed in conventional through-silicon via （TSV） structures and is regarded as a critical factor affecting device reliability. To address this issue， a filled buffer-structure TSV design is proposed without altering the main TSV via structure or the existing basic fabrication process. An annular buffer trench filled with a low-Young’s-modulus material is introduced around the via to alleviate interfacial stress concentration. Based on this structural design， the effects of TSV geometric parameters and buffer-structure parameters on thermal stress are analyzed using finite element simulations. The results indicate that when the via is cylindrical with a diameter of 50 μm， the buffer width， spacing and depth are each set to 5 μm， and benzocyclobutene （BCB） is selected as the filling material， the maximum thermal stress of the TSV is reduced to 540.35 MPa， corresponding to a reduction of approximately 28.6% compared with a TSV without a buffer structure. This design provides a feasible approach for achieving low-stress and high-reliability TSV interconnections within the existing process framework.

Graphical abstract

关键词

硅通孔 / 有限元分析 / 热可靠性 / 缓冲结构 / 低应力

Key words

through silicon via / finite element analysis / thermal reliability / buffer structure / low stress

0 引　言

随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System， MEMS）与超大规模集成电路（Very Large Scale Integration Circuit， VLSI）向高密度、 小型化和高性能方向不断发展， 硅通孔（Through-Silicon Via， TSV）已成为实现三维集成电路（3D-IC）与先进封装的关键互连技术^［1‐4］。通过在硅片内部构建高深宽比金属通孔， TSV能够显著缩短互连长度、 降低寄生效应并提升系统整体性能。然而， 在实际制备与服役过程中， TSV结构需经历多次高温退火、 封装互联键合， 以及循环变化的工作环境温度， 其由铜导体、 绝缘介质层及硅衬底构成的多材料异质体系在温度载荷作用下不可避免地产生显著的热失配效应， 由此引发的界面热应力集中已成为制约TSV热机械可靠性的重要问题^［5‐8］。

已有研究表明， 由于铜（Cu）与硅（Si）及二氧化硅（SiO₂）之间存在较大的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion， CTE）差异^［9‐10］， 在温度变化过程中Cu导体产生的径向与轴向热膨胀受到周围材料的强烈约束， 导致TSV近表面区域界面处出现高幅值热应力集中^［11］。如Kino等^［12］指出在400 ℃退火条件下， Cu-TSV在Si表面的最大热应力可达920 MPa， 表明传统TSV结构在高温载荷作用下存在显著的界面应力集中风险。丁英涛等^［13］通过对同轴TSV结构的热力学仿真分析发现， 其热应力主要集中分布于SiO₂绝缘层界面处， 峰值应力高达1 330.25 MPa， 同样处于极高应力水平区间。Wang等^［14］针对150 ℃退火温度下TSV结构的分析结果表明， 其最大热应力仍位于Cu-TSV界面边缘区域， 峰值约为430.13 MPa。

上述研究表明， 传统TSV在不同结构参数与工艺温度条件下， 其界面热应力通常达到100~1 000 MPa。此类高应力在长期复杂服役环境中易引发介质层开裂、 界面分层及局部Si衬底损伤等失效问题， 进而削弱MEMS器件的结构完整性、 信号稳定性与服役寿命^［15］。因此， 在不显著增加制备工艺复杂度和成本的前提下， 实现TSV界面热应力的有效降低， 已成为TSV可靠性设计中亟需解决的关键问题之一。

针对TSV热应力问题， 已有研究从材料替换与结构优化等方面展开探索， 如采用碳纳米管、 钨等材料替代Cu填充， 或以低杨氏模量聚合物取代传统SiO₂绝缘层， 均可在一定程度上缓解应力集中^［16-17］。然而， 这些方法往往存在材料填充致密性与均匀性差、 制备工艺兼容性不足等问题。而中空或异形TSV等结构方案虽具备应力缓解潜力， 但工艺复杂、 几何一致性难以控制， 实际应用同样受限^［18］。

基于上述问题， 本文围绕TSV界面热应力集中问题， 提出一种具有工艺可行性的填充式缓冲结构TSV设计方案， 并通过有限元仿真系统分析了TSV通孔几何形状及结构参数对热应力分布的影响， 以及缓冲沟槽尺寸和填充材料性能对界面热应力的调控作用。结合正交试验设计， 对缓冲结构关键参数进行多因素优化， 获得兼顾应力缓解效果与结构合理性的参数组合。

1 结构设计与仿真模型

为解决传统TSV在温度载荷作用下因材料热膨胀系数失配而产生的界面热应力集中问题， 本文在不改变TSV主体通孔结构及现有工艺制备路线的前提下， 提出一种填充式缓冲结构TSV设计方案， 如图 1 所示。该结构通过在TSV通孔外围一定距离处刻蚀环形缓冲沟槽， 并填充低杨氏模量材料， 在Cu导体与Si基底之间引入局部柔性缓冲区域， 从结构层面削弱界面处由热失配引起的应力集中。

基于上述结构设计思想， 本文进一步选取圆柱形与圆锥形两类典型TSV结构作为研究对象， 建立相应的有限元物理模型， 对不同TSV通孔几何形状、 结构参数， 以及缓冲结构与填充材料条件下的热应力分布特性进行系统分析， 为后续填充式缓冲结构参数优化提供依据。

图 2 为圆柱形及圆锥形填充式缓冲结构TSV几何模型。TSV的基本结构由Cu导体、 SiO₂绝缘层、 钛（Ti）阻挡层， 以及Si基底组成。由于Ti阻挡层厚度通常处于纳米量级， 其对整体应力分布与热传导性能的影响可以忽略， 因此在有限元建模过程中不再单独考虑。模型几何参数如表 1 所示。

对于填充式缓冲结构TSV， 除上述材料外， 缓冲槽内填充材料的力学与热学性能亦对界面应力分布具有重要影响。常见缓冲材料包括SiO₂及多种聚合物。另外该种材料的低杨氏模量与良好热稳定性是关键选择标准。基于此， 本文选取SiO₂、 聚酰亚胺（PI）和苯并环丁烯（BCB）3种典型材料进行对比分析。表 2 为仿真所用材料参数。

考虑到完整TSV芯片结构尺寸较大， 若直接建模将显著增加计算量， 因此在保证计算精度的前提下， 本研究选取尺寸半径为200 μm范围内的四分之一个TSV作为有限元研究对象。边界条件设置为模型外侧施加固定约束， 内侧两截面设置为无摩擦对称约束， 以模拟制备及封装过程中对Si衬底的固定状态。初始温度设置为22 ℃， 施加25~250 ℃的温度循环， 以再现TSV在实际制备中退火条件与封装键合过程中经历热载荷所导致的热应力。

2 仿真结果与分析

2.1 TSV通孔形状的影响

图 3 为圆柱形TSV、 圆锥形TSV及其对应填充式缓冲结构TSV在温度循环载荷作用后， 于250 ℃条件下的热应力分布云图。结果表明， 4种结构TSV的最大热应力均集中在SiO₂绝缘层与Cu导体、 Si衬底的交界区域。这主要是因为不同材料界面之间存在显著的CTE差异， Cu导体因CTE较大， 在加热过程中产生更强的膨胀趋势， 而周围的SiO₂绝缘层及Si基底对其膨胀行为形成约束， 从而在界面区域引发强烈的挤压效应并导致应力集中。其中， 圆柱形TSV的最大应力为756.81 MPa， 圆锥形TSV的最大应力则升高至793.33 MPa； 当引入填充式缓冲结构后， 对应的圆柱形与圆锥形TSV的最大应力分别降低至579.09 MPa和648.16 MPa。

由图 3 分析可知， 圆锥形TSV虽在下表面应力水平相对较低， 但在其上表面出现明显应力增大， 增加了潜在失效风险； 相比之下， 圆柱形TSV的应力峰值较小， 且应力分布更为均匀， 展现出更优的结构稳定性。而填充式缓冲结构通过在TSV通孔外围引入低模量填充材料， 形成柔性过渡层， 有效降低了因CTE失配造成的界面热应力集中， 从而显著降低整体应力水平。由此可知， 填充式缓冲结构在降低TSV热应力方面效果显著， 而圆柱形通孔形状在应力控制与结构稳定性方面表现更佳。该结果也表明， 在对TSV热机械可靠性的设计中， 合理选择通孔几何形状是降低界面热应力集中的基础前提， 可以为后续缓冲结构的引入提供了稳定的结构基础。

2.2 TSV通孔结构参数的影响

TSV的整体性能不仅取决于通孔的几何形状， 还受到通孔结构参数的显著影响。其中， 通孔的D与P等关键参数直接决定了热应力的集中程度。因此， 在对填充物材料及缓冲结构参数分析前， 还需分析通孔结构参数对热应力分布的影响。

为探究D对TSV热应力的影响， 改变其值在50~100 μm内变化， 其余结构参数均保持不变， 对于圆柱形TSV， D在整个高度方向保持一致； 而对于圆锥形TSV保持侧面倾斜角恒定的前提下， 调整上D₁变化。结果如图 4（a） 所示， 随着D的逐渐增大， 最大应力值呈持续升高趋势。这一现象主要归因于温度载荷作用下， Cu导体体积随D增大而显著增加， 热膨胀效应更为突出， 从而引起与周围SiO₂绝缘层之间更强烈的界面约束作用， 导致整体热应力水平升高， 并加剧局部界面附近的应力集中。

为探究P对TSV热应力的影响， 考虑实际工艺限制， 将其值设置在0.4~1.0 μm内变化。结果如图 4（b） 所示， 随着P的增加， TSV的最大应力值呈显著降低趋势。这是因为较厚的绝缘层能够在温度载荷作用下吸收或缓冲更多的应变能， 从而有效削弱界面处的应力集中效应。综合上述分析， 最终选取圆柱形TSV作为基础结构形式， 并确定其关键结构参数为D=50 μm、 P=1 μm。

2.3 填充式缓冲结构仿真

2.3.1 材料及缓冲结构参数对热应力的影响

为进一步探讨不同填充材料及缓冲结构参数对热应力的影响， 本文在确定TSV通孔形状及主要结构参数的基础上， 对采用不同材料填充的填充式缓冲结构TSV开展有限元仿真分析。在分析过程中分别固定填充或缓冲结构的d、 w及h其中两项参数， 单独改变另一参数以研究结构参数对热应力分布的影响。

如图 5 所示， 在不同填充材料条件下， 最大应力随参数d、 w以及h的增加均表现出先减小后增大的非线性变化规律。该现象表明， 缓冲结构参数对应力缓解效果并非单调改善， 而是通过结构尺度与材料性能的协同设计选取最优取值区间。

其中， 间隔d对热应力的影响如图 5（a） 所示， 当d过小时， 虽然缓冲材料能够更直接地布置于热失配最为严重的Cu/SiO₂绝缘层界面附近， 从原理上有利于降低热应力， 但过小的间距会显著减薄TSV周围Si环的厚度， 削弱Si衬底对Cu导体径向热膨胀的约束能力， 使局部位移梯度增大， 从而在SiO₂绝缘层或沟槽边缘引入新的应力集中。当d过大时， 缓冲材料远离高应力集中区域， 其对界面热失配应变的直接干预能力降低， 应力缓解效果随之减弱。

宽度w对热应力的影响如图 5（b） 所示， 当w较小时， 缓冲结构体积有限， 低杨氏模量填充材料参与热变形协调的能力不足， 界面热失配引起的应力仍主要集中于界面附近。随着w的增大， 缓冲材料为Cu导体径向热膨胀提供了更大的形变空间， 应变能在更大范围内重新分配， 从而有效降低界面应力集中程度。然而， 当w进一步增大时， TSV周围Si衬底的连续性和有效刚度显著下降， Cu导体热膨胀引起的位移梯度在SiO₂绝缘层及沟槽侧壁区域放大， 从而引入新的应力集中， 使峰值应力反而升高。

深度h对热应力的影响如图 5（c） 所示。类似的， 当h较小时， 缓冲结构体积有限， 低杨氏模量填充材料仅对TSV表层区域的热变形产生作用， 难以有效参与整体应变协调， 因而对应力缓解效果有限。随着h的增加， 缓冲结构沿TSV轴向延伸， 使Cu导体热膨胀引起的轴向形变参与程度提高， 热失配应变得以在更大体积范围内重新分配， 从而有效降低界面处的应力集中。然而， 当h过大时， Si衬底在轴向和径向上的约束能力同时削弱， 在沟槽底部及侧壁转角区域形成明显的位移梯度集中， 导致界面峰值应力回升。

此外， 3种填充材料中BCB的缓冲效果最优， 其在整个参数变化范围内的最大应力值均低于传统圆柱形TSV。

2.3.2 基于正交试验法的结构参数优化

根据2.3.1节的结果可知， 当填充材料选用BCB时， 填充式缓冲结构TSV的整体性能表现最优。为进一步优化缓冲结构参数， 本文采用正交试验方法对关键设计因素进行系统分析， 从可能的结构参数组合中， 选择出具有代表性的部分参数组合来建模并进行仿真数值分析。

本节以填充式缓冲结构的d、 w及h作为试验因素， 分别设置3、 5、 7和9 μm 4个水平。正交试验仿真结果如表 3 所示。

本文采用极差法对正交试验结果进行分析。极差作为各因素在不同水平下最大均值与最小均值之差， 其大小反映因素对结果的显著性。通过比较不同因素的极差大小， 可以明确主导性结构参数， 为后续参数优化提供依据。以最大应力最小化为优化目标， 对表 3 中的仿真试验结果进行极差分析。极差值R计算公式为

\left\{\begin{array}{l}{K}_i=\frac{T_i}{n},\\ R=K_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-K_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}},\end{array}\right.（1）

式中： i为每个因素的水平编号； K_i为该因素的第i参数对应的试验结果平均值； T_i为一个因素第i水平的试验结果之和； n为一个因素同水平实验重复次数； K_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}和K_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}分别为K_i的最大值和最小值。

由式（1）计算可得d、 w及h对应的极差值分别为为28.97、 39.49、 44.62。由此可知， 三因素对填充式缓冲结构TSV最大应力的影响顺序依次为h>w>d。进一步根据极差法的最优水平组合， 得到最佳缓冲结构参数为d=5 μm、 w=5 μm和h=5 μm。对该结构参数进行有限元仿真分析得最大应力值为540.35 MPa， 相较于传统TSV结构降低约28.6%。

3 结　论

本文通过在TSV周围刻蚀缓冲槽并填充低杨氏模量材料从而形成柔性缓冲层， 在不改变基本工艺流程的前提下， 有效降低TSV热应力并提升结构可靠性。有限元仿真结果表明： 两种通孔几何形状的TSV最大应力均分布在绝缘层与Cu导体及Si衬底的界面处， 其中圆柱形通孔结构表现出更优的应力均匀性。随着通孔直径D的增大， Cu导体热膨胀失配效应增强， 导致最大应力升高； 而引入填充式缓冲结构后， 最大应力随缓冲结构的d、 w和h的变化呈现先减小后增大的非线性规律。正交试验优化结果显示， 当D=50 μm、 d、 w及h均为5 μm， 且填充材料为BCB时， 最大应力降至540.35 MPa， 较传统TSV结构降低约28.6%， 显著改善了TSV的热应力分布并提升了整体可靠性。该设计为在现有TSV制程框架内实现低应力、 高可靠互连提供了一种具有可行性的设计思路， 可为MEMS封装及三维集成器件的可靠性优化提供参考。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52375553)