Zuverlässigkeit

TSV-Zuverlässigkeit

Akkumulierte plastische Deformation.
Querschnitt eines TSV.

Kupfer-Durchkontakte (Through Silicon Vias, TSVs) stellen eine effektive Kontaktierungslösung für die 3D-Integration dar, begründen aber auch neue Herausforderungen für die thermo-mechanische Zuverlässigkeit. Das große Mismatch der thermischen Ausdehnung zwischen Kupfer und dem umgebenden Silizium stellt ein erhebliches Risiko für Delaminationen zwischen Kupfer und der angrenzenden Seed-Schicht sowie für die Schädigung von Redistribution Layer (RDL) und Back- End of Line (BEoL)- Stacks auf beiden Seiten des Siliziumsubstrats dar. Daraus resultierende Pump- und Protrusionseffekte zeigen sich sowohl bei der Herstellung von BEoL-Strukturen als auch bei der thermischen Zykelprüfung (TCT). Dies ist auch auf Veränderungen der Kupfermorphologie – Korngröße, Kornausrichtung – als Annealing-Effekt zurückzuführen. Hierzu werden mechanische Eigenschaften aus Nanoindentationsexperimenten bestimmt. Finite-Elemente-Simulationen zur Untersuchung des thermo-mechanischen Verhaltens von Schädigungsvorgängen betrafen deshalb mögliche Delaminationen zwischen Kupfer-TSV und Barriere und innerhalb des BEoL-Stacks unter TCT- und Chip-Package-Interaction (CPI)- Bedingungen. Bei der Simulation der Rissbildung an den Grenzflächen wurde ein CSM-Verfahren (Cohesive Surface Contact Method) zur Beschreibung des Schädigungsverlaufs verwendet. Die Simulationsergebnisse weisen auf mögliche Interfacedelaminationen an der Grenzfläche Kupfer/Seed unterhalb des oberen Endes des TSV hin. Die Bewertung der Wechselwirkung von TSVs und BEoL-Stack mittels schädigungsmechanischer Ansätze bietet eine gute Basis für Untersuchungen der Schadensinitiierung innerhalb der RDL- und BEoL-Stacks auf Ober- und Unterseite des Siliziumsubstrats. Basierend auf Simulationen der Abhängigkeit des Schadensrisikos vom Abstand zwischen den TSVs als auch der Kristallorientierung von Silizium gegenüber TSV-Paaren wurden schließlich Vorschläge für ein zuverlässiges Via-Design unterbreitet.