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I硅穿孔通道引发应力之特性研究及其抑制/调变结构Study of the Characteristic of the Stress Induced by Through-Silicon Via and the Stress Constraint/Modulation Structure摘要本论文以数值模拟的方式来观察三维集成电路中的硅穿孔通道周围之热应力,并佐以压阻系数来换算此应力造成之硅基板载子迁移率变化率。目的是缩小载子迁移率变化率过大而被定为禁止摆放元件的排除区域。在考虑硅基板材料非等向性的状况下,证实当硅穿孔通道在规则摆放时其阵列排列方向与元件电流通道夹角控制之重要性,并在观察硅穿孔通道受到轴向力时对周围硅基板施力模式的改变,进而提出逐层固定硅穿孔通道的可能应用方案。在讨论现有解决硅穿孔通道产生之热应力问题的方法后,针对不接触硅穿孔通道本体的封闭式空气隙技术,我们亦提出朝开放式改进的可能方向。关键词: 热应力、硅穿孔通道、三维集成电路、有限元素法、压电效应IIAbstractIn this work, numerical simulation was used to predict the thermal stress and keep-out zone defined as where carrier mobility changes too much for the devices to turn on. By considering the anisotropic characteristics of the silicon, it is thought that the angle between the rows of through-silicon via array and the direction of the devices channel is a very important parameter. By the simulated stress pattern changed by applying tensile stress along the axis of TSV, a model of the confinement of the motion of the TSVs surface, leading to the reduction of the area of the keep-out zone, was proposed and verified. Last, we proposed a non-enlosed air-gap structure to improve the existing enclosed one.III目录口试委员审定书 .I致谢 .II摘要 .IIIAbstract.IV目录 .V图目录 .VII表目录 .IX第一章 绪论 .11.1 前言 .11.2 研究背景与动机 .21.3 论文架构 .6第二章 文献回顾与理论基础 .82.1 三维集成电路 .82.2 硅穿孔通道 .92.3 异质材料经过温差负荷所产生之热应力 .132.4 Lam distribution.142.5 基板载子迁移率随应力的变化 .172.6 Keep-out zone.19第三章 硅穿孔通道产生之应力特性 .21IV3.1 材料参数 .213.2 边界条件 .223.3 模拟与理论解析解的比较 .233.4 Keep-out zone 的计算 .253.5 硅穿孔通道间交互作用对 Keep-out zone 的影响 .283.6 规则性摆放硅穿孔通道与晶圆方向之关系 .333.7 硅穿孔通道受轴向力与周围硅基板受垂直应力之关系 .38第四章 非封闭性沟槽对应力分布之影响 .454.1 非封闭式环状沟槽 .454.2 非封闭式沟槽开口位置对 Keep-out zone 分布之关系 .464.3 非封闭式沟槽结构之优缺点 .48第五章 结论 .54参考文献 .55V图目录图 1.1 微处理器单元中所含晶体管数及各关键技术引进时间1 .2图 1.2 二维系统级芯片及三维集成电路连线效率比较2 .3图 2.1 硅穿孔通道基本制造流程18 .10图 2.2 Bosch DRIE 制程概念图19 .11图 2.3 晶圆结合技术示意图21 .12图 2.4 含硅穿孔通道之晶圆曲率与退火温度之关系22 .12图 2.5 异质材料经历温度负载时产生热应力之机制示意图 .13图 2.6 厚壁中空圆柱内单位体积力平衡示意图 .15图 2.7 厚壁中空圆柱内压力对管壁造成之应力分布23 .17图 3.1 本研究之模型所使用非等向性硅基板方向性与坐标轴之关系33 .22图 3.2 单个硅穿孔通道模型尺寸及边界条件(未照比例绘制) .23图 3.3 用来跟 Lam distribution 解析解作比较的模型示意图 .24图 3.4 模拟结果与解析解比较图 .25图 3.5 单个硅穿孔通道对 p-type Si 产生之 Keep-out zone 分布 .27图 3.6 单个硅穿孔通道对 n-type Si 产生之 Keep-out zone 分布 .27图 3.7 两个硅穿孔通道相对位置参数示意图 .28图 3.8 双硅穿孔通道的交互作用,=0、d=55 .29VI图 3.9 双硅穿孔通道的交互作用,=0、d=25 .30图 3.10 双硅穿孔通道的交互作用,=45、d=25 .30图 3.11 硅穿孔通道收缩时对周围基板施加的应力 .31图 3.12 两硅穿孔通道 0 度角摆放时交互作用示意图 .31图 3.13 两硅穿孔通道 45 度角摆放时交互作用示意图 .31图 3.14 两硅穿孔通道与110方向之夹角对 KOZ 重合距离之影响 .32图 3.15 两硅穿孔通道与110方向夹角对 KOZ 面积之影响 .32图 3.16 阵列硅穿孔通道的交互作用,=0、d=55 .33图 3.17 阵列硅穿孔通道的交互作用,=22.5 、d=55 .34图 3.18 阵列硅穿孔通道的交互作用,=45、d=55 .34图 3.19 阵列硅穿孔通道的交互作用,=0、d=25 .35图 3.20 阵列硅穿孔通道的交互作用,=22.5 、d=25 .36图 3.21 阵列硅穿孔通道的交互作用,=45、d=25 .36图 3.22 直径 2 倍大(20) 的硅穿孔通道靠近较小尺寸的硅穿孔通道 .37图 3.23 直径 1.5 倍大(15)的硅穿孔通道靠近较小尺寸的硅穿孔通道 .37图 3.24 直径 2 倍大 1.5 三倍大之硅穿孔通道分别接近时之 Keep-out zone 大小 .38图 3.25 未施加外加应力之硅穿孔通道侧面 Keep-out zone 剖面图 .39图 3.26 未施加外加应力之硅穿孔通道应力场图 .39VII图 3.27 限制住硅穿孔通道表面位移时侧面 Keep-out zone 剖面图 .40图 3.28 限制住硅穿孔通道表面位移时应力分布图 .40图 3.29 与封装外盒连接之硅穿孔通道示意图 .41图 3.30 与封装外盒连接之硅穿孔通道其基板 Keep-out zone 分布图 .42图 3.31 双层芯片不受外力时 Keep-out zone 分布图 .42图 3.32 双层芯片上层芯片之上表面受到支撑时 Keep-out zone 分布图 .43图 3.33 双层芯片下层芯片之上表面受到支撑时 Keep-out zone 分布图 .43图 3.34 双层芯片上下层芯片之上表面皆受到支撑时 Keep-out zone 分布图 .44图 3.35 双层芯片上下层芯片之上表面皆受到支撑时 Keep-out zone 分布图 .44图 4.1 封闭式与非封闭式空气隙结构示意图 .45图 4.2 空气隙内部正向应力最大最小值与开口角度之关系 .46图 4.3 单个含空气隙之硅穿孔通道产生之 Keep-out zone 与开口角度之关系 .46图 4.4 多段圆弧空气隙结构及将其圆弧转成其他形状的示意图及模拟结果 .47图 4.5 圆心在的外圆弧沟槽结构(左)及直线沟槽结构(右)应力交互作用比较图 .48图 4.6 空气隙穿透氧化层之效果 .49图 4.7 非封闭式沟槽改成连上方氧化层一起蚀刻之效果比较图 .49图 4.8 非封闭式沟槽改成连上方氧化层一起蚀刻之效果比较图 .50图 4.9 全角度非封闭式沟槽结构示意图 .50VIII图 4.10 全角度非封闭式沟槽变动角度之效果 .51图 4.11 i:180、 o:180(左)及 i:180、 o:225(右)KOZ 分布图 .51图 4.12 i:180、 o:270(左)及 i:180、 o:315(右)KOZ 分布图 .51图 4.13 用来做三维集成电路散热分析之模型架构 .52图 4.14 空气隙不同开口角度对散热的影响 .53图 4.15 全角度非封闭式空气隙不同包围角度对散热的影响 .53IX表目录表 1.1 现有降低硅穿孔通道产生之热应力之技术方法 .5表 2.1 坐标轴 1 平行于单晶硅100方向时的压阻系数(单位为 10-11 Pa-1)26 .19表 2.2 各大厂硅穿孔通道技术与其 keep-out zone 范围 .20表 3.1 模拟时所用之材料参数 .21表 3.2 坐标轴 1 平行于单晶硅110方向时的压阻系数(单位为 10-11 Pa-1).26表 4.1 常用之三维集成电路热分析材料参数 .521第一章 绪论1.1 前言自从晶体管被发明出来之后,凭着其相对于真空管体积小、效能佳、可靠度高且成本低等优异特性,已几乎完全取代真空管成为主流电子元件,积体化电路的发展亦随着突飞猛进。在个人计算机越来越普及的年代,人们越来越仰赖这些新兴科技,生活型态也逐渐改变,人们不断期望生活能够越来越便利、越来越轻松,甚至随着网际网络的发达、信息爆炸年代的到来,大家期望的已不再仅仅是一时的方便,而是能够随身携带的知识。在人手一台智能型装置的年代,为了让人们能够更自在的携带功能更强大的装置,工程师们努力地在更小的体积内置入更多的电子元件。在将半导体产业多年来的发展历程整理过后,由 Gordon Moore提出了摩尔定律(Moores Law)1,此定律预测了约每隔 1824 个月集成电路中的晶体管数目会增加一倍。摩尔定律的定义虽然经过了几次的修改,但其精神不外乎是形容半导体产业的高速成长,甚至可以广义地说摩尔定律是在形容一种稳定指数成长的趋势。图 1.1 即是将微处理单元(Microprocessor Uni

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