使用EBSD提高3D集成电路中通过硅通孔的可靠性

三维集成电路（3D IC）保持高性能系统应用的承诺，因为单个集成电路可以使用通过硅通孔（TSV）连接到多个设备电平。这种方法避免了对边缘布线要求的需要，从而降低了电路长度和功耗并提供了快速的设备操作。

图1。铜通过硅的定向图通过显示没有优选的取向。

铜TSV的可靠性基于3D IC制造过程中的热负荷和沉积条件。为了改善装置的使用寿命，有必要优化负载，热退火和沉积条件。本文介绍了如何电子背散射衍射（EBSD）可用于提高3D电路中的TSV可靠性。

改善TSV可靠性的现有解决方案

分析在器件制造时由于工艺条件而发生的微观结构变化可以表明三维集成电路中tsv的可靠性。这些微观结构特征可以通过以下表征技术观察到:

• 聚焦离子束(FIB) - FIB图像通过晶体沟道成像提供关于TSV沉积、晶粒尺寸和填充质量的定性信息。FIB成像不能提供直接定量的晶粒尺寸测定或晶体取向信息。晶体取向可以提供沉积过程的信息，晶粒尺寸可以提供退火过程的信息。
• 透射电子显微镜（TEM） - TEM提供基于晶粒的晶粒和TSV缺陷的成像。所获得的图像提供定性的微观结构细节。通常手动进行TEM中的晶体取向的测定。这使得具有优选方向和晶粒尺寸确定的统计上可靠的采样复合物。
• 纳米压痕-进行这种表征是为了提供弹性模量和屈服强度的信息，为TSV和晶粒尺寸内的塑性应变提供深入的了解。应变值和测量的局部强度可以通过显微结构特征如成分和晶体取向来改变，然而，如果不完全了解微观结构，测定值的变化就无法精确解释。

电子背散射衍射

EBSD提供快速和自动化的解决方案，以表征铜TSV的微观结构，并使用晶体取向测量进行直接测量晶粒尺寸。

该技术测量沉积和热循环后的铜晶粒尺寸，这意味着可以调整制造参数来控制晶粒尺寸分布，实现完全的TSV填充。

它还提供了晶体取向和纹理的测量，这有助于了解铜膜沉积过程。沉积速率，电压和浴添加剂的参数用于测定影响空隙形成和填充率概率的优选方向。

也可以使用EBSD测量在TSV铜内形成的晶间失镜。这种杂志显示了热循环期间塑性变形的证据。塑料变形的发生又可以产生铜突起，从而引起诸如分层和裂缝的一致性问题。

EBSD微量分析结果

EBSD在沉积和热循环后获得6μm×40μm铜TSV样品的数据，用于模拟后端离尾（BEOL）加工。图1示出了具有与侧壁生长方向对应的彩色方向的方向图。该数据显示了由无论具有任何显着优选方向发育的双界组成的重结晶结构。

平均晶粒尺寸为978 nm。进一步观察到良好的TSV填充。对于随机的高角度晶界，孪晶界通过TSV提供了相当慢的扩散路径。如果在晶粒确定算法中不考虑孪晶界，则测量得到的孪晶界调整晶粒尺寸为2.72µm。用这种调整后的粒度可以更好地预测一致性。

图2显示晶粒结构，没有双界，其中晶粒随机着色以露出晶粒尺寸和形态。观察到没有双界的晶粒结构更接近所需的“竹子”结构，因为高角度边界与TSV长度成直角。该晶粒结构通过TSV限制可能的晶粒边界扩散路径，并将提供更高的电迁移失效耐受性。

图2。铜TSV的晶粒图包括双界限，并被排除在谷物中

示出了基于铜TSV中的塑性变形水平的着色内核平均错误（KAM）地图图3．在热循环期间，热膨胀系数在铜和周围的硅晶片之间变化，导致应力的形成。

当这些应力超过铜的弹性极限时，趋于发生永久塑性变形。KAM MAP显示TSV底部的塑性变形区域。在这种情况下，需要修改热循环变量以降低所施加的应力并提高可靠性。

图3。核平均错向图显示了热循环后塑性应变的发展，降低了可靠性

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