KR101576648B1 - Through-silicon via structure and predicting method for thermo-mechanical stress of the same - Google Patents

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KR101576648B1 KR1020140143441A KR20140143441A KR101576648B1 KR 101576648 B1 KR101576648 B1 KR 101576648B1 KR 1020140143441 A KR1020140143441 A KR 1020140143441A KR 20140143441 A KR20140143441 A KR 20140143441A KR 101576648 B1 KR101576648 B1 KR 101576648B1
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이원준
황주선
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세종대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a through silicon via (TSV) structure, and a method for estimating thermo-mechanical stress of the TSV. The TSV structure comprises: a via hole formed in a vertical direction inside a silicon wafer; a conductor, a diffusion barrier, and an insulating layer sequentially arranged inside the via hole; and a copper overburden arranged in an upper part of the via hole.

Description

실리콘 관통전극 구조체 및 이의 열-기계적 응력 예측 방법{THROUGH-SILICON VIA STRUCTURE AND PREDICTING METHOD FOR THERMO-MECHANICAL STRESS OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a silicon penetration electrode structure and a method of predicting thermomechanical stress of the silicon penetration electrode structure,

본원은, 실리콘 관통전극 구조체 및 상기 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon penetrating electrode structure and a method for predicting thermomechanical stresses of the silicon penetrating electrode.

3-차원 집적 회로(three-dimensional integrated circuit; 3D IC)는 수직으로 하나의 칩에 여러 가지를 통합하는 새로운 기술이다. 실리콘 관통전극(through-silicon via; TSV) 상의 3D IC의 이점은 향상된 패킹 밀도, 감소된 전력 소비, 더 넓은 대역폭, 및 더 빠른 전달 속도를 포함한다. 구리는 구리의 낮은 저항률 및 구리 배선과의 우수한 적합성으로 인해 TSV의 첨가물로서 가장 일반적으로 사용되며, 제조 공정의 개발에 많은 노력이 집중되어왔다. A three-dimensional integrated circuit (3D IC) is a new technology that integrates several things vertically into a single chip. Advantages of 3D ICs on a silicon-through-via (TSV) include improved packing density, reduced power consumption, wider bandwidth, and faster delivery speed. Copper is most commonly used as an additive to TSV due to its low resistivity of copper and good compatibility with copper wiring, and much effort has been focused on the development of the manufacturing process.

그러나, 구리 TSV는 디바이스 특성, 수율, 및 장기 신뢰성의 저하와 관련된 많은 문제를 제기한다. 구리는 실리콘 및 실리콘 옥사이드 모두에서 빠르게 확산되어 실리콘 디바이스를 오염시킨다. 실리콘 웨이퍼 및 구리 TSV 간의 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE)에서의 불일치는 구리 TSV 구조 내에서 열-기계적 응력을 유도한다. 활성 영역의 소수 캐리어 수명은 5 분간 300℃에서 어닐링하는 동안 구리 TSV로부터 확산된 구리 오염에 의해 감소된다. 상기 열-기계적 응력은 디바이스 내에서 홀(hole) 및 전자 이동도(electron mobility) 변화를 야기하며, 이는 성능 저하를 야기할 수 있다. 열 응력에 의해 발생하는 TSV의 박리(delamination)는 다른 물질들 및 구조적 설계들을 사용하여 연구하였다: TSV 직경, TSV 첨가물들(filling materials), 유전체 물질들의 타입, TSV의 타입(관통-전극 vs. 블라인드-비아, 원통형). 실리콘 기재들의 크래킹(cracking) 또는 상기 열-기계적 응력에 의하여 절연막(dielectric liner) 또한 결정되었으나, 크래킹 실패에 관한 설계 파라미터들의 영향은 거의 보고되지 않았다. TSV 구조의 응력 분포는 유한요소분석법(finite element analysis)에 의해 주로 연구된 반면, 마이크로-라만 분광법(micro-Raman spectroscopy)은 실리콘 표면의 열-기계적 응력만을 결정할 수 있었다.However, copper TSV poses many problems associated with degradation of device characteristics, yield, and long-term reliability. Copper diffuses rapidly in both silicon and silicon oxide, contaminating silicon devices. Discrepancies in the coefficient of thermal expansion (CTE) between the silicon wafer and the copper TSV lead to thermomechanical stresses in the copper TSV structure. The minority carrier lifetime of the active region is reduced by copper contamination diffused from the copper TSV during annealing at 300 DEG C for 5 minutes. The thermo-mechanical stress causes hole and electron mobility changes in the device, which can cause performance degradation. The delamination of TSV caused by thermal stresses was studied using other materials and structural designs: TSV diameter, TSV filling materials, type of dielectric materials, type of TSV (penetration-electrode etc.). Blind-vias, cylindrical). A dielectric liner was also determined by the cracking of the silicon substrates or by the thermo-mechanical stress, but the effect of the design parameters on cracking failure was barely reported. The stress distribution of the TSV structure was mainly studied by finite element analysis, while micro-Raman spectroscopy was able to determine only the thermomechanical stresses of the silicon surface.

한편, 대한민국 공개특허 제10-2012-0104638호(관통 실리콘 비아들 근처의 사용가능한 집적 회로 칩 면적의 재생)에서는 기판을 관통하는 비아(via)를 포함하는 기판 및 응력을 도입하는 재료를 포함하는 직접 회로 디바이스를 제조하는 것으로서, 관통전극 근처의 사용 가능한 직접 회로 칩 면적의 재생을 이용하고 있다.On the other hand, in Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0104638 (regeneration of available integrated circuit chip area near through silicon vias), a substrate including vias passing through the substrate and a material introducing stress The manufacture of integrated circuit devices utilizes the regeneration of the available integrated circuit chip area near the penetrating electrodes.

본원은, 실리콘 웨이퍼 내에 수직 방향으로 형성된 비아 홀(via hole); 상기 비아 홀의 내부에 순차적으로 배치된 도전체, 확산 방지막, 및 절연막; 및 상기 비아 홀의 상부에 배치된 구리 오버버든(overburden)을 포함하며, 상기 비아 홀의 직경, 상기 절연막의 두께, 상기 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 변수(parameter)에 의해 실리콘 관통전극의 응력이 조절되는 실리콘 관통전극 구조체, 및 상기 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to a semiconductor device comprising: a via hole formed in a silicon wafer in a vertical direction; A conductive layer, a diffusion barrier layer, and an insulating layer sequentially disposed in the via hole; And a copper overburden disposed at an upper portion of the via hole, the parameter being selected from the group consisting of a diameter of the via hole, a thickness of the insulating film, a thickness of the copper overburden, and combinations thereof. And a method of predicting the thermo-mechanical stress of the silicon penetration electrode.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 실리콘 웨이퍼 내에 수직 방향으로 형성된 비아 홀(via hole); 상기 비아 홀의 내부에 순차적으로 배치된 도전체, 확산 방지막, 및 절연막(dielectric liner); 및 상기 비아 홀의 상부에 배치된 구리 오버버든(overburden)을 포함하며, 상기 비아 홀의 직경, 상기 절연막의 두께, 상기 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 변수(parameter)에 의해 실리콘 관통전극의 응력이 조절되는 것인, 실리콘 관통전극 구조체를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a via hole formed in a silicon wafer in a vertical direction; A conductive layer, a diffusion barrier layer, and a dielectric liner sequentially disposed in the via hole; And a copper overburden disposed at an upper portion of the via hole, the parameter being selected from the group consisting of a diameter of the via hole, a thickness of the insulating film, a thickness of the copper overburden, and combinations thereof. Wherein the stress of the silicon penetrating electrode is controlled by the first electrode.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 실리콘 관통 전극 구조체를 이용한 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법으로서, 상기 관통전극의 비아 홀 직경, 절연막의 두께, 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 변수(parameter)를 이용하여 상기 실리콘 관통전극의 응력(stress)을 예측함으로써, 상기 관통전극의 크랙을 방지하는 것을 포함하는, 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법을 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for predicting thermomechanical stress of a penetrating electrode using a silicon penetrating electrode structure according to the first aspect of the present invention, wherein a via hole diameter of the penetrating electrode, a thickness of the insulating film, Thermo-mechanical stresses of the silicon penetrating electrode, including preventing cracking of the penetrating electrode by predicting the stress of the silicon penetrating electrode by using a parameter selected from the group consisting of combinations thereof, Provides a prediction method.

본원의 일 구현예에 의하면, 실리콘 관통전극 구조체(TSV)는, 실리콘 관통전극의 비아 홀 직경이 감소함에 따라 TSV의 최대 응력 또한 감소할 수 있으며, 상기 비아 홀의 직경은 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력을 예측하는 변수로서 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the silicon through-hole electrode structure (TSV) can reduce the maximum stress of the TSV as the via-hole diameter of the silicon through electrode decreases, and the diameter of the via- It can be used as a parameter for predicting the stress.

본원의 일 구현예에 의하면, 실리콘 관통전극의 절연막 두께가 증가할수록 TSV의 최대 응력이 저하될 수 있으며, 상기 절연막의 두께는 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력을 예측하는 변수로서 사용될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, as the thickness of the insulating layer of the silicon through electrode is increased, the maximum stress of the TSV may be lowered, and the thickness of the insulating layer may be used as a parameter for predicting the thermo-mechanical stress of the silicon through electrode.

본원의 일 구현예에 의하면, 실리콘 관통전극의 구리 오버버든 두께가 감소함에 따라 TSV의 최대 응력 또한 감소할 수 있으며, 상기 구리 오버버든의 두께는 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력을 예측하는 변수로서 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, as the thickness of the copper overburden of the silicon through electrode is reduced, the maximum stress of the TSV may also decrease, and the thickness of the copper overburden is a parameter that predicts the thermo-mechanical stress of the silicon through electrode Can be used.

본원의 일 구현예에 의하면, 실리콘 관통전극에 있어서, 비아 홀의 직경, 절연막의 두께, 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 설계 변수(parameter)에 의해 최대 응력을 예측하여 본원에 따른 실리콘 관통전극의 크랙(crack)을 방지할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in the silicon penetrating electrode, the maximum stress is predicted by a design parameter selected from the group consisting of the diameter of the via hole, the thickness of the insulating film, the thickness of the copper overburden, Thereby preventing cracks in the silicon through-hole electrode according to the present invention.

도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, TSV의 설계 파라미터의 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 실리콘 관통전극(through-silicon via; TSV)의 FEM 모델링을 나타낸 것으로서, (a) 모델의 메쉬(mesh) 및 임계 계면에서의 메쉬, 및 (b) ANSYS에 의하여 계산된 응력 분포의 예를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 다른 직경들을 사용한 TSV의 하단 모서리의 윤곽 플롯들이다: 각각 (a) 2 ㎛, (b) 5 ㎛, (c) 10 ㎛, 및 (d) 20 ㎛를 나타내며, 이때 각각의 종횡비는 10으로 고정됨.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, TSV의 직경 및 종횡비의 함수로서의 최대 폰 미제스 응력을 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 다른 측면 기울기들을 사용한 TSV의 하단 모서리의 윤곽 플롯들이다: 각각 (a) 88˚, (b) 89˚, 및 (c) 90˚를 나타내며, 이때 각각의 비아 직경은 10 ㎛임.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 벽면 기울기의 함수로서의 최대 폰 미제스 응력을 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 다른 SiO2 두께를 사용한 TSV들의 하단 모서리의 윤곽 플롯들이다: 각각 (a) 50 nm, (b) 100 nm, (c) 200 nm, 및 (d) 500 nm를 나타내며, 이때 각각의 비아 직경은 10 ㎛임.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, SiO2 두께 및 비아 직경의 두 함수로서의 최대 폰 미제스 응력을 나타내는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는, 본원의 일 실시예에 있어서, SiO2 막(liner)들의 각각 다른 스텝 커버리지를 사용한 TSV들의 하단 모서리의 윤각 플롯들이다: 각각 (a) 50% 및 (b) 100%를 나타내며, 이때 각각의 비아 직경은 10 ㎛임.
도 10a 내지 도 10d는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 다른 구리 오버버든 두께를 사용한 TSV들의 하단 모서리의 윤각 플롯들이다: 각각 (a) 0 ㎛, (b) 0.5 ㎛, (c) 1 ㎛, 및 (d) 5 ㎛를 나타내며, 이때 각각의 비아 직경은 10 ㎛임.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 구리 오버버든 두께 및 비아 직경의 두 함수로서의 최대 폰 미제스 응력을 나타내는 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a design parameter of a TSV in one embodiment of the present invention.
2A and 2B illustrate FEM modeling of a through-silicon via (TSV) in one embodiment of the present invention, wherein (a) the meshes of the model and the mesh at the critical interface, and (b) An example of the stress distribution calculated by ANSYS.
Figures 3a-3d are contour plots of the bottom edge of a TSV using different diameters, in one embodiment of the present invention: (a) 2 占 퐉, (b) 5 占 퐉, (c) 10 占 퐉, and d) 20 μm, where each aspect ratio is fixed at 10.
Figure 4 is a graph showing the maximum pomfilless stress as a function of the diameter and aspect ratio of the TSV, in one embodiment of the invention.
Figures 5A-5C are contour plots of the bottom edge of the TSV using different side slopes, respectively, in one embodiment of the present invention: (a) 88 占 (b) 89 占 and (c) 90 占, Wherein the diameter of each via is 10 탆.
Figure 6 is a graph showing the maximum pomfilless stress as a function of wall slope, in one embodiment of the invention.
Figures 7a to 7d, in the one embodiment of the invention, different SiO are contour plots at the bottom of the TSV edges with two thicknesses: each of (a) 50 nm, (b ) 100 nm, (c) 200 nm, And (d) 500 nm, where each via diameter is 10 占 퐉.
8 is a graph showing the maximum pomposite stress as a function of SiO 2 thickness and via diameter in one embodiment of the present invention.
Figure 9a and 9b, are yungak plot in accordance with the exemplary embodiment of the invention, the bottom of the TSV with each other, the step coverage of the SiO 2 film (liner) edges: each of (a) 50% and (b) 100% , Wherein the diameter of each via is 10 탆.
10a-10d are, in one embodiment of the present disclosure, the lines of the lower edges of TSVs using different copper overburden thicknesses: (a) 0 占 퐉, (b) 0.5 占 퐉, , And (d) 5 占 퐉, where each via diameter is 10 占 퐉.
11 is a graph showing the maximum pomposite stress as a function of copper overburden thickness and via diameter in one embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is "on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used herein, the terms "about," " substantially, "and the like are used herein to refer to or approximate the numerical value of manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the mentioned disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The term " step " or " step of ~ " as used throughout the specification does not imply " step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
Hereinafter, embodiments of the present invention are described in detail, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 1 측면은, 실리콘 웨이퍼 내에 수직 방향으로 형성된 비아 홀(via hole); 상기 비아 홀의 내부에 순차적으로 배치된 도전체, 확산 방지막, 및 절연막; 및 상기 비아 홀의 상부에 배치된 구리 오버버든(overburden)을 포함하며, 상기 비아 홀의 직경, 상기 절연막의 두께, 상기 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 변수(parameter)에 의해 실리콘 관통전극의 응력이 조절되는 것인, 실리콘 관통전극(through silicon via; TSV) 구조체를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a via hole formed in a silicon wafer in a vertical direction; A conductive layer, a diffusion barrier layer, and an insulating layer sequentially disposed in the via hole; And a copper overburden disposed on the top of the via hole, wherein a parameter selected from the group consisting of a diameter of the via hole, a thickness of the insulating film, a thickness of the copper overburden, Wherein the stress of the silicon penetrating electrode is controlled by the through silicon via (TSV) structure.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 실리콘 관통전극 구조체는 상기 관통전극의 응력이 실리콘의 항복응력(yield stress)보다 작은 것일 수 있다. 상기 관통전극의 응력이 실리콘의 항복응력보다 클 경우, 상기 관통전극의 크랙이 생성될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 상기 관통전극의 응력은 폰 미제스 응력(von Mises stress) 을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 폰 미제스 응력은 관통전극의 하단 모서리에 집중되어있는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the silicon penetrating electrode structure may be such that the stress of the penetrating electrode is smaller than the yield stress of silicon. If the stress of the penetrating electrode is larger than the yield stress of silicon, a crack may be generated in the penetrating electrode. For example, the stress of the penetrating electrode may be von Mises stress, but is not limited thereto. The von Meister stress may be concentrated at the bottom edge of the penetrating electrode.

본원 명세서 전체에서, “관통전극의 크랙(crack)” 또는 "크랙"은 실리콘 관통전극의 크랙뿐만 아니라 실리콘 하부의 크랙 또는 절연막 상부의 크랙을 포함하는 것으로 해석된다.Throughout this specification, "cracking" or "cracking" of the penetrating electrode is interpreted to include not only cracks in the silicon penetrating electrode but also cracks under the silicon or cracks on the insulating film.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 관통전극은 하기 수학식 1의 T 값이 약 700 미만인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:In one embodiment of the present invention, the penetrating electrode may have a T value of less than about 700, but is not limited thereto:

[수학식 1][Equation 1]

T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x2 + 0.001y2 - 0.007xy ;T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x 2 + 0.001y 2 - 0.007xy;

상기 식에 있어서,In the above formula,

T는 응력(MPa)이고, x는 비아 홀의 직경이고, y는 절연막의 두께임.T is the stress (MPa), x is the diameter of the via hole, and y is the thickness of the insulating film.

상기 수학식 1의 T 값이 약 700 이상일 경우, 상기 관통전극은 크랙이 생성될 수 있다.When the T value in Equation (1) is about 700 or more, a crack can be generated in the penetrating electrode.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 관통전극은 하기 수학식 2의 T 값이 약 700 미만인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:In one embodiment of the present invention, the penetrating electrode may have a T value less than about 700 in the following equation (2), but is not limited thereto:

[수학식 2]&Quot; (2) "

T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x2 - 16.05z2 - 0.04xz ;T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x 2 - 16.05z 2 0.04xZ;

상기 식에 있어서,In the above formula,

T는 응력(MPa)이고, x는 비아 홀의 직경이고, z는 구리 오버버든의 두께임.T is the stress (MPa), x is the diameter of the via hole, and z is the thickness of the copper overburden.

상기 수학식 2의 T 값이 약 700 이상일 경우, 상기 관통전극은 크랙이 생성될 수 있다.When the T value in Equation (2) is about 700 or more, a crack can be generated in the penetrating electrode.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 관통전극은 하기 수학식 3의 T 값이 약 147.04 미만인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:In one embodiment of the invention, the penetrating electrode may have a T value of less than about 147.04, but is not limited thereto:

[수학식 3]&Quot; (3) "

T = 0.49x2 - 0.001y2 - 16.05z2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z ;T = 0.49x 2 - 0.001y 2 - 16.05z 2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z;

상기 식에 있어서, In the above formula,

T는 응력이고, x는 비아 홀의 직경이고, y는 절연막의 두께이고, z는 구리 오버버든의 두께임.T is the stress, x is the diameter of the via hole, y is the thickness of the insulating film, and z is the thickness of the copper overburden.

상기 수학식 3의 T 값이 약 147.04 이상일 경우, 상기 관통전극은 크랙이 생성될 수 있다.When the T value in Equation (3) is about 147.04 or more, a crack can be generated in the penetrating electrode.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수학식 1 내지 3의 T 값인 상기 응력은 TSV 하부의 Si에 인가되는 응력을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the stress, which is the T value in the above Equations 1 to 3, may be a stress applied to the Si under the TSV, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 도전체는 Cu를 포함하고, 상기 확산 방지막은 Ti, Ta, W, Ru, Pt, Co, 또는 이들의 조합들; 이들의 질화물(nitride); 이들의 탄화물(carbide); 이들의 인화물(phosphide); 및, 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 확산 방지막의 종류에 따라 상기 수학식 1 내지 3이 달라질 수 있으며, 이는 상기 확산 방지막으로서 사용되는 물질의 종류에 따라 물질의 물성, 예를 들어, 영률, 푸아송비, 및 CTE 등이 상이하기 때문이다.In one embodiment of the present invention, the conductor comprises Cu and the diffusion barrier comprises Ti, Ta, W, Ru, Pt, Co, or combinations thereof; Their nitride; Carbides thereof; Their phosphides; But are not limited to, those selected from the group consisting of, and combinations thereof. The above equations (1) to (3) can be changed depending on the type of the diffusion preventing film, because physical properties of the material such as Young's modulus, Poisson's ratio and CTE are different depending on the kind of material used as the diffusion preventing film to be.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 비아 홀이 상기 실리콘 웨이퍼를 관통하거나 또는 부분 관통한 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the via hole may include, but is not limited to, penetrating or partially penetrating the silicon wafer.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 절연막은 SiO2, SiN, SiC, SiCN, Al2O3, 저유전율(low-k) 절연막, 이들의 조합들, 및 이들의 적층 구조로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 절연막의 종류에 따라 상기 수학식 1 내지 3이 달라질 수 있으며, 이는 상기 절연막으로서 사용되는 물질의 종류에 따라 물질의 물성, 예를 들어, 영률, 푸아송비, 및 CTE 등이 상이하기 때문이다.
In one embodiment of the present invention, the insulating film is selected from the group consisting of SiO 2 , SiN, SiC, SiCN, Al 2 O 3 , a low-k insulating film, combinations thereof, But are not limited thereto. The above formulas (1) to (3) can be changed depending on the type of the insulating film, because physical properties of the material such as Young's modulus, Poisson's ratio and CTE are different depending on the type of the material used as the insulating film.

이하, 본원의 일 구현예에 따른 실리콘 관통전극 구조체에 관하여 도 1을 참조하여 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the silicon penetrating electrode structure according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, but the present invention is not limited thereto.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 실리콘 관통전극 구조체(100)의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 실리콘 관통전극 구조체(100)는 실리콘 웨이퍼(110), 비아 홀(120), 도전체(130), 확산 방지막(140), 절연막(150), 및 구리 오버버든(160)을 포함한다.1 is a cross-sectional view of a silicon penetrating electrode structure 100 according to an embodiment of the present invention. 1, the silicon penetration electrode structure 100 includes a silicon wafer 110, a via hole 120, a conductor 130, a diffusion barrier film 140, an insulation film 150, and a copper overburden 160. [ .

상기 비아 홀(120)은 상기 실리콘 웨이퍼(110) 상에 수직으로 생성된 홀을 의미한다. The via hole 120 refers to a hole formed vertically on the silicon wafer 110.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 비아 홀(120)의 직경이 작을수록 실리콘 관통전극의 최대 응력이 감소하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 비아 홀(120)의 직경은 약 2 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 2 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 2 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 또는 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the smaller the diameter of the via hole 120, the smaller the maximum stress of the silicon through electrode. For example, the diameter of the via hole 120 may be from about 2 microns to about 20 microns, from about 2 microns to about 10 microns, from about 2 microns to about 5 microns, from about 5 microns to about 20 microns, from about 5 microns to about 10 mu m, or from about 10 mu m to about 20 mu m, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 실리콘 관통전극 구조체(100)는 상기 비아 홀(120)이 상기 실리콘 웨이퍼(110)를 관통하거나 또는 부분 관통한 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the silicon penetrating electrode structure 100 may include the via hole 120 penetrating the silicon wafer 110 or partially penetrating the silicon wafer 110, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 실리콘 관통전극 구조체(100)는 상기 비아 홀(120)을 하나 이상 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the silicon penetrating electrode structure 100 may include at least one via hole 120, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 구리 오버버든(160)의 두께가 얇을수록 실리콘 관통전극의 최대 응력이 감소하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 구리 오버버든(160)의 두께는 약 0 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 0 ㎛ 내지 약 4 ㎛, 약 0 ㎛ 내지 약 3 ㎛, 약 0 ㎛ 내지 약 2 ㎛, 또는 약 0 ㎛ 내지 약 1 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the thinner the copper overburden 160, the lower the maximum stress of the silicon through electrode. For example, the thickness of the copper overburden 160 may range from about 0 탆 to about 5 탆, from about 0 탆 to about 4 탆, from about 0 탆 to about 3 탆, from about 0 탆 to about 2 탆, To about 1 < RTI ID = 0.0 > pm, < / RTI >

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 실리콘 관통전극 구조체(100)는 상기 실리콘 웨이퍼(110)의 내부에 생성된 비아 홀(120)의 벽면(120A) 및 하부(120B) 상에 절연막(150) 및 확산 방지막(140)이 적층되고, 도전체(130)가 충진된 것을 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the silicon penetrating electrode structure 100 includes an insulating layer 150 and a conductive layer 150 formed on a wall surface 120A and a lower surface 120B of a via hole 120 formed in the silicon wafer 110, Diffusion barrier film 140 may be stacked and the conductor 130 may be filled.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 도전체(130)는 Cu를 포함할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 도전체(130)는 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD), 전해도금, 무전해 도금, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 충진된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 도전체(130)는 씨드(seed)층 상에서 이온화 스퍼터링, 전해도금, 또는 이들의 조합에 의해 충진된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the invention, the conductor 130 may comprise Cu. In one embodiment of the invention, the conductor 130 may be filled by a method selected from the group consisting of physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), electroplating, electroless plating, But is not limited thereto. Also, the conductor 130 may include, but is not limited to, a seed layer filled by ionizing sputtering, electrolytic plating, or a combination thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 확산 방지막(140)은, 예를 들어, Ti, Ta, W, Ru, Pt, Co, 또는 이들의 조합들; 이들의 질화물(nitride); 이들의 탄화물(carbide); 이들의 인화물(phosphide); 및, 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the diffusion barrier layer 140 may include, for example, Ti, Ta, W, Ru, Pt, Co, or combinations thereof; Their nitride; Carbides thereof; Their phosphides; But are not limited to, those selected from the group consisting of, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 확산 방지막(140)은 물리기상증착법(PVD), 화학기상증착법(CVD), 전해도금, 무전해 도금, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 증착된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the diffusion barrier layer 140 may be deposited by a method selected from the group consisting of physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), electroplating, electroless plating, But is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 절연막(150)의 두께가 두꺼울수록 실리콘 관통전극의 최대 응력이 감소하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 절연막(150)의 두께는 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 250 nm, 약 50 nm 내지 약 230 nm, 약 50 nm 내지 약 110 nm, 약 110 nm 내지 약 500 nm, 약 110 nm 내지 약 250 nm, 약 110 nm 내지 약 230 nm, 약 230 nm 내지 약 500 nm, 약 230 nm 내지 약 250 nm, 또는 약 250 nm 내지 약 500 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the greater the thickness of the insulating layer 150, the smaller the maximum stress of the silicon through electrode. For example, the thickness of the insulating layer 150 may range from about 50 nm to about 500 nm, from about 50 nm to about 250 nm, from about 50 nm to about 230 nm, from about 50 nm to about 110 nm, from about 110 nm to about 500 nm, about 110 nm to about 250 nm, about 110 nm to about 230 nm, about 230 nm to about 500 nm, about 230 nm to about 250 nm, or about 250 nm to about 500 nm, no.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 절연막(150)은, 예를 들어, SiO2, SiN, SiC, SiCN, Al2O3, 저유전율(low-k) 절연막, 이들의 조합들, 및 이들의 적층 구조로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the insulating layer 150 may be formed of, for example, SiO 2 , SiN, SiC, SiCN, Al 2 O 3 , a low-k insulating film, And a laminated structure, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 절연막(150)은 열산화법, 습식법, 화학기상증착법(CVD), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의하여 실리콘 웨이퍼(110) 상에 증착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화학기상증착법은 부기압 화학기상증착법(sub-atmospheric chemical vapor deposition; SACVD) 또는 플라즈마-강화 화학기상증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 등이 있을 수 있다.
In one embodiment, the insulating layer 150 may be deposited on the silicon wafer 110 by a process selected from the group consisting of thermal oxidation, wet process, chemical vapor deposition (CVD), and combinations thereof. But is not limited thereto. For example, the chemical vapor deposition process may be a sub-atmospheric chemical vapor deposition (SACVD) process or a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 실리콘 관통 전극 구조체를 이용한 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법으로서, 상기 관통전극의 비아 홀 직경, 절연막의 두께, 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 변수(parameter)를 이용하여 상기 실리콘 관통전극의 응력(stress)을 예측함으로써, 상기 관통전극의 크랙을 방지하는 것을 포함하는, 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법을 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for predicting thermomechanical stress of a penetrating electrode using a silicon penetrating electrode structure according to the first aspect of the present invention, wherein a via hole diameter of the penetrating electrode, a thickness of the insulating film, Thermo-mechanical stresses of the silicon penetrating electrode, including preventing cracking of the penetrating electrode by predicting the stress of the silicon penetrating electrode by using a parameter selected from the group consisting of combinations thereof, Provides a prediction method.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 관통전극의 응력이 실리콘의 항복응력보다 클 때 상기 관통전극의 크랙이 생성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원의 일 구현예에 따른 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법을 이용하여, 상기 변수에 따른 상기 관통전극의 크랙 발생 가능성에 대하여 예측 가능한 것일 수 있으며, 또한, 상기 관통전극의 크랙 유무를 검토할 수 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 관통전극의 응력은 폰 미제스 응력을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, when the stress of the penetrating electrode is greater than the yield stress of silicon, a crack may be generated in the penetrating electrode, but the present invention is not limited thereto. For example, the possibility of cracking of the penetrating electrode according to the variable may be predictable by using a thermo-mechanical stress prediction method of a silicon penetrating electrode according to an embodiment of the present invention. In addition, But it is not limited to this. In addition, the stress of the penetrating electrode may mean the von Mises stress, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 관통전극의 응력은 하기 수학식 1로서 예측되며, 하기 T 값이 약 700 미만일 때 상기 관통전극의 크랙(crack)의 생성이 방지되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:In one embodiment of the present invention, the stress of the penetrating electrode is predicted by the following equation (1), and cracking of the penetrating electrode may be prevented when the T value is less than about 700, It is not:

[수학식 1][Equation 1]

T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x2 + 0.001y2 - 0.007xy ;T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x 2 + 0.001y 2 - 0.007xy;

상기 식에 있어서, In the above formula,

T는 응력(MPa)이고, x는 비아 홀의 직경이고, y는 절연막의 두께임.T is the stress (MPa), x is the diameter of the via hole, and y is the thickness of the insulating film.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 관통전극의 응력은 하기 수학식 2로서 예측되며, 하기 T 값이 약 700 미만일 때 상기 관통전극의 크랙(crack)의 생성이 방지되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:In one embodiment of the present invention, the stress of the penetrating electrode is predicted by the following equation (2), and cracking of the penetrating electrode may be prevented when the T value is less than about 700, It is not:

[수학식 2]&Quot; (2) "

T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x2 - 16.05z2 - 0.04xz ;T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x 2 - 16.05z 2 - 0.04xz;

상기 식에 있어서, In the above formula,

T는 응력(MPa)이고, x는 비아 홀의 직경이고, z는 구리 오버버든의 두께임.T is the stress (MPa), x is the diameter of the via hole, and z is the thickness of the copper overburden.

본원의 일 구현예에 있어서, 하기 수학식 3의 T 값이 약 147.04 미만일 때 상기 관통전극의 크랙(crack)의 생성이 방지되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:In one embodiment of the present invention, the generation of cracks in the penetrating electrode may be prevented when the T value in Equation (3) is less than about 147.04, but is not limited thereto:

[수학식 3]&Quot; (3) "

T = 0.49x2 - 0.001y2 - 16.05z2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z ;T = 0.49x 2 - 0.001y 2 - 16.05z 2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z;

상기 식에 있어서, In the above formula,

T는 응력이고, x는 비아 홀의 직경이고, y는 절연막의 두께이고, z는 구리 오버버든의 두께임.T is the stress, x is the diameter of the via hole, y is the thickness of the insulating film, and z is the thickness of the copper overburden.

본원의 상기 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있다.
The second aspect of the present application may be applied to all of the contents described in the first aspect of the present application.

이하, 실시예를 참조하여 본원을 좀더 자세히 설명하지만, 본원은 이에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

[[ 실시예Example ]]

본 실시예에서는 유한요소분석법에 의한 열-기계적 응력 분포 상에서의 TSV의 설계(디자인) 파라미터(변수)의 영향을 계산하였다. 도전체로는 Cu를 사용하였고, 확산 방지막으로는 Ti를 사용하였으며, 절연막으로는 SiO2를 사용하였다. 폰 미제스 응력의 정적 분석은 350℃에서 수행되었고, 선택된 파라미터는 하기와 같다: TSV의 직경 및 종횡비, TSV 벽면의 기울기, 절연막의 두께 및 스텝 커버리지(step coverage), 및 구리 오버버든의 두께. TSV의 두 수치는 원통형 TSV의 대칭성을 가정하여 모델화되었고, 통상의 프로그램인, ANSYS

Figure 112014101078792-pat00001
에 의해 분석하였다. 유력한 설계 파라미터가 도출되었고, 그것들 간의 상호작용을 검토하였다.In this embodiment, the influence of the design (design) parameters (variables) of the TSV on the thermo-mechanical stress distribution by the finite element method is calculated. Cu was used as the conductor, Ti was used as the diffusion preventing film, and SiO 2 was used as the insulating film. The static analysis of the Ponmese stress was performed at 350 캜 and the selected parameters are as follows: diameter and aspect ratio of TSV, slope of TSV wall, thickness of insulating film and step coverage, and thickness of copper overburden. The two values of TSV were modeled assuming the symmetry of the cylindrical TSV, and the normal program, ANSYS
Figure 112014101078792-pat00001
Lt; / RTI > Potential design parameters were derived, and the interactions between them were examined.

원기둥 좌표를 사용하는 2 차원 유한요소 모델은 ANSYS

Figure 112014101078792-pat00002
(ANSYS Inc., USA)을 사용하여 구성하였다. 본 실시예에서는 절연막(SiO2)/배리어 금속(Ti)/구리 층으로 매립되고 구리 오버버든에 의해 덮인 블라인드 비아를 가정하였다. 화학-기계적 연마(chemical-mechanical polishing; CMP) 공정에 의해 디싱(dishing)이나 오목한 부분은 무시하였다. 상기 모델의 메쉬(mesh) 및 임계 계면에서의 메쉬는 도 2a에서 나타나며, 도 2b는 상기 모델링에 의해 계산된 응력 분포의 예를 나타낸다. 폰 미제스 응력은 하단 모서리에서 집중되어 있으며, 그래프는 설계 파라미터의 함수로서 최대 응력 값에 의해 플롯(plot)되었다.A two-dimensional finite element model using cylindrical coordinates is ANSYS
Figure 112014101078792-pat00002
(ANSYS Inc., USA). In this embodiment, a blind via embedded with an insulating film (SiO 2 ) / barrier metal (Ti) / copper layer and covered by a copper overburden is assumed. The dishing or concave portions were ignored by a chemical-mechanical polishing (CMP) process. The mesh at the model and the mesh at the critical interface are shown in FIG. 2A, and FIG. 2B shows an example of the stress distribution calculated by the modeling. The von Mises stress is concentrated at the lower edge, and the plot is plotted by the maximum stress value as a function of design parameters.

정적 분석은 350℃에서 수행하였고, TSV를 제조하는 공정 동안의 최대 열-기계적 응력 상태를 가정하였다. 폰 미제스 응력은 실리콘의 크래킹이 발생하는지 하지 않는지를 예측하기 위해 계산하였다. TSV/Si 계면의 박리는 본 실시예에서 고려하지 않았는데, 가열에 의해 유도된 TSV/Si 계면 상의 압축 응력은 TSV 박리에 영향을 주지 않기 때문이다.Static analysis was performed at 350 ° C and the maximum thermo-mechanical stress state during the process of manufacturing the TSV was assumed. The von Meisses stress was calculated to predict whether or not silicon cracking occurred. The peeling of the TSV / Si interface is not considered in this embodiment, but the compressive stress on the TSV / Si interface induced by heating does not affect the TSV peeling.

본 실시예에서 사용된 물질들의 특성을 하기 표 1에 나타내었다. The properties of the materials used in this example are shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure 112014101078792-pat00003
Figure 112014101078792-pat00003

본 실시예에서의 TSV 모델들 내에서는 구리가 가장 큰 열팽창 계수를 가지기 때문에, 열-기계적 응력은 주로 온도에 민감한 구리의 거동에 의해 야기된다. 따라서, 하기 표 2에서와 같이, 구리의 비-선형 물질 특성을 고려하였다.Since the copper has the largest thermal expansion coefficient in the TSV models in this embodiment, the thermo-mechanical stress is mainly caused by the behavior of the temperature-sensitive copper. Therefore, as shown in Table 2 below, the characteristics of non-linear materials of copper were considered.

[표 2][Table 2]

Figure 112014101078792-pat00004
Figure 112014101078792-pat00004

도 1은 본 실시예에서 실험된 TSV 구조체의 개략적인 단면도이다. 본 실시예에서는 설계 파라미터(변수)로서, 예를 들어, TSV의 직경 및 종횡비, TSV 벽면의 기울기, 절연막의 벽면 커버리지(sidewall coverage) 및 두께, 및 구리 오버버든의 두께 등을 고려하였다. 확산 방지막(barrier) 금속은 절연막 또는 구리 비아보다 얇기 때문에, 응력 분포 상에서 Ti 두께의 영향은 본 사전 계산에서는 무시할 수 있었다. 따라서, 상기 Ti 두께는 30 nm로서 고정하였다. 비아 벽면의 물결모양 또한 고려하지 않았다. 구리 오버버든의 직경은 100 ㎛에서 고정된 반면, 구리 오버버든의 두께는 도 10 및 도 11을 제외하고 5 ㎛였다.
1 is a schematic cross-sectional view of a TSV structure tested in this embodiment. In this embodiment, for example, the diameter and the aspect ratio of the TSV, the slope of the TSV wall, the sidewall coverage and thickness of the insulating film, and the thickness of the copper overburden are considered as design parameters (variables). Since the diffusion barrier metal is thinner than the insulating film or copper vias, the effect of Ti thickness on the stress distribution can be neglected in this preliminary calculation. Therefore, the Ti thickness was fixed to 30 nm. We also did not consider the wave shape of the vias wall. The diameter of the copper overburden was fixed at 100 μm, while the thickness of the copper overburden was 5 μm except for FIGS. 10 and 11.

1. One. TSVTSV of 직경diameter 및 벽면 기울기의 영향 And Wall Tilt Effects

구리는 다른 물질들보다 가장 큰 열팽창 계수를 가지므로, 구리의 양은 모든 시스템 상에서 열-기계적 응력에 영향을 미친다. 폰 미제스 응력은 다양한 TSV의 직경 및 종횡비를 사용하여 분석하였다. 2 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 및 20 ㎛의 상기 직경에 대하여, 상기 종횡비는 2 내지 20으로 다양했다. 도 3은 폰 미제스 응력이 실리콘 내에 집중되었을 때, TSV의 하단 모서리의 윤곽 플롯을 나타내었다. 비아 직경이 증가하므로, 최대 폰 미제스 응력이 증가했다. 종횡비가 10에서 고정되었을 때, 최대 응력은 2 ㎛ 직경 비아에 대하여 584 MPa에서부터 2 ㎛ 직경 비아에 대하여 994 MPa까지로 증가했다. 그러나, 종횡비의 영향은 도 4에서 나타나듯이, 고정된 직경에 대하여 무시할 수 있었다. 또한, 비아 직경이 5 ㎛보다 더 클 때, 실리콘에서의 최대 응력은 실리콘의 항복 응력(yield stress)(700 MPa)보다 더 높다는 것을 나타내었다. 따라서, TSV의 직경은 고도의 제조 가능한 공정을 위한 중요한 설계 파라미터였다.Since copper has the greatest thermal expansion coefficient than other materials, the amount of copper affects thermo-mechanical stresses on all systems. The von Mises stress was analyzed using various TSV diameters and aspect ratios. For these diameters of 2 탆, 5 탆, 10 탆, and 20 탆, the aspect ratio varied from 2 to 20. Figure 3 shows a contour plot of the bottom edge of the TSV when the vomitless stress is concentrated in the silicon. As the diameter of the vias increases, the maximum von Mises stress increases. When the aspect ratio was fixed at 10, the maximum stress increased from 584 MPa for 2 탆 diameter vias to 994 MPa for 2 탆 diameter vias. However, the effect of the aspect ratio was negligible with respect to the fixed diameter, as shown in Fig. In addition, it was shown that when the via diameter is greater than 5 占 퐉, the maximum stress in silicon is higher than the yield stress of silicon (700 MPa). Thus, the diameter of the TSV was an important design parameter for highly manufacturable processes.

수직 비아 프로필은 낮은-저항 TSV에 대하여 바람직하나, 수직 프로필의 조절은 어렵다. 본 발명자들은 3 ㎛, 6.5 ㎛, 및 10 ㎛의 하단 직경에 대한 88˚, 89˚, 및 90˚의 벽면 기울기들을 고려했다. 윤곽 플롯 및 최대 응력 vs. 비아 기울기 플롯은 도 5 및 도 6에서 나타내었다. 최대 응력은 기울기 각이 90˚에서 88˚로 감소함으로써, 838 MPa에서 실리콘의 항복 응력보다 낮은 응력인 634 MPa로 감소되었다. 실리콘 내에서 TSV 저항과 최대 응력 간에 교환이 있을 것이므로, 비아 기울기는 TSV의 또 다른 설계 파라미터였다.
Vertical via profiles are preferred for low-resistance TSVs, but adjustment of vertical profiles is difficult. We considered wall slopes of 88 °, 89 °, and 90 ° for bottom diameters of 3 μm, 6.5 μm, and 10 μm. Contour plot and maximum stress vs. Via slope plots are shown in Figures 5 and 6. The maximum stress was reduced to 634 MPa, which is lower than the yield stress of silicon at 838 MPa, by decreasing the slope angle from 90 ° to 88 °. The via slope was another design parameter of the TSV because there would be a trade-off between TSV resistance and maximum stress in silicon.

2. 절연막의 두께의 영향2. Influence of thickness of insulating film

절연막 또한 열-기계적 응력을 결정하는데 중요한 역할을 하고 있는데, 이는 절연막이 TSV 모델들에 대하여 가장 낮은 CTE를 가지기 때문이다. 도 7은 10 ㎛ 직경 비아에서 절연막의 두께가 50 nm에서 500 nm로 증가함으로써 최대 응력이 919 MPa에서 571 MPa로 감소한다는 것을 나타낸다. 폰 미제스 응력은 절연막이 230 nm보다 두꺼울 때, 실리콘의 항복 응력보다 낮았다. 따라서, 두꺼운 절연막은 실리콘 내에서 최대 응력의 저하에 유리하며, 그것 또한 비아 직경과 함께 중요한 설계 파라미터였다. 실리콘 항복 응력보다 작은 최대 응력을 위한 최소 절연막 두께는, 도 8에서 나타나듯이, 20 ㎛, 10 ㎛, 및 5 ㎛의 비아 직경에 대하여 각각 250 nm, 230 nm, 및 110 nm였다. The insulating film also plays an important role in determining the thermo-mechanical stress because the insulating film has the lowest CTE for the TSV models. Figure 7 shows that the maximum stress decreases from 919 MPa to 571 MPa as the thickness of the insulating film increases from 50 nm to 500 nm in 10 탆 diameter vias. The von Meisses stress was lower than the yield stress of silicon when the insulating film was thicker than 230 nm. Therefore, the thick insulating film is advantageous in lowering the maximum stress in the silicon, which is also an important design parameter with the via diameter. The minimum insulating film thickness for the maximum stress less than the silicon yield stress was 250 nm, 230 nm, and 110 nm, respectively, for the via diameters of 20 탆, 10 탆, and 5 탆, as shown in Fig.

절연막의 스텝 커버리지는 증착 방법에 의존한다. 부기압 화학기상증착(sub atmospheric chemical vapor deposition; SACVD) 및 플라즈마-강화 화학기상증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD)은 TSV 공정에 있어서 가장 일반적인 방법이다. SACVD는 우수한 스텝 커버리지 및 최소한의 벽면 거칠기를 나타낸다. PECVD는 열악한 벽면 커버리지로써 높은 증착률을 나타내었다. 도 9는 50% 및 100%의 다른 SiO2 스텝 커버리지에 대한 최대 응력을 비교하고, 상기 최대 응력은 SiO2 절연막의 낮은 스텝 커버리지가 더 높다는 것을 나타낸다. 50% 스텝 커버리지에 대한 최대 응력인, 903 MPa는 도 7a에서 919 MPa의 최대 응력과 비슷한데, 이는 낮은 스텝 커버리지가 TSV의 하단에서 얇은 SiO2 절연막을 의미하기 때문이다. 따라서, PECVD는 동일한 범위의 SiO2 절연막의 두께에 대하여 SACVD보다 더 높은 응력을 유도한다.
The step coverage of the insulating film depends on the deposition method. Subatmospheric chemical vapor deposition (SACVD) and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) are the most common methods for TSV processes. SACVD exhibits excellent step coverage and minimal wall roughness. PECVD exhibited a high deposition rate with poor wall coverage. Figure 9 compares the maximum stresses for different SiO 2 step coverage of 50% and 100%, indicating that the lower step coverage of the SiO 2 insulating film is higher. The maximum stress for 50% step coverage, 903 MPa, is similar to the maximum stress of 919 MPa in FIG. 7A because the lower step coverage means a thin SiO 2 insulating film at the bottom of the TSV. Thus, PECVD induces higher stresses than SACVD on the thickness of the SiO 2 insulating film in the same range.

3. 구리 3. Copper 오버버든의Overburden's 영향 effect

구리 오버버든의 두께는, 예를 들어, 전기 도금 배스(bath) 내에서의 화학 첨가물의 타입, 도금 펄스(pulse)의 충격 계수(duty ratio), 및 총 도금 시간과 같은 전기 도금 공정의 파라미터에 의존한다. 도 10은 10 ㎛ 직경 비아에 대하여 구리 오버버든의 두께가 0 ㎛에서 5 ㎛까지 증가함으로써 최대 응력이 712 MPa에서 838 MPa까지 증가한다는 것을 나타낸다. 구리 오버버든의 두께가 0 ㎛이라도, 폰 미제스 응력은 실리콘의 항복 응력보다 더 높았다.The thickness of the copper overburden depends on, for example, the type of chemical additive in the electroplating bath, the duty ratio of the plating pulse, and the parameters of the electroplating process, such as total plating time It depends. Figure 10 shows that the maximum stress increases from 712 MPa to 838 MPa as the thickness of the copper overburden increases from 0 [mu] m to 5 [mu] m for 10 [mu] m diameter vias. Even though the thickness of the copper overburden was 0 탆, the pommex stress was higher than the yield stress of silicon.

도 11은 구리 오버버든 두께 및 직경의 함수로서의 최대 폰 미제스 응력을 나타낸다. 5 ㎛ 직경 비아에 대하여, 상기 구리 오버버든은 500 nm보다 얇을 것이며, 실리콘 항복 응력보다 낮은 폰 미제스 응력을 가졌다. 따라서, 구리 오버버든의 두께는 또 다른 중요한 설계 파라미터이었으며, 실리콘 내에서 발달된 응력을 억제하였다.
Figure 11 shows the maximum pomposite stress as a function of copper overburden thickness and diameter. For 5 [micro] m diameter vias, the copper overburden would be thinner than 500 nm and had a lower p emitter stress than the silicon yield stress. Thus, the thickness of the copper overburden was another important design parameter and suppressed the stress developed in the silicon.

본 실시예에 따르면, TSV 직경 및 절연막 두께는 실리콘 내에서 최대 응력을 결정하는 두 개의 중요한 파라미터였다. TSV 직경의 감소로서 상기 최대 응력이 감소하는 반면, 종횡비의 영향은 무시할 수 있었다. 절연막 또한 열-기계적 응력을 결정하는데 있어서 중요한 역할을 수행하였으며, 두꺼운 절연막은 실리콘 내에서 상기 최대 응력을 낮추는 이점이 있었다. 실리콘의 항복 응력보다 작은 상기 최대 응력을 위한 최소 절연막 두께는 20 ㎛, 10 ㎛, 및 5 ㎛의 비아 직경들에 대하여 520 nm, 230 nm, 및 110 nm이었다. 구리 오버버든의 두께가 감소함으로써 상기 최대 응력 또한 감소하였다. 다른 파라미터의 영향 또한 검토하였다. TSV 구조에서의 상기 열-기계적 응력은 설계 파라미터를 최적화하고 최대 공정 온도를 낮춤으로서 최소화될 수 있었다.
According to the present embodiment, the TSV diameter and the thickness of the insulating film were two important parameters for determining the maximum stress in silicon. While the maximum stress decreased as the TSV diameter decreased, the effect of the aspect ratio was negligible. The insulating film also played an important role in determining the thermo-mechanical stress, and the thick insulating film has an advantage of lowering the maximum stress in the silicon. The minimum insulating film thickness for this maximum stress, which is less than the yield stress of silicon, was 520 nm, 230 nm, and 110 nm for vias diameters of 20, 10, and 5 m. The maximum stress also decreased as the thickness of the copper overburden decreased. The effects of other parameters were also examined. The thermo-mechanical stresses in the TSV structure could be minimized by optimizing the design parameters and lowering the maximum process temperature.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

100: 실리콘 관통전극 구조체
110: 실리콘 웨이퍼
120: 비아 홀
120A: 비아 홀 벽면
120B: 비아 홀 하부
130: 도전체
140: 확산 방지막
150: 절연막
160: 구리 오버버든
100: Silicon penetrating electrode structure
110: Silicon wafer
120: via hole
120A: Via hole wall surface
120B: via hole bottom
130: conductor
140: diffusion barrier
150: insulating film
160: copper overburden

Claims (12)

실리콘 웨이퍼 내에 수직 방향으로 형성된 비아 홀(via hole);
상기 비아 홀의 내부에 순차적으로 배치된 도전체, 확산 방지막(barrier), 및 절연막(dielectric liner); 및
상기 비아 홀의 상부에 배치된 구리 오버버든(overburden)을 포함하는 실리콘 관통전극 구조체로서,
상기 비아 홀의 직경, 상기 절연막의 두께, 상기 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 변수(parameter)에 의해 상기 실리콘 관통전극 구조체의 응력이 조절되고,
상기 실리콘 관통전극 구조체는, 하기 수학식 1 또는 하기 수학식 2의 T 값이 700 미만, 또는 수학식 3의 T 값이 147.04 미만인 것인, 실리콘 관통전극(through silicon via; TSV) 구조체:
[수학식 1]
T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x2 + 0.001y2 - 0.007xy;
[수학식 2]
T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x2 - 16.05z2 - 0.04xz;
[수학식 3]
T = 0.49x2 - 0.001y2 - 16.05z2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z;
상기 식들에 있어서,
T는 실리콘 관통전극의 응력(MPa)이고,
x는 비아 홀의 직경이고,
y는 절연막의 두께이고,
z는 구리 오버버든의 두께임.
A via hole formed in the silicon wafer in the vertical direction;
A conductor, a diffusion barrier, and a dielectric liner sequentially disposed in the via hole; And
And a copper overburden disposed on the top of the via hole,
The stress of the silicon penetrating electrode structure is controlled by a parameter selected from the group consisting of the diameter of the via hole, the thickness of the insulating film, the thickness of the copper overburden, and combinations thereof,
Wherein the silicon penetrating electrode structure has a through silicon via (TSV) structure wherein a T value of the following formula (1) or (2) is less than 700 or a T value of the formula (3) is less than 147.04:
[Equation 1]
T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x 2 + 0.001y 2 - 0.007xy;
&Quot; (2) "
T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x 2 - 16.05z 2 - 0.04xz;
&Quot; (3) "
T = 0.49x 2 - 0.001y 2 - 16.05z 2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z;
In the above equations,
T is the stress (MPa) of the silicon penetrating electrode,
x is the diameter of the via hole,
y is the thickness of the insulating film,
z is the thickness of the copper overburden.
제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 관통전극 구조체의 응력이 실리콘의 항복응력(yield stress)보다 작은 것인, 실리콘 관통전극 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein a stress of the silicon penetrating electrode structure is smaller than a yield stress of silicon.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 도전체는 Cu를 포함하고, 상기 확산 방지막은 Ti, Ta, W, Ru, Pt, Co, 또는 이들의 조합들; 이들의 질화물(nitride); 이들의 탄화물(carbide); 이들의 인화물(phosphide); 및, 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 실리콘 관통전극 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the conductor comprises Cu and the diffusion barrier comprises Ti, Ta, W, Ru, Pt, Co, or combinations thereof; Their nitride; Carbides thereof; Their phosphides; And combinations thereof. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 비아 홀이 상기 실리콘 웨이퍼를 관통하거나 또는 부분 관통한 것을 포함하는 것인, 실리콘 관통전극 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the via hole includes a through hole or a through hole of the silicon wafer.
제 1 항에 있어서,
상기 절연막은 SiO2, SiN, SiC, SiCN, Al2O3, 저유전율(low-k) 절연막, 이들의 조합들, 및 이들의 적층 구조로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 실리콘 관통전극 구조체.
The method according to claim 1,
The insulating film is a silicon penetrating electrode comprises one selected from the group consisting of SiO 2, SiN, SiC, SiCN, Al 2 O 3, a low dielectric constant (low-k) insulating film, and a combination thereof in, and their laminate structure Structure.
제 1 항, 제 2 항, 및 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 실리콘 관통전극 구조체를 이용한 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법으로서,
상기 관통전극의 비아 홀 직경, 절연막의 두께, 구리 오버버든의 두께, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 변수(parameter)를 이용하여 상기 실리콘 관통전극의 응력(stress)을 예측함으로써, 상기 실리콘 관통전극의 크랙(crack)을 방지하는 것을 포함하고,
상기 실리콘 관통전극의 응력은 하기 수학식 1 내지 3 중 어느 하나에 의해 예측되며,
상기 실리콘 관통전극은 하기 수학식 1 또는 하기 수학식 2의 T 값이 700 미만, 또는 하기 수학식 3의 T 값이 147.04 미만일 때 상기 실리콘 관통전극의 크랙의 생성이 방지되는 것인, 실리콘 관통전극의 열-기계적 응력 예측 방법:
[수학식 1]
T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x2 + 0.001y2 - 0.007xy;
[수학식 2]
T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x2 - 16.05z2 - 0.04xz;
[수학식 3]
T = 0.49x2 - 0.001y2 - 16.05z2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z;
상기 식들에 있어서,
T는 실리콘 관통전극의 응력(MPa)이고,
x는 비아 홀의 직경이고,
y는 절연막의 두께이고,
z는 구리 오버버든의 두께임.
A method for predicting thermo-mechanical stress of a silicon penetrating electrode using the silicon penetrating electrode structure according to any one of claims 1, 2, and 6 to 8,
The stress of the silicon penetration electrode is predicted by using a parameter selected from the group consisting of a via hole diameter of the penetrating electrode, a thickness of the insulating film, a thickness of the copper overburden, and combinations thereof, Preventing cracking of the silicon penetrating electrode,
The stress of the silicon through electrode is predicted by any one of the following equations (1) to (3)
Wherein the silicon penetration electrode prevents generation of a crack in the silicon penetration electrode when a T value of the following formula (1) or (2) is less than 700 or a T value of the following formula (3) is less than 147.04: Method of Predicting Thermo-mechanical Stresses:
[Equation 1]
T = 678.57 + 34.01x - 1.25y - 0.60x 2 + 0.001y 2 - 0.007xy;
&Quot; (2) "
T = 531.53 + 21.09x + 99z - 0.11x 2 - 16.05z 2 - 0.04xz;
&Quot; (3) "
T = 0.49x 2 - 0.001y 2 - 16.05z 2 + 0.007xy - 0.04xz - 12.92x + 1.25y + 99z;
In the above equations,
T is the stress (MPa) of the silicon penetrating electrode,
x is the diameter of the via hole,
y is the thickness of the insulating film,
z is the thickness of the copper overburden.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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