Thermo-mechanische und mikrostrukturelle Charakterisierung von Kupfer-Durchkontaktierungen im Silizium (Through Silicon Vias)

Doktorarbeit / Dissertation aus dem Jahr 2015 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1,0, Technische Universität Dresden (Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik), Sprache: Deutsch, Abstract: Für den Aufbau von 3D-integrierten Mikrosystemen gilt es bestehende Prozessabläufe zu adaptieren und neue Teilprozesse zu integrieren. Dementsprechend muss zunächst Wissen über die Prozessführung und das Materialverhalten gesammelt werden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich dabei auf das Annealingverhalten von Through-Silicon-Via-Strukturen (TSVs). Im Fokus der Untersuchungen stehen vor allem thermo-mechanische Spannungen, welche sich bei diesem Fertigungsschritt ausbilden. Vom Materialverhalten des Kupfers ausgehend, wird ein hypothetisches Ablaufmodell zur Spannungsentwicklung während des Annealing entwickelt. Experimentalreihen werden von der TSV-Prozessführung abgeleitet, um die getroffenen Annahmen zu überprüfen. In diesem Zusammenhang dienen die Charakterisierung von Testchipkrümmung sowie der Kupferprotrusion vor und nach dem Annealing zur Überprüfung der getroffenen Annahmen und weisen ein zeit- und temperaturabhängiges Verhalten auf. EBSD-Messungen zeigen, dass diese Beobachtungen maßgeblich auf die Umstrukturierung der Kupfermikrostruktur zurückzuführen sind. Ausgehend vom Ablaufmodell und von der experimentellen Charakterisierung können wichtige Randbedingungen für Berechnungen erkannt und festgelegt werden. So wird abschließend ein FE-Modell zur Simulation der thermo-mechanischen Spannungen nach dem Annealing vorgestellt. Die Simulationsergebnisse werden durch µ-Raman-Spektroskopie-Messungen validiert. Zusammengefasst liefert diese Arbeit nicht nur wichtige materialtechnische Erkenntnisse über den Ablauf des TSV-Annealing, sondern stellt zusätzlich eine Berechnungsmethodik vor, welche als Werkzeug für die Prozessoptimierung genutzt werden kann.

wissenschaftliche Veröffentlichungen: Konferenzbeiträge: 2014 P. Saettler, M. Hecker, M. Boettcher, C. Rudolph, and K. J. Wolter, 'TSV-Annealing?: A thermo-mechanical assessment,' in Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC), 2014, pp. 1-6. 2013 P. Saettler, M. Boettcher, C. Rudolph, and K. J. Wolter, 'Bath chemistry and copper overburden as influencing factors of the TSV annealing,' in Proceedings - Electronic Components and Technology Conference, 2013, pp. 1753-1758. P. Saettler, M. Boettcher, and K. J. Wolter, 'µ-Raman spectroscopy and FE-analysis of thermo-mechanical stresses in TSV periphery,' in 2013 14th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EuroSimE 2013, 2013, pp. 1-7. 2012 P. Saettler, M. Boettcher, and K. J. Wolter, 'Characterization of the annealing behavior for copper-filled TSVs,' in Proceedings - Electronic Components and Technology Conference, 2012, pp. 619-624. P. Saettler, D. Kovalenko, K. Meier, M. Roellig, M. Boettcher, and K. J. Wolter, 'Thermo-mechanical characterization and modeling of TSV annealing behavior,' in 2012 13th International Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EuroSimE 2012, 2012, pp. 1/6-6/6. 2011 P. Saettler, K. Meier, and K. J. Wolter, 'Considering copper anisotropy for advanced TSV-modeling,' in Proceedings of the International Spring Seminar on Electronics Technology, 2011, pp. 419-423. Fachzeitschriften: 2015 P. Saettler, M. Hecker, M. Boettcher, C. Rudolph, and K. J. Wolter, 'µ-Raman Spectroscopy and FE-Modeling for TSV-Stress-Characterization,' Microelectron. Eng., pp. 1-7, 2015. 2013 P. Saettler, M. Boettcher, C. Rudolph, and K.-J. Wolter, 'Thermo-mechanische Charakterisierung des TSV-Annealing,' Produktion von Leiterplatten und Syst., no. 7, pp. 1498-1507, 2013.