[发明专利]一种具有转移信号功能的3D芯片冗余硅通孔容错结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有转移信号功能的3D芯片冗余硅通孔容错结构。

背景技术

随着集成电路的发展，单个芯片上集成的器件越来越多，电路朝着更小，密度更高的方向发展，然而互连线所带来的延迟和功耗问题越来越突出。三维集成电路（3D IC）是一项新兴的技术，由于在封装密度和异质集成的灵活性等方面的优势，被认为是一项有效的集成电路发展技术,通常是采用垂直互连替换普通的二维互连，垂直方向的堆叠减小了芯片面积，降低了延迟。

硅通孔（Through-Silicon Vias，TSV）是3D IC中的一项重要技术，硅通孔通过在硅片或晶圆中打孔实现信号的上下传输，硅通孔可以用来传输信号，在三维集成电路中可以使用硅通孔技术来大大减少互连长度和延迟，硅通孔技术是将封装和制作相融合的新型技术，硅通孔可以在上下层提供大量的数据通路，在三维集成电路中使用硅通孔技术互连信号已经成为行业目前广泛关注的焦点之一。在晶圆上打孔需要规划好硅通孔的区域，通过氧化物沉淀使硅通孔与衬底绝缘，并且在硅通孔内形成一层均匀的金属层，减少在注入导电材料时形成的空洞和裂缝。在集成电路的堆叠方式中分为三种，分别为面对面堆叠（Face-to-Face Bonding），面对背堆叠（Face-to-Back Bonding），背对背堆叠（Back-to-Back Bonding）。面对背绑定中硅通孔又分为三种不同的制作顺序，先通孔，中通孔和后通孔，主要是根据硅通孔的制作和晶圆上晶体管制作和金属层布线之间的先后关系来划分的。在先通孔方法中，硅通孔先制作好，后期器件的制作会污染和恶化硅通孔。在中通孔方法中，硅通孔的制作可能会损坏器件层的各个组成部分。为了解决这个问题，需要低温度制造工艺和替代铜的新的金属化材料。后通孔方法中，取代在先通孔和中通孔的深层等离子体刻蚀技术采用激光加工。激光可以加工大量的硅通孔，但是这种方法产生的硅通孔侧壁不够光滑，而且容易产生碎片难以清理，又会增加清理碎片这个步骤。

由于工艺技术的限制，不能保证制做的所有硅通孔都是完好的，硅通孔的故障问题有很多，在注入导电铜阶段，存在着注入不充分致使硅通孔断裂或者硅通孔非常纤细，在三维集成电路的制造工艺中，硅通孔缺陷可能在硅通孔形成过程中和晶圆堆叠过程中发生。主要的硅通孔缺陷可以分为两种：开路缺陷和短路缺陷。在硅通孔的形成阶段，硅通孔可能会损坏或者在金属填充过程中形成空洞，将会导致完全或部分开路缺陷，硅通孔也有可能在侧壁会有针孔出现，将会导致短路缺陷。在晶圆堆叠阶段，硅通孔的校准问题可能会导致开路缺陷，这是因为硅通孔的数量通常达到数以千计，但是同时硅通孔的直径却非常小，同时上下层的硅通孔全部对齐是一件极其困难的事。晶圆的打薄过程同样会因为压力问题使硅通孔破裂。在实际中，硅通孔的绑定质量不仅仅依靠绑定技术，同时还要考虑晶圆表面的粗糙程度和晶圆的清洁度。因此，如果在绑定阶段一个硅通孔发生失效，极有可能它的相邻硅通孔也会发生失效，称此效应为聚类效应，早期的硅通孔修复技术难以解决这个问题，因为一个信号硅通孔和它相邻的冗余硅通孔可能会同时发生失效，在所有先前的研究中所有的分析和假设都是在错误均匀分布的情况下，这种假设在诸如空洞形成等随机缺陷下是十分有效的，然而在非成熟绑定技术的条件制约下，诸如绑定表面的氧化和污染，硅通孔的高度变化，打薄后晶圆的弯曲，都会引起集群失效硅通孔。

目前的三维研究仍然处于初级阶段，缺乏深入的理论研究和丰富的实践经验，虽然半导体工业取得了巨大的进步，但是三维电路的发展仍然受制造工艺的限制，由于硅通孔有可能出现各种故障问题，因此采用增加冗余硅通孔来解决失效硅通孔的方法是十分合适的，目前的硅通孔容错技术主要分为两种：

1、冗余硅通孔结构，利用多路选择器进行信号转移，减少增加的冗余硅通孔数目，降低了硬件开销。冗余硅通孔存在着不同的结构，其中转移箱（Switching Box）以六个硅通孔为一组，通过选择只输出四个信号。还有将硅通孔连接成链，一条链中只有一个冗余硅通孔，基于链式结构，进行转移，达到修复失效硅通孔的目的。优点是方案可以达到较高的修复率和较低的硬件开销，缺点是所有的分析和假设都是在错误均匀分布的情况下，没有考虑在实际制造过程中的聚类效应，并且在硅通孔块中硅通孔的数目受到严格控制，原因是单个硅通孔块中只有一个冗余硅通孔，为了提高硅通孔的修复率，单个硅通孔块中只能通过控制硅通孔的数目来提高硅通孔的修复率。