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随着晶体管特征尺寸的缩小,平面集成电路发展面临挑战。以硅通孔(TSV,Through-Silicon-Via)技术为代表的三维互连可以实现高密度集成。随着产品需求的提升,TSV在电学和热力学性能上面临一些潜在挑战。本论文针对现有TSV结构中寄生电容大和热应力导致失效的问题,对TSV互连结构做出改进。由理论推导和仿真可知,互连延迟和功耗主要取决于TSV寄生电容,而TSV结构引入的热应力可以通过应力缓冲进行释放。本论文从材料以及结构设计角度突破和创新。通过探索新材料和新工艺,实现高性能的三维互连。由于聚合物和空气均具有低的介电常数,并对应力有缓冲作用,本论文提出了两种TSV互连方案,分别为聚合物绝缘TSV和空气绝缘TSV。根据材料特性与工艺需求,聚合物选定为聚碳酸丙烯酯(PPC)和苯并环丁烯(BCB);而空气则采用牺牲层释放进行加工。通过对聚合物侧壁涂覆、牺牲材料释放等关键工艺的研究,分别实现PPC绝缘TSV,BCB绝缘TSV和空气间隙TSV结构制造。首先,采用直接旋涂和深槽填充两种方法对侧壁聚合物层制造进行研究,并分别实现46:1和24:1的聚合物薄层。基于直接旋涂方法实现PPC绝缘TSV。该结构可以降低寄生电容(积累区95 f F),但其结构热稳定性较差。接着,结合深槽填充技术制造BCB绝缘TSV。BCB材料可以有效降低寄生电容(积累区53f F),且在高温条件下电学特性稳定,电容迟滞变化低于50%,说明BCB介质层对于可动电荷具有良好的抑制作用。经过温度冲击、应力测量和热应力分析可知,BCB介质可以降低衬底应力并对热应力进行缓冲。此外,BCB绝缘TSV结构可耐受20G以下的振动冲击,并在湿热环境下保持良好的电学特性。说明BCB绝缘TSV在热学、力学和耐湿性上有良好的表现。最后,在两种聚合物绝缘TSV的基础上,以聚合物为牺牲层,实现1μm和2.5μm的空气间隙TSV。空气介质可以明显降低寄生效应(积累区25 f F)和漏电流(-30V下0.13p A)。通过增加Si O2介质层,不同温度条件下的空气间隙TSV电学特性保持稳定,且电容迟滞现象基本消失。在温度冲击测试后,TSV电学特性无明显变化,而应力测量显示TSV引入应力整体变小,且随温度升高逐渐减弱,说明空气有良好的应力缓冲作用。由于TSV存在悬空结构,其对瞬态冲击有一定承受力,但持续的耐冲击能力一般。在空气介质两侧增加Si O2薄层,可以提高TSV的电学稳定性。