Influence de l’épaisseur de silicium

L’épaisseur de silicium après amincissement est un paramètre technologique des plus importants en ce qui concerne l’intégration 3D. En effet, pour satisfaire les conditions sur les facteurs de forme possibles pour les TSV, ce paramètre impose directement leur diamètre. En fixant une épaisseur de silicium précise, on définit par là même le type d’intégration 3D visée (haute ou moyenne densité). Pour la modélisation présentée, qui comprend un transistor et une large structure de silicium, il a été impossible de modéliser au-delà d’une épaisseur de silicium de 30 µm, à cause du trop grand nombre de mailles qui seraient alors nécessaires. L’intégration 3D visée est donc plutôt orientée vers la haute densité. Comme stipulé dans la Table 2.5, la gamme d’épaisseurs de silicium étudiée va de 5 à 30 µm.

En reprenant les résultats présentés sur les deux figures précédentes, on remarque que les comportements des courbes de variations du courant de drain et du potentiel de body sont tout à fait similaires et infléchissent pour la même valeur d’épaisseur de substrat, comprise entre 10 et 15 µm.

On se propose d’étudier le phénomène de couplage induit par le TSV en fonction de ce paramètre technologique par l’intermédiaire d’une modélisation électrique du problème, présentée à la Figure 2.23. Le silicium aminci est décrit par un réseau distribué de résistances, dont les valeurs sont directement reliées au dopage local. Ainsi, l’ensemble du silicium massif (appelé bulk) possède une résistance homogène facilement modélisable, dénommée Rbulk. A l’inverse, la couche superficielle fortement dopée (appelée active) présente une résistivité qui varie en fonction de la profondeur considérée, comme on peut le voir sur la courbe de dopage donnée sur la Figure 2.17. La modélisation électrique de cette couche superficielle est alors plus complexe. Néanmoins, pour examiner le problème présent, nous considérerons une résistance homogène, dénommée Ractive, dont la valeur est inférieure à Rbulk.

GND

V

Zone d’exclusion NMOS STI

Couche fortement dopée

Substrat

T

V

V

V

Zone d’exclusion NMOS STI

Couche fortement dopée

Substrat

T

V

V

Figure 2.23. Schéma de la modélisation de la structure dans lequel le silicium forme un réseau distribué de résistances présentant une contribution horizontale et une verticale.

La zone fortement dopée a la particularité d’être implantée sur l’ensemble de la plaque, ce qui signifie qu’elle touche l’isolation du TSV, comme illustré à la Figure 2.23. Or, la capacité d’oxyde liée à l’isolation du TSV est distribuée sur l’ensemble de la profondeur de silicium, englobant ainsi le silicium massif et la couche active. La Figure 2.24 permet de comprendre la contribution de la capacité du TSV sur le réseau hétérogène de résistances. Cette configuration particulière est à l’origine des comportements inhérents aux mécanismes de couplage observés à la fois sur le potentiel de body et sur le courant de saturation de drain.

Ainsi, pour une épaisseur importante du silicium restant après amincissement, la contribution au couplage de la composante horizontale de la résistance silicium est accrue (on diminue la résistance par mise en jeu d’une section de silicium plus importante), alors que dans le même temps, la contribution verticale voit son influence réduite (augmentation de la résistance dans cette direction). Parallèlement à ce comportement résistif, la valeur de la capacité d’oxyde du TSV augmente avec la profondeur. La saturation – avec même une légère inflexion dans le cas de l’épaisseur d’oxyde de 0,05 µm – du couplage que l’on observe à partir de 15 µm est donc, dans ces conditions, le résultat du quasi équilibre qui s’établit entre les effets antagonistes (augmentation de Rbulk verticale et augmentation de COXTSV) que nous venons de mentionner. En pratique, tout se passe comme dans une ligne de transmission où l’impédance vue de l’entrée est indépendante de la longueur de la ligne ; ici, dans notre cas, la saturation est induite par l’augmentation de la contribution verticale de la résistance répartie dans le silicium massif (Rbulk verticale).

A l’inverse, un amincissement important du silicium diminue la section considérée et par conséquent, réduit dans le même temps la capacité, augmente la composante horizontale de la résistance du silicium et réduit l’effet de la composante verticale. Dans ces conditions, on observe comme attendu que les effets conjugués de la réduction de COXTSV et de l’accroissement de Rbulk latéral sont bénéfiques pour la minimisation du couplage.

Parallèlement à ces phénomènes de résistances distribuées selon les deux dimensions dans le silicium massif peu dopé, la résistance de la zone active ne varie pas selon les configurations d’amincissement. Sa contribution est donc stable quelle que soit l’épaisseur de silicium. Sa faible résistivité et son positionnement connexe au TSV lui font vraisemblablement jouer une part importante dans la propagation du couplage substrat. Ainsi, localement le couplage passe préférentiellement à travers cette couche moins résistive et directement accessible, ce qui permet d’expliquer aussi les faibles variations observées sur le potentiel de body et le courant de saturation de drain lorsque les épaisseurs de silicium considérées sont supérieures au seuil des 15 µm.

Il apparaît donc que le couplage est minimal lorsque l’épaisseur de silicium est la plus fine possible. Il est important de formuler deux remarques à ce propos : d’une part, un amincissement à moins de 5 µm sur un silicium massif est extrêmement difficile à obtenir d’un point de vue technologique ; d’autre part, amincir le silicium implique un rapprochement de la ligne de RDL par rapport au composant. On peut donc se demander à juste titre si cette solution est viable.

R

R

C

V

R

R

C

V

Figure 2.24. Modèle électrique simplifié de l’environnement séparant le TSV du composant (détail de la Figure 2.23).