2.5 Manufacturing Yields and the Role of Test . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6 Challenges with 3D TSV Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Materials and Processing of TSV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Praveen Kumar, Indranath Dutta, Zhiheng Huang, and Paul Conway
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Overview of TSV Materials and Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Fabrication of TSV and TSV Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Creating a Via or Trench in Si Wafer . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2 Sequential Filling of Si Via . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.3 Planarization and Die-Thinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Flow Process for Fabricating TSVs and Integration
of Dies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 Sequence of Flow-Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.2 Integration of Dies Comprising TSVs . . . . . . . . . . . . . 64
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Microstructure and Mechanical Reliability Issues of TSV . . . . . . . 71
Praveen Kumar, Tae-Kyu Lee, Indranath Dutta, Zhiheng Huang,
and Paul Conway
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Microstructural Characterization and Stress
Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 Microstructural Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.2 Measurement of Stress State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Reliability Issues Associated with TSVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.1 Stresses in TSVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.2 Electromigration Related Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4 Towards Atomistically-Informed Reliability Modeling
of TSVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.1 The CPFE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.2 The PFC Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5 Phase-Field-Crystal Model: A Tool for Probing Atoms
in TSV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Jinxin Liu, Zhiheng Huang, Paul Conway, and Yang Liu
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2 PFC Model Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.1 Classic Density Functional Theory . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.2 Model Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
vi
Contents