3D封裝與硅通孔TSV工藝技術(shù).ppt

3d封裝與tsv工藝技術(shù),目錄,4,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,1,2,3,5,通孔的形成,晶片減薄,tsv 鍵合,總結(jié),疊層芯片封裝技術(shù)，簡(jiǎn)稱3d封裝，是指在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個(gè)封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個(gè)以上芯片的封裝技術(shù)，它起源于快閃存儲(chǔ)-器(noiunand)及sdram的疊層封裝。,3d封裝,填埋型即將元器件填埋在基板多層布線內(nèi)或填埋、制作在基板內(nèi)部。 有源基板型是用硅圓片集成( wafer scale integra-tion, wsi) 技術(shù)做基板時(shí), 先采用一般半導(dǎo)體ic制作方法作一次元器件集成化, 形成有源基板, 然后再實(shí)施多層布線, 頂層再安裝各種其他ic芯片或元器件, 實(shí)現(xiàn)3d封裝。這一方法是人們最終追求并力求實(shí)現(xiàn)的一種3d封裝方法。 疊層型是將兩個(gè)或多個(gè)裸芯片或封裝芯片在垂直芯片方向上互連形成3d結(jié)構(gòu)。,3d封裝形式,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,在各類基板內(nèi)或多層布線介質(zhì)層中“埋置”r、c或ic等元器件，最上層再貼裝smc/smd來(lái)實(shí)現(xiàn)立體封裝。,1.填埋型3d封裝,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,si圓片規(guī)模集成(wls)后的有源基板上再實(shí)行多層布線,最上層再貼裝smc/smd。,2.有源基板型3d封裝,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,3.疊層型3d封裝,封裝內(nèi)的裸片堆疊（圖a） 封裝內(nèi)的封裝堆疊或稱封裝堆疊 （圖b）,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,圖b,圖a,3d封裝按照封裝堆疊及ic裸芯片焊接(鍵合)技術(shù)近二十年來(lái)經(jīng)歷著三個(gè)重要階段,如下圖所示。 有人將tsv技術(shù)稱之為第四代封裝技術(shù)。是基于微電子裝聯(lián)鍵合技術(shù)從軟鉛焊、絲焊和芯片凸點(diǎn)倒裝焊到通孔互連技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展而言。,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,tsv (through silicon via)穿透硅通孔技術(shù)，簡(jiǎn)稱硅通孔技術(shù)。tsv是利用垂直硅通孔完成芯片間互連的方法, 由于連接距離更短、強(qiáng)度更高, 它能實(shí)現(xiàn)更小更薄而性能更好、密度更高、尺寸和重量明顯減小的封裝, 同時(shí)還能用于異種芯片之間的互連。,tsv技術(shù),tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,圖1所示是4層芯片采用載帶封裝方法 (圖 1(a)和采用tsv方法(圖1(b)封裝的外形比較。,tsv作為新一代封裝技術(shù)，是通過(guò)在芯片和芯片之間，晶圓和晶圓之間制造垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)，能夠在三維方向使得堆疊密度最大，而外形尺寸最小，大大改善了芯片速度和低功耗性能。 硅通孔技術(shù)(tsv)是通過(guò)在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)(見(jiàn)下圖所示)。與以往的ic封裝鍵合和使用凸點(diǎn)的疊加技術(shù)不同，tsv能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和降低功耗的性能。,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,硅通孔技術(shù)(tsv)示意圖,tsv的主要技術(shù)環(huán)節(jié)： 通孔的形成 晶片減薄 tsv 鍵合,tsv技術(shù)被看做是一個(gè)必然的互連解決方案，是目前倒裝芯片和引線鍵合型疊層芯片解決方案的很好補(bǔ)充。許多封裝專家認(rèn)為tsv是互連技術(shù)的下一階段。實(shí)際上，tsv可以很好取代引線鍵合。 tsv能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。因此，業(yè)內(nèi)人士將tsv稱為繼引線鍵合(wirebonding)、tab（載帶自動(dòng)焊）和倒裝芯片(fc)之后的第四代封裝技術(shù)。,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,tsv技術(shù)特點(diǎn),由于tsv工藝的內(nèi)連接長(zhǎng)度可能是最短的，可以減小信號(hào)傳輸過(guò)程中的寄生損失和縮短時(shí)間延遲。tsv的發(fā)展將受到很多便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的有力推動(dòng)，這些產(chǎn)品需要更長(zhǎng)的電池壽命和更小的波形系數(shù)。芯片堆疊是各種不同類型的電路互相混合的最佳手段，例如將存儲(chǔ)器直接堆疊在邏輯器件上方。,tsv技術(shù)可以連接兩塊芯片內(nèi)的不同核心，還能將處理器和內(nèi)存等不同部件連在一起，并通過(guò)數(shù)千個(gè)微小的連線傳輸數(shù)據(jù)，比如在硅鍺芯片中，通過(guò)鉆出許多細(xì)微的孔洞并以鎢材料填充，就能得到tsv。 目前的芯片大多使用總線(bus)通道傳輸數(shù)據(jù)，容易造成堵塞、影響效率。 更加節(jié)能也是tsv的特色之一。據(jù)稱，tsv可將硅鍺芯片的功耗降低大約40。 由于改用垂直方式堆疊成3d芯片，tsv還能大大節(jié)約主板空間。盡管目前也有垂直堆疊芯片，但都是通過(guò)總線互連，因此不具備tsv的高帶寬優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閠sv是直接連接項(xiàng)部芯片和底部芯片的。,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,tsv互連尚待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題和挑戰(zhàn)： (1)通孔的刻蝕激光vs.深反應(yīng)離子刻蝕(drie)； (2)通孔的填充材料(多晶硅、銅、鎢和高分子導(dǎo)體等)和技術(shù)(電鍍、化學(xué)氣相沉積、高分子涂布等)； (3)工藝流程先通孔(via-first)或后通孔(via-last)技術(shù)； (4)堆疊形式晶圓到晶圓、芯片到晶圓或芯片到芯片； (5)鍵合方式直接cu-cu鍵合、粘接、直接熔合、焊接和混合等； (6)超薄晶圓的處理是否使用載體。,tsv技術(shù)簡(jiǎn)介,通孔的形成,通孔制造 tsv 技術(shù)的核心是在晶片上加工通孔。目前，通孔加工技術(shù)主要包括干法刻蝕、濕法腐蝕、激光鉆孔以及光輔助電化學(xué)刻蝕四種。 通孔絕緣 通常氧化物(sio2)絕緣層可以使用硅烷(sih4)或teos（硅酸乙酯）通過(guò)cvd（化學(xué)氣相沉積）工藝沉積獲得。 阻擋層、種子層和填鍍 銅通孔中，tin粘附/阻擋層和銅種子層都通過(guò)濺射來(lái)沉積。由于電鍍成本大大低于pvd/cvd，通孔填充一般采用電鍍銅的方法實(shí)現(xiàn)。,通孔的形成包括通孔制造、通孔絕緣以及阻擋層、種子層和填鍍,干法刻蝕是用以等離子體形式存在的氣體進(jìn)行薄膜刻蝕的一項(xiàng)技術(shù)，具有兩個(gè)特點(diǎn)： 一，與常態(tài)下的氣體相比，等離子體中的這些氣體的化學(xué)活性更強(qiáng)，為了更快的與材料發(fā)生反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)刻蝕去除的目的，應(yīng)當(dāng)根據(jù)被刻蝕材料的不同選擇合適的氣體； 二，為了達(dá)到利用物理能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)刻蝕的目的，可以利用電場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行引導(dǎo)和加速，使得離子具有一定的能量，當(dāng)其轟擊被刻蝕物表面時(shí)，就會(huì)擊出被刻蝕物材料的原子。 因此，干法刻蝕是晶圓片表面物理和化學(xué)兩種過(guò)程相互平衡的結(jié)果，其中干法刻蝕又分為物理性刻蝕 化學(xué)性刻蝕以及物理化學(xué)性刻蝕三種.,通孔的形成,干法刻蝕,將晶片放置于液態(tài)化學(xué)腐蝕液中進(jìn)行的腐蝕稱為濕法腐蝕。在腐蝕過(guò)程中，腐蝕液通過(guò)化學(xué)反映將接觸的材料逐步浸蝕溶解掉?；瘜W(xué)腐蝕的試劑包括很多種，有酸性的堿性的以及有機(jī)腐蝕劑等根據(jù)選擇的腐蝕劑，又分為各向同性腐蝕以及各向異性腐蝕劑。 干法刻蝕用來(lái)刻蝕的氣體流量容易控制，刻蝕速度和刻蝕深度可以計(jì)算，且側(cè)壁近似垂直狀，濕法腐蝕由于溶液的濃度會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行不斷變化，反應(yīng)速率不易控制，所以漸漸被干法刻蝕所取代 但是濕法腐蝕成本低廉，而且對(duì)于同一個(gè)圖形的硅晶圓在同樣濃度溶液中的腐蝕過(guò)程是可以重復(fù)的。,通孔的形成,濕法腐蝕,濕法腐蝕示意圖,由于激光具有高能量，高聚焦等特性，依據(jù)光熱燒蝕和光化學(xué)裂蝕原理形成。目前常用的兩種激光鉆孔方式:co2 激光鉆孔， uv 激光鉆孔。 co2 激光鉆孔是由光熱燒蝕機(jī)理在極短的時(shí)間以波大于 760nm 的紅外光將有機(jī)板材予以強(qiáng)熱熔化或汽化，使之被持續(xù)移除而成孔。 uv 激光鉆孔利用光化學(xué)裂蝕機(jī)理，通過(guò)發(fā)射位于紫外線區(qū)的，激光波長(zhǎng)小于 400nm 的高能量光子，使基板材料中長(zhǎng)分子鏈高分子有機(jī)化合物的化學(xué)鍵撕裂，在眾多碎粒體積增大和外力抽吸下，使基材被快速移除，從而形成微孔。 uv激光鉆孔不需要燒蝕的盲孔進(jìn)行除膠渣工序，但是其加工方式為單孔逐次加工，在加工效率方面大大落后于 co2 激光鉆孔，一般 co2 激光鉆孔的速率是 uv 激光的 45 倍。,通孔的形成,激光鉆孔,電化學(xué)刻蝕是一種采用液態(tài)腐蝕劑的濕法腐蝕工藝，它屬于濕法刻蝕技術(shù)，必須有空穴的參與才能實(shí)現(xiàn)硅溶解的過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)刻蝕，通過(guò)光生空穴并控制空穴的輸運(yùn)過(guò)程將空穴輸送到反應(yīng)點(diǎn)，這就是所謂的光輔助電化學(xué)刻蝕技術(shù)。 此方面主要利用光生載流子效應(yīng)產(chǎn)生空穴，且產(chǎn)生的空穴具有可控性，因此，采用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)較高的深寬比，理論上通?？梢赃_(dá)到 200 以上。,通孔的形成,光輔助電化學(xué)刻蝕,芯片減薄,無(wú)論堆疊形式和連線方式如何改變，在封裝整體厚度不變甚至有所降低的趨勢(shì)下，堆疊中所用各層芯片的厚度就不可避免的需要被減薄。 一般來(lái)說(shuō)，較為先進(jìn)的多層封裝使用的芯片厚度都在100m以下。 長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，根據(jù)目前的路線圖在2010年左右，芯片厚度將達(dá)到25m左右的近乎極限厚度，堆疊的層數(shù)達(dá)到10層以上。即使不考慮多層堆疊的要求，單是芯片間的通孔互連技術(shù)就要求上層芯片的厚度在2030m，這是現(xiàn)有等離子開(kāi)孔及金屬沉積技術(shù)所比較適用的厚度，同時(shí)也幾乎僅僅是整個(gè)器件層的厚度。 因此，硅片的超薄化工藝(50m)將在封裝技術(shù)中扮演越來(lái)越重要的角色，其應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越廣泛。,芯片減薄背景,減薄技術(shù)面臨的首要挑戰(zhàn)就是超薄化工藝所要求的50m的減薄能力。傳統(tǒng)上，減薄工藝僅僅需要將硅片從晶圓加工完成時(shí)的原始厚度減薄到300400m。在這個(gè)厚度上，硅片仍然具有相當(dāng)?shù)暮穸葋?lái)容忍減薄工程中的磨削對(duì)硅片的損傷及內(nèi)在應(yīng)力，同時(shí)其剛性也足以使硅片保持原有的平整狀態(tài)。 另外，隨著微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，圓片直徑越來(lái)越大，當(dāng)150mm、200mm甚至300mm圓片被減薄到150m以下時(shí)，圓片翹曲和邊緣損傷問(wèn)題變得尤為嚴(yán)重。,超薄化工藝的主要問(wèn)題有兩方面： (1)磨片工藝產(chǎn)生的損傷層的去除及應(yīng)力的減??； (2)磨片工藝到劃片膜張貼工藝之間各工序間硅片的傳運(yùn)。,芯片減薄,目前業(yè)界的主流解決方案是采用東京精密公司所率先倡導(dǎo)的一體機(jī)思路，將硅片的磨削、拋光、保護(hù)膜去除、劃片膜粘貼等工序集合在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)，通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的機(jī)械式搬送系統(tǒng)使硅片從磨片一直到粘貼劃片膜為止始終被吸在真空吸盤(pán)上，始終保持平整狀態(tài)。當(dāng)硅片被粘貼到劃片膜上后，比劃片膜厚還薄的硅片會(huì)順從膜的形狀而保持平整，不再發(fā)生翹曲、下垂等問(wèn)題，從而解決了搬送的難題。,一體機(jī)示意圖(東京精密pg200300),芯片減薄,芯片減薄,機(jī)械研磨和化學(xué)機(jī)械拋光還可能會(huì)在硅晶圓表面產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力，這些應(yīng)力會(huì)引發(fā)彎曲和翹曲。同時(shí)，由于是先用銅將 tsv填滿后進(jìn)行 cmp工藝這樣在過(guò) 程中銅和硅容易發(fā)生擴(kuò)散而且破壞絕緣層，從而破壞 tsv互連。 針對(duì)以上問(wèn)題，袁嬌嬌等人研究通過(guò)對(duì)硅晶圓進(jìn)行局部減薄來(lái)實(shí)現(xiàn)的局部減薄，即將硅晶圓的大部分減薄 利用沒(méi)有減薄的部分支撐硅晶圓完成表面微加工工藝局部減薄是通過(guò)對(duì)硅晶圓局部刻蝕一定深度以達(dá)到局部減薄的目的。,存在的問(wèn)題：,1、刻蝕減薄 干法刻蝕：干法刻蝕用來(lái)刻蝕的氣體流量容易控制，刻蝕速度和刻蝕深度可以計(jì)算，且側(cè)壁近似垂直狀。 濕法腐蝕：濕法腐蝕由于溶液的濃度會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行不斷變化反應(yīng)速率不易控制。但濕法腐蝕成本低廉 ，而且對(duì)于同一個(gè)圖形的硅晶圓在同樣濃度溶液中的腐蝕過(guò)程是可以重復(fù)的。 2、電鍍填孔 將硅晶圓表面的光刻膠洗掉后，利用熱氧化的方法在硅晶圓表面和孔壁上生長(zhǎng)絕緣層。然后在硅晶圓正面利用濺射方法先后沉積鈦層和銅層。之后利用自下而上的電鍍工藝填滿小孔。 3、后續(xù)工藝 電鍍完成后就可以進(jìn)行凸點(diǎn)制作、表面微加工、重新分布層、平坦化和集成等工藝。,芯片減薄,芯片減薄,制作超薄芯片的過(guò)程原理示意圖,tsv鍵合技術(shù),tsv鍵合采用工藝有金屬金屬鍵合技術(shù)和高分子粘結(jié)鍵合等。 金屬金屬鍵合技術(shù)是一種趨勢(shì),因?yàn)檫@種技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電學(xué)的接觸界面。如銅-銅鍵合在350400溫度下施加壓力超過(guò)30min,接著在350400下的氮?dú)鈿夥胀嘶?0min60min完成。這種技術(shù)使用金屬對(duì)tsv進(jìn)行封帽,之后采用氧化物和金屬同步cmp進(jìn)行平坦化,經(jīng)過(guò)專利保護(hù)的表面處理技術(shù),可使用標(biāo)準(zhǔn)的鍵合/對(duì)準(zhǔn)機(jī)在大氣環(huán)境下1min2min實(shí)現(xiàn)芯片或者晶圓的鍵合。在350溫度下施加壓力,在低coo鍵合操作下可以獲得單一的金屬界面。,tsv鍵合技術(shù),總結(jié),tsv被許多半導(dǎo)體廠和研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為是最有前途的封裝方法, 世界上50%以上的廠商都參與3dtsv互連相關(guān)方面的研究。 yole預(yù)測(cè), 2015年前將有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的3d-tsv晶圓出貨, 這將造成25%的存儲(chǔ)器行業(yè)受到相當(dāng)?shù)臎_擊, 除去存儲(chǔ)器裝置使用的數(shù)量, 3d-tsv晶圓將占有總晶圓數(shù)的6%。,參考文獻(xiàn),1黃 鉑.tsv通孔技術(shù)研究j.科學(xué)實(shí)踐,2013. 2袁嬌嬌,呂植成等.用于3d封裝的帶tsv的超薄芯片新型制作方法j.微納電子技術(shù),2013. 3姜 健,張政林.3d封裝中的圓片