光刻和晶圓級(jí)鍵合技術(shù)在3D互連中的研究

光刻和晶圓級(jí)鍵合技術(shù)在3D互連中的研究作者：Margarete Zoberbier、Erwin Hell、Kathy Cook、Marc Hennemayer、Dr.-Ing. Barbara Neubert，SUSS MicroTec日益增長的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)正在推動(dòng)當(dāng)今半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展。各種應(yīng)用對(duì)增加集成度、降低功耗和減小外形因數(shù)的要求不斷提高，促使眾多結(jié)合了不同技術(shù)的新結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，從而又催生出諸多不同的封裝方法，因此可在最小的空間內(nèi)封裝最多的功能。正因如此，三維集成被認(rèn)為是下一代的封裝方案。本文將探討與三維互連技術(shù)相關(guān)的一些光刻挑戰(zhàn)。還將討論三維封裝使用的晶圓鍵合技術(shù)、所面臨的各種挑戰(zhàn)、有效的解決方案及未來發(fā)展趨勢(shì)。多種多樣的三維封裝技術(shù)為了適應(yīng)更小引腳、更短互連和更高性能的要求，目前已開發(fā)出系統(tǒng)封裝（SiP）、系統(tǒng)芯片（SoC）和封裝系統(tǒng)（SoP）等許多不同的三維封裝方案。SiP即“單封裝系統(tǒng)”，它是在一個(gè)IC封裝中裝有多個(gè)引線鍵合或倒裝芯片的多功能系統(tǒng)或子系統(tǒng)。無源元件、SAW/BAW濾波器、預(yù)封裝IC、接頭和微機(jī)械部件等其他元件都安裝在母板上。這一技術(shù)造就了一種外形因數(shù)相對(duì)較小的堆疊式芯片封裝方案。SoC可以將所有不同的功能塊，如處理器、嵌入式存儲(chǔ)器、邏輯心和模擬電路等以單片集成的方式裝在一起。在一塊半導(dǎo)體芯片上集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要這些功能塊來實(shí)現(xiàn)。通常，SoC設(shè)計(jì)與之所取代的多芯片系統(tǒng)相比，它的功耗更小，成本更低，可靠性更高。而且由于系統(tǒng)中需要的封裝更少，因而組裝成本也會(huì)有所降低。SoP采用穿透通孔和高密度布線以實(shí)現(xiàn)更高的小型化。它是一種將整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)芯片尺寸封裝上的新興的微電子技術(shù)。過去，“系統(tǒng)”往往是一些容納了數(shù)百個(gè)元件的笨重的盒子，而SoP可以將系統(tǒng)的計(jì)算、通信和消費(fèi)電子功能全部在一塊芯片上完成，從而節(jié)約了互連時(shí)間，減少了熱量的產(chǎn)生。最近穿透硅通孔（TSV）得到迅速發(fā)展，已成為三維集成和晶圓級(jí)封裝（WLP）的關(guān)鍵技術(shù)之一。三維TSV已顯現(xiàn)出有朝一日取代引線鍵合技術(shù)的潛力，因此它可以使封裝尺寸進(jìn)一步減小，成本進(jìn)一步降低，這將是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。另外器件的性能也將得到進(jìn)一步提高。當(dāng)前，三維TSV技術(shù)已成為如存儲(chǔ)器堆疊或MEMS結(jié)構(gòu)封裝等三維元件集成技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵。將TSV用作主流技術(shù)的第一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域就是CMOS圖像傳感器（CIS）的封裝。對(duì)CMOS圖像傳感器而言，WLP的應(yīng)用已經(jīng)在業(yè)內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。目前已有大約35%的CMOS圖像傳感器應(yīng)用于最新的消費(fèi)類移動(dòng)電話產(chǎn)品中，筆記本電腦攝像頭采用了WLCSP密封封裝，而且這一數(shù)字還在不斷增長（圖1）。圖2是形成TSV的典型工藝流程之一。首先，必須形成刻蝕掩膜。這一步驟包括涂層淀積、曝光和掩膜顯影。掩膜一旦形成，即可對(duì)通孔進(jìn)行刻蝕和絕緣處理。然后用諸如銅和鎢等不同材料完成通孔填充。填充工藝取決于填充材料。直到目前，銅一直是TSV工藝最為常用的填充材料，但其它材料，如鎢（W）或Cu3Sn合金也有使用。曝光與顯影用光刻膠對(duì)通孔開口處進(jìn)行光刻處理看上去可以直接進(jìn)行，然而隨后要完成的工藝步驟卻各不相同，通孔的尺寸也大小不一，因而光刻膠的曝光和顯影條件就必須區(qū)別對(duì)待，而且各自都需要一套相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)。采用1倍全場(chǎng)光刻法即可輕易地以成本效益很高的手段制作出典型尺寸小至5m的通孔（圖3）。300mm襯底上接近式曝光的最新分辨率極限水平約為3m。但對(duì)通孔開口進(jìn)行嚴(yán)密的CD控制需要十分精確的間隔調(diào)整設(shè)置、極佳的光均勻度和良好的曝光劑量控制等。所有這些因素均會(huì)影響到最終的曝光結(jié)果，因此就需要精確的控制。就上述實(shí)驗(yàn)而言，需要采用具有不同通孔直徑的典型的通孔測(cè)試掩膜。SUSS MA300 Gen2掩膜對(duì)準(zhǔn)儀的平均強(qiáng)度約為90mW/cm2（寬帶），照在整個(gè)300mm晶圓上的光均勻度在3%以下。晶圓的曝光都采用了20m的曝光間隔。圖3給出了采用AZ1505對(duì)3m直徑通孔進(jìn)行曝光和顯影的結(jié)果。顯影工藝采用一種含水的顯影試劑同樣也在裝配有雙頭噴霧涂膠系統(tǒng)的ACS300 Gen2設(shè)備上完成。這種設(shè)備上的雙頭噴霧涂膠裝置和水套冷卻噴管可以依據(jù)不同的使用點(diǎn)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，因此可縮短工藝時(shí)間并將材料的消耗降至最低程度。為了最大限度地優(yōu)化細(xì)霧工藝的均勻度，變速機(jī)械臂會(huì)不停地在整個(gè)晶圓范圍內(nèi)移動(dòng)。AZ4110和AZ9260的顯影都采用1:4 AZ400K和去離子水稀釋溶液。而AZ1505的顯影則采用TMAH基AZ726MIF試劑。通孔不斷小型化的發(fā)展趨勢(shì)也需要精確的涂復(fù)層顯影結(jié)果。掩膜對(duì)準(zhǔn)儀的整體對(duì)準(zhǔn)性能及其偏差效應(yīng)是影響涂復(fù)層噴涂結(jié)果的兩個(gè)主要的因素。除了對(duì)準(zhǔn)精度需要使設(shè)備達(dá)到極佳的性能之外，掩膜和晶圓溫度控制對(duì)于在300mm晶圓上獲得最佳的涂復(fù)層結(jié)果也十分關(guān)鍵。MA300 Gen2采用一種溫度控制曝光夾盤以使晶圓溫度保持均衡不變，并對(duì)偏差效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。在接近式曝光系統(tǒng)中，掩膜和晶圓彼此之間的距離十分接近，確保夾盤能夠間接地控制掩膜的溫度。通過改變曝光夾盤的溫度（圖4）可以降低由圖形識(shí)別軟件測(cè)量到的任何偏差。ThermAlign?技術(shù)可以將偏差效應(yīng)降低到0.2m至0.3m的水平。實(shí)驗(yàn)期間，ThermAlign?夾盤的的溫度設(shè)定為22。對(duì)SUSS專用對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)而言，可采用自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)以直接對(duì)準(zhǔn)的模式進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。鍵合對(duì)準(zhǔn)有關(guān)三維堆疊最重要的話題之一就是對(duì)準(zhǔn)精度。從圖5示出路線圖中可以看出，通孔直徑的發(fā)展趨勢(shì)是，今后的幾年內(nèi)將繼續(xù)減小。當(dāng)前，CMOS圖像傳感器件采用的通孔直徑在25m至75m范圍內(nèi)。在存儲(chǔ)器件中，穿透硅通孔用的典型直徑為幾微米。對(duì)晶圓鍵合技術(shù)而言，縮小通孔直徑會(huì)對(duì)所要求的后鍵合對(duì)準(zhǔn)精度產(chǎn)生直接的影響。總有一個(gè)“最低的重疊層要求”以便使金屬通孔具有良好的電連接，且電阻最低。我們可以將這一“最低的重疊層要求”看成是對(duì)后鍵合對(duì)準(zhǔn)精度的要求。今后幾年這一最低重疊層要求可能會(huì)達(dá)到亞微米范圍。由于實(shí)現(xiàn)三維堆疊需要進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的兩塊晶圓都有金屬層，因此無法使用紅外對(duì)準(zhǔn)的方法。另一種方法是內(nèi)部襯底對(duì)準(zhǔn)的方法。采用這一技術(shù)能夠達(dá)到圖5中所要求的對(duì)準(zhǔn)精度。采用這種對(duì)準(zhǔn)技術(shù)時(shí)需要在兩個(gè)晶圓之間采取特殊的光學(xué)手段。左右兩側(cè)的ISA物鏡可同時(shí)對(duì)上下兩塊晶圓上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)進(jìn)行成像處理。通過調(diào)整對(duì)準(zhǔn)臺(tái)而移動(dòng)晶圓，利用圖形識(shí)別算法即可以根據(jù)具體要求進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)臺(tái)縮回之后，兩塊晶圓移動(dòng)至接觸狀態(tài)或留出一定的間隔。一般情況下，晶圓在z軸上的移動(dòng)會(huì)造成一定的錯(cuò)誤對(duì)準(zhǔn)。因此，目前在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)將新的高精密光學(xué)手段和機(jī)理與通用在線校準(zhǔn)手段相結(jié)合以期使BA300UHP（超高精度）鍵合對(duì)準(zhǔn)設(shè)備達(dá)到亞微米對(duì)準(zhǔn)精度。鍵合用于三維堆疊的晶圓鍵合技術(shù)主要包括：金屬與金屬擴(kuò)散鍵合（Cu）、金屬易熔鍵合（Cu/Sn）、硅熔融鍵合、焊料鍵合（BCB）。每一種鍵合工藝都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇哪一種鍵合技術(shù)取決于應(yīng)用領(lǐng)域及其要求。但金屬與金屬擴(kuò)散鍵合采用銅作為鍵合層卻是一個(gè)較為明確的發(fā)展趨勢(shì)。這種鍵合工藝的優(yōu)點(diǎn)是，電連接和機(jī)械連接可以同時(shí)完成。銅-銅鍵合當(dāng)兩種金屬在壓力和熱力作用下壓在一起的時(shí)候，原子就會(huì)從一個(gè)晶格點(diǎn)遷移到另一個(gè)晶格點(diǎn)，使兩個(gè)界面鍵合在一起。由于原子會(huì)使晶格振動(dòng)產(chǎn)生移動(dòng)，因此這類擴(kuò)散工藝要求兩個(gè)表面之間的接觸必須非常緊密。因?yàn)殂~或鋁具有較高的延展特性和快速的擴(kuò)散速率，因此銅和鋁最適合這類擴(kuò)散工藝。銅鍵合要求的溫度在300-400范圍以達(dá)到較好的密封界面。銅氧化會(huì)阻礙鍵合工藝。鍵合期間或在采用汽相清洗工藝去除表面氧化物時(shí)采用的較大壓力會(huì)使銅產(chǎn)生斷裂。金屬易熔鍵合易熔鍵合對(duì)三維堆疊也很重要，這是因?yàn)槠涔に嚋囟群艿停珻u3Sn是從231開始的。因此，如前所述最為常見的易熔物是AuSn、AuSi、AlGe和CuSn。此外還需要使用惰性氣體以避免氧化。硅熔融鍵合熔融鍵合對(duì)三維堆疊很重要，原因是其工藝時(shí)間很短且鍵合強(qiáng)度很高。但熔融鍵合過程中只會(huì)形成機(jī)械接觸。而從界面到互連金屬層之間卻沒有直接的電連接。因此還需要完成額外的工藝對(duì)晶圓堆疊進(jìn)行穿透刻蝕，并用金屬對(duì)通孔進(jìn)行背部填充。工藝過程如下：首先對(duì)其中的一塊襯底減薄至幾十微米，其后進(jìn)行圖形刻蝕，最后完成工藝中的金屬背部填充，稱為“后通孔”工藝。熔融鍵合的不足是它對(duì)表面平坦度和粗糙度都有一定的要求。由于晶圓中要用到金屬材料，因此退火溫度的限制就成為另一個(gè)問題。但是采用等離子體處理即可將退火溫度從1000左右降到所要求的200-400.焊料鍵合焊料鍵合在三維工藝中極為常用，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)的工藝溫度范圍很低，且外形容限很小。高精密三維焊料鍵合最常用的聚合物是BCB，鍵合溫度從150至320?？梢钥刂艬CB的流動(dòng)特性以完成較低溫度鍵合，并將對(duì)準(zhǔn)精度提高到1-2m范圍。需要將BCB覆蓋在一塊或兩塊