Технология упаковки является одним из важнейших процессов в полупроводниковой промышленности. В зависимости от формы корпуса его можно разделить на пакет разъемов, пакет для поверхностного монтажа, пакет BGA, пакет размера микросхемы (CSP), пакет модуля с одним чипом (SCM, зазор между проводами на печатной плате (PCB) и контактная площадка платы интегральной схемы (IC) совпадают), пакет многочипового модуля (MCM, который может интегрировать гетерогенные чипы), пакет уровня пластины (WLP, включая пакет уровня пластины с разветвлением (FOWLP), компоненты микроповерхностного монтажа (microSMD) ), и т. д.), трехмерный пакет (пакет межсоединений Micro Bump, пакет межсоединений TSV и т. д.), системный пакет (SIP), чип-система (SOC).
Формы 3D-упаковки в основном делятся на три категории: скрытый тип (погружение устройства в многослойную проводку или в подложку), тип активной подложки (интеграция кремниевой пластины: сначала интегрируйте компоненты и подложку пластины, чтобы сформировать активную подложку). затем организуйте многослойные линии межсоединений и соберите другие чипы или компоненты на верхнем слое) и многослойного типа (кремниевые пластины, сложенные с кремниевыми пластинами, чипы, сложенные с кремниевыми пластинами, и чипы, сложенные с чипами);
Методы 3D-соединения включают в себя проволочное соединение (WB), флип-чип (FC), через кремний (TSV), пленочный проводник и т. д.
TSV реализует вертикальное соединение между чипами. Поскольку вертикальная соединительная линия имеет наименьшее расстояние и более высокую прочность, легче реализовать миниатюризацию, высокую плотность, высокую производительность и многофункциональную упаковку с гетерогенной структурой. В то же время он также может соединять между собой чипы из разных материалов;
В настоящее время существует два типа технологий производства микроэлектроники с использованием процесса TSV: трехмерная упаковка схем (интеграция 3D IC) и трехмерная кремниевая упаковка (интеграция 3D Si).
Разница между двумя формами заключается в том, что:
(1) Упаковка 3D-схем требует, чтобы электроды чипа были подготовлены к выступам, причем выступы соединены между собой (склеивание, плавление, сварка и т. д.), тогда как 3D-кремниевая упаковка представляет собой прямое соединение между чипами (связывание между оксидами и медью). -медная связь).
(2) Технология интеграции 3D-схем может быть достигнута путем соединения между пластинами (упаковка 3D-схем, 3D-кремниевая упаковка), в то время как соединение между чипами и соединение чипов с пластинами может быть достигнуто только с помощью упаковки 3D-схем.
(3) Между чипами, интегрированными в процессе упаковки 3D-схемы, существуют зазоры, и необходимо заполнить диэлектрические материалы, чтобы отрегулировать теплопроводность и коэффициент теплового расширения системы, чтобы обеспечить стабильность механических и электрических свойств системы; Между чипами, интегрированными в процесс 3D-кремниевой упаковки, нет зазоров, энергопотребление, объем и вес чипа невелики, а электрические характеристики превосходны.
Процесс TSV может построить вертикальный путь сигнала через подложку и соединить RDL сверху и снизу подложки, чтобы сформировать трехмерный путь проводника. Таким образом, процесс TSV является одним из важных краеугольных камней для построения трехмерной структуры пассивного устройства.
В соответствии с порядком между передним концом линии (FEOL) и задним концом линии (BEOL), процесс TSV можно разделить на три основных производственных процесса, а именно: первый (ViaFirst), средний (Via Middle) и через процесс Last (Via Last), как показано на рисунке.
1. С помощью процесса травления
Процесс сквозного травления является ключом к изготовлению структуры TSV. Выбор подходящего процесса травления может эффективно улучшить механическую прочность и электрические свойства TSV, а также повысить общую надежность трехмерных устройств TSV.
В настоящее время существует четыре основных метода TSV с помощью процессов травления: глубокое реактивное ионное травление (DRIE), мокрое травление, фотоассистированное электрохимическое травление (PAECE) и лазерное сверление.
(1) Глубокое реактивное ионное травление (DRIE)
Глубокое реактивное ионное травление, также известное как процесс DRIE, является наиболее часто используемым процессом травления TSV, который в основном используется для реализации TSV через структуры с высоким соотношением сторон. Традиционные процессы плазменного травления обычно позволяют достичь глубины травления лишь в несколько микрон при низкой скорости травления и отсутствии селективности маски травления. На этой основе компания Bosch внесла соответствующие улучшения в процесс. Благодаря использованию SF6 в качестве реактивного газа и выделению газа C4F8 в процессе травления в качестве пассивационной защиты боковых стенок улучшенный процесс DRIE подходит для травления переходных отверстий с большим аспектным соотношением. Поэтому его еще называют процессом Боша по имени его изобретателя.
На рисунке ниже представлена фотография сквозного отверстия с высоким соотношением сторон, полученного в результате травления в процессе DRIE.
Хотя процесс DRIE широко используется в процессе TSV из-за его хорошей управляемости, его недостатком является плохая плоскостность боковых стенок и образование складок в форме гребешка. Этот дефект более существенен при травлении переходных отверстий с высоким соотношением сторон.
(2) Мокрое травление
При влажном травлении используется комбинация маски и химического травления для протравливания отверстий. Наиболее часто используемым травильным раствором является КОН, который может травить те места на кремниевой подложке, которые не защищены маской, тем самым формируя желаемую структуру сквозных отверстий. Мокрое травление — это самый ранний разработанный процесс травления через отверстия. Поскольку этапы процесса и необходимое оборудование относительно просты, он подходит для массового производства TSV по низкой цене. Однако механизм химического травления определяет, что на сквозное отверстие, сформированное этим методом, будет влиять кристаллическая ориентация кремниевой пластины, что делает протравленное сквозное отверстие невертикальным, но демонстрирует четкое явление широкого верха и узкого низа. Этот недостаток ограничивает применение мокрого травления при изготовлении ТСВ.
(3) Фотоэлектрохимическое травление (PAECE)
Основной принцип фотоэлектрохимического травления (PAECE) заключается в использовании ультрафиолетового света для ускорения генерации электронно-дырочных пар, тем самым ускоряя процесс электрохимического травления. По сравнению с широко используемым процессом DRIE, процесс PAECE больше подходит для травления структур со сквозными отверстиями со сверхбольшим удлинением, превышающим 100:1, но его недостатком является то, что контролируемость глубины травления слабее, чем у DRIE, и его технология может требуют дальнейших исследований и совершенствования процесса.
(4) Лазерное сверление
Отличается от трех вышеуказанных методов. Метод лазерного сверления является чисто физическим методом. В основном он использует высокоэнергетическое лазерное излучение для плавления и испарения материала подложки в указанной области для физической реализации конструкции TSV со сквозными отверстиями.
Сквозное отверстие, образованное лазерным сверлением, имеет большое удлинение, а боковая стенка в основном вертикальна. Однако, поскольку при лазерном сверлении фактически используется локальный нагрев для формирования сквозного отверстия, стенка отверстия TSV будет подвергаться негативному влиянию термического повреждения и снижать надежность.
2. Процесс нанесения слоя лайнера
Еще одной ключевой технологией производства TSV является процесс нанесения футеровочного слоя.
Процесс нанесения слоя лайнера выполняется после травления сквозного отверстия. Осажденный слой футеровки обычно представляет собой оксид, такой как SiO2. Подкладочный слой расположен между внутренним проводником ТСВ и подложкой и в основном играет роль изолирующей утечки постоянного тока. Помимо нанесения оксида, барьерный и затравочный слои также необходимы для заполнения проводника в следующем процессе.
Изготовленный футеровочный слой должен отвечать следующим двум основным требованиям:
(1) напряжение пробоя изолирующего слоя должно соответствовать фактическим рабочим требованиям TSV;
(2) нанесенные слои обладают высокой плотностью и хорошей адгезией друг к другу.
На следующем рисунке показана фотография слоя футеровки, нанесенного методом плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD).
Процесс осаждения необходимо соответствующим образом корректировать для различных процессов производства TSV. Для процесса переднего сквозного отверстия можно использовать процесс высокотемпературного осаждения для улучшения качества оксидного слоя.
Типичное высокотемпературное осаждение может быть основано на тетраэтилортосиликате (ТЭОС) в сочетании с процессом термического окисления для формирования высокоплотного высококачественного изолирующего слоя SiO2. Для процесса среднего сквозного отверстия и обратного сквозного отверстия, поскольку процесс BEOL завершается во время осаждения, требуется низкотемпературный метод для обеспечения совместимости с материалами BEOL.
При этом условии температура осаждения должна быть ограничена до 450°С, включая использование PECVD для осаждения SiO2 или SiNx в качестве изолирующего слоя.
Другой распространенный метод — использование атомно-слоевого осаждения (ALD) для нанесения Al2O3 для получения более плотного изолирующего слоя.
3. Процесс заливки металла
Процесс заполнения TSV осуществляется сразу после процесса нанесения гильзы, что является еще одной ключевой технологией, определяющей качество TSV.
Материалы, которые могут быть заполнены, включают легированный поликремний, вольфрам, углеродные нанотрубки и т. д. в зависимости от используемого процесса, но наиболее распространенным по-прежнему является гальваническая медь, поскольку ее процесс отработан, а ее электрическая и теплопроводность относительно высоки.
В зависимости от разницы в распределении скорости гальванического покрытия в сквозном отверстии его можно в основном разделить на субконформные, конформные, суперконформные и восходящие методы гальванического покрытия, как показано на рисунке.
Субконформная гальваника в основном использовалась на ранней стадии исследования TSV. Как показано на рисунке (а), ионы Cu, образующиеся в результате электролиза, концентрируются вверху, в то время как внизу поступают недостаточно, что приводит к тому, что скорость гальванического покрытия в верхней части сквозного отверстия оказывается выше, чем ниже верхней. Поэтому верх сквозного отверстия будет закрыт заранее до его полного заполнения, а внутри образуется большая пустота.
Принципиальная схема и фотография метода конформной гальваники показаны на рисунке (б). Благодаря обеспечению равномерного добавления ионов Cu скорость гальванического покрытия в каждой позиции сквозного отверстия в основном одинакова, поэтому внутри останется только шов, а объем пустот намного меньше, чем у метода субконформного гальванического покрытия, поэтому он широко используется.
Для дальнейшего достижения эффекта заполнения без пустот был предложен метод суперконформной гальваники, оптимизирующий метод конформной гальваники. Как показано на рисунке (c), за счет контроля подачи ионов Cu скорость заполнения внизу немного выше, чем в других положениях, тем самым оптимизируя ступенчатый градиент скорости заполнения снизу вверх, чтобы полностью исключить шов слева. методом конформного гальванического покрытия, чтобы добиться полностью свободного от пустот металлического медного заполнения.
Метод гальваники «снизу вверх» можно рассматривать как частный случай суперконформного метода. В этом случае скорость гальваники, кроме нижней, подавляется до нуля, и только гальванизация ведется постепенно снизу вверх. В дополнение к преимуществу метода конформного гальванического покрытия, лишенному пустот, этот метод также может эффективно сократить общее время гальванического покрытия, поэтому в последние годы он широко изучается.
4. Технология процесса РДЛ
Процесс RDL является незаменимой базовой технологией в процессе трехмерной упаковки. Благодаря этому процессу металлические межсоединения могут быть изготовлены на обеих сторонах подложки для достижения цели перераспределения портов или соединения между корпусами. Поэтому процесс RDL широко используется в системах упаковки «разветвление-в-разветвление» или 2,5D/3D.
В процессе создания трехмерных устройств процесс RDL обычно используется для соединения TSV для реализации различных структур трехмерных устройств.
В настоящее время существует два основных процесса RDL. Первый основан на светочувствительных полимерах и сочетается с процессами гальваники и травления меди; другой реализуется с использованием процесса Cu Damascus в сочетании с процессом PECVD и химико-механической полировки (CMP).
Далее будут представлены основные пути процессов этих двух RDL соответственно.
Процесс RDL на основе светочувствительного полимера показан на рисунке выше.
Сначала на поверхность пластины путем вращения наносится слой клея PI или BCB, а после нагрева и отверждения используется процесс фотолитографии, чтобы открыть отверстия в желаемом положении, а затем выполняется травление. Затем, после удаления фоторезиста, Ti и Cu напыляются на пластину посредством процесса физического осаждения из паровой фазы (PVD) в качестве барьерного слоя и затравочного слоя соответственно. Затем первый слой RDL изготавливается на открытом слое Ti/Cu путем объединения процессов фотолитографии и гальваники Cu, а затем фоторезист удаляется, а излишки Ti и Cu вытравливаются. Повторите вышеуказанные шаги, чтобы сформировать многоуровневую структуру RDL. В настоящее время этот метод более широко используется в промышленности.
Другой метод производства RDL в основном основан на процессе Cu Damascus, который сочетает в себе процессы PECVD и CMP.
Отличие этого метода от процесса RDL на основе светочувствительного полимера заключается в том, что на первом этапе изготовления каждого слоя с помощью PECVD наносится SiO2 или Si3N4 в качестве изолирующего слоя, а затем методом фотолитографии на изолирующем слое формируется окно и реактивное ионное травление, а барьерный/затравочный слой Ti/Cu и проводящая медь напыляются соответственно, а затем проводящий слой утончается до необходимой толщины с помощью процесса CMP, то есть слой Формируется RDL или сквозной слой.
На следующем рисунке представлена принципиальная схема и фотография поперечного сечения многослойного RDL, построенного на основе процесса Cu Damascus. Можно заметить, что TSV сначала подключается к слою сквозных отверстий V01, а затем укладывается стопкой снизу вверх в порядке RDL1, слоя V12 сквозных отверстий и RDL2.
Каждый слой РДЛ или сквозной слой изготавливается последовательно согласно вышеуказанному способу.Поскольку процесс RDL требует использования процесса CMP, его стоимость производства выше, чем у процесса RDL на основе светочувствительного полимера, поэтому его применение относительно невелико.
5. Технология процесса ИПД
Для производства трехмерных устройств, помимо прямой интеграции на кристалле MMIC, процесс IPD обеспечивает еще один, более гибкий технический путь.
Интегрированные пассивные устройства, также известные как процесс IPD, объединяют любую комбинацию пассивных устройств, включая встроенные катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы, симметрирующие преобразователи и т. д., на отдельной подложке для формирования библиотеки пассивных устройств в виде платы передачи, которая может гибко вызываться в соответствии с требованиями проекта.
Поскольку в процессе IPD пассивные устройства производятся и непосредственно интегрируются на плате передачи, его технологический процесс проще и дешевле, чем интеграция микросхем на кристалле, и может быть произведен заранее в массовом порядке в виде библиотеки пассивных устройств.
При производстве трехмерных пассивных устройств TSV IPD может эффективно компенсировать затраты на процессы трехмерной упаковки, включая TSV и RDL.
Помимо экономии средств, еще одним преимуществом IPD является его высокая гибкость. Одна из гибкости IPD отражается в разнообразных методах интеграции, как показано на рисунке ниже. В дополнение к двум основным методам непосредственной интеграции IPD в подложку корпуса посредством процесса переворачивания чипа, как показано на рисунке (a), или процесса склеивания, как показано на рисунке (b), еще один слой IPD может быть интегрирован в один слой. IPD, как показано на рисунках (c)–(e), для достижения более широкого диапазона комбинаций пассивных устройств.
В то же время, как показано на рисунке (f), IPD можно в дальнейшем использовать в качестве платы адаптера для непосредственного размещения на ней интегрированного чипа для создания системы упаковки высокой плотности.
При использовании IPD для создания трехмерных пассивных устройств также можно использовать процессы TSV и RDL. Поток процесса в основном такой же, как и вышеупомянутый метод обработки встроенной интеграции, и не будет повторяться; разница в том, что, поскольку объект интеграции меняется с микросхемы на плату адаптера, нет необходимости учитывать влияние процесса трехмерной упаковки на активную область и слой межсоединений. Это также приводит к еще одной ключевой гибкости IPD: различные материалы подложки могут быть гибко выбраны в соответствии с требованиями конструкции пассивных устройств.
Материалами подложек, доступными для IPD, являются не только обычные полупроводниковые материалы подложек, такие как Si и GaN, но также керамика Al2O3, низкотемпературная/высокотемпературная керамика совместного обжига, стеклянные подложки и т. д. Эта особенность эффективно расширяет гибкость конструкции пассивных устройств. устройства, интегрированные IPD.
Например, трехмерная структура пассивного индуктора, интегрированная с помощью IPD, может использовать стеклянную подложку для эффективного улучшения характеристик индуктора. В отличие от концепции TSV, сквозные отверстия, выполненные на стеклянной подложке, также называются сквозными стеклянными переходными отверстиями (TGV). Фотография трехмерного индуктора, изготовленного на основе процессов ИПД и ТГВ, представлена на рисунке ниже. Поскольку удельное сопротивление стеклянной подложки намного выше, чем у обычных полупроводниковых материалов, таких как кремний, трехмерный индуктор TGV имеет лучшие изоляционные свойства, а вносимые потери, вызванные паразитным эффектом подложки на высоких частотах, намного меньше, чем у обычный трехмерный индуктор TSV.
С другой стороны, конденсаторы металл-изолятор-металл (MIM) также могут быть изготовлены на стеклянной подложке IPD посредством процесса осаждения тонкой пленки и соединены между собой с трехмерным индуктором TGV для формирования трехмерной структуры пассивного фильтра. Таким образом, процесс IPD имеет широкий потенциал применения для разработки новых трехмерных пассивных устройств.
Время публикации: 12 ноября 2024 г.