第四代微電子封裝技術―TVS技術及其發(fā)展

1、第四代微電子封裝技術一tvs技術及其發(fā)展第四代微電子封裝技術一tvs技術及其發(fā)展摘 要：隨著微電子制造市二維向三維發(fā)展，三維芯片堆疊的 封裝方式成為發(fā)展的必然方向。但是使用傳統(tǒng)金線鍵合的三維電路封 裝技術不僅會占用大量空間，同時會增加能耗、降低運行速度。因此， 可實現(xiàn)芯片直接互聯(lián)的tsv技術孕育而生。tsv技術叮以使微電子封 裝達到最密連接，三維尺寸達到最??；同時tsv技術降低了連接長度, 可有效降低芯片能耗，提高運行速度。在dram芯片制造中使用tsv 技術可以使ic器件的性能大幅度提高，其中基于tsv技術開發(fā)的混 合存儲立方體（hmc）可以使存儲器性能提高20倍，而體積和能耗縮 小到原有l(wèi)

2、/10o但市于tsv技術本身的缺點使其商業(yè)化過程步履艱 難。而tsv技術最大的缺點還是在丁成本太咼。關鍵詞：微電子封裝；tsv；金屬化；鍵合；dram引言自1965年“摩爾定律” 1提出以來，微電子器件的密度幾乎沿 著“摩爾定律”的預言發(fā)展。到了今天，芯片特征尺寸達到22nm, 再想通過降低特征尺寸來提高電路密度不僅會大幅提高成本，還會降 低電路的可靠性。為了提高電路密度，延續(xù)或超越“摩爾定律”，微 電子制造由二維向三維發(fā)展成為必然。其方法之一就是將芯片堆疊以 后進行封裝，市此產(chǎn)生了三維電路封裝技術（3d ic packaging）o三 維電路封裝技術中，芯片電極是通過金線鍵合的技術來實現(xiàn)電路

3、的導 通。如圖la所示，隨著芯片疊層的增加，鍵合金線將占用大量的空 間。同時rtr丁連接的延長使得電路能耗升高、速度降低。因此，業(yè)界 需要一種方法，能夠使得硅芯片在堆疊的同時實現(xiàn)電路的導通，從而 避免采用硅芯片以外的線路連接。傳統(tǒng)半導體工藝主耍是針對硅圓片 表明進行加工并形成電路，而耍實現(xiàn)硅芯片上下層之間的連接，需要 一種能貫通硅芯片的加工工藝，即tsv技術（圖lb）o早在1958年, 半導體的發(fā)明人william shockley,在其專利中就提到過硅通孔的 制備方法2。而tsv (through-si 1 icon via)工藝的概念在1990 年代末才提出，香港應用技術研究院和臺灣半導體

4、制造公司于1998 年申請相關美國專利3, 4,而關于tsv技術最早的論文發(fā)表于2000 年。相比傳統(tǒng)金線鍵合，tsv技術不僅能減少金線所占用的平面 尺寸，由于減少了金線焊點使得z軸方向達到最密連接，三維尺寸達 到最小；同吋tsv技術降低了連接長度，可有效降低芯片能耗，提高 運行速度。(a)金線鍵合技術(b) tsv技術tsv制造工藝分以下兒個步驟，分別是：通孔制造，絕緣層、阻 擋層制備，通孔金屬化，芯片減薄和鍵合?？偟脕碚ftsv技術難度遠 大于傳統(tǒng)金線鍵合技術。1. 1 tsv孔制造雖然tsv稱為硅通孔技術，但是在加工過程中大多數(shù)是對盲孔進 行加工，只有在其后減薄階段打磨芯片底部，露出填充金

5、屬，才使得 孔成為真正的通孔。tsv工藝的第一步就是盲孔的制造(圖2d)。tsv 的盲孔制造有三種方法，分別是干法刻蝕、濕法刻蝕和激光鉆孔。干 法刻蝕是使用等離了氣體轟擊材料表面達到刻蝕效果的方法；而濕法 刻蝕是使用化學溶劑來刻蝕材料表面。和比z下干法刻蝕具有刻蝕速 率高、方向性好，可以制造大深寬比的孔、刻蝕速率可控性強等優(yōu)點， 但是相對成木較高，總得來說干法刻蝕是通孔制造中最常用的方法 6。而激光打孔加工速率更高，但是由于熱損傷使得通孔的精度下 降，因此使用較少。1.2絕緣層、阻擋層制備如圖2 b所示，由于si是半導體，通常在si基體上沉積金屬前 都需要制備一層絕緣層，絕緣層為si02或si

6、nx,通過增強等離了體 化學氣相沉積(pecvd)方法制備。另外為了防止金屬擴散進入基體， 還需要在絕緣層上制備一層阻擋層。阻擋層通常由tinx組成，通過 有機金屬化學氣相沉積(m0cvd)制備。1. 3通孔金屬化目前tsv金屬化過程中最常用的金屬是cuo通孔金屬化是tsv 技術中的難點，其成木占tsv工藝成本40%以上。通常芯片制造中， 金屬導體層通過物理氣相沉積（pvd）方法制備。相對只有幾十納米 的導線，若寬度達到5100m、深度達到5030m的tsv通孔也用pvd 方法制備，其所耗費的時間就是業(yè)界所不能允許的。因此tsv中通孔 金屬化通常是使用電鍍的方法來進行。但是由于si基體導電性差

7、， 不適合進行電沉積，所以金屬化必須分兩步完成金屬化：先使用pvd 方法沉積厚度為數(shù)個納米的種子層（圖2c）,使得硅基板具有導電性， 然后在進行電鍍過程來完成金屬化（圖2d）。此方法與大馬士革電鍍 相似。與大馬士革電鍍不同的是由于tsv通孔通常深寬比較大，約在1： 1與10： 1之間。由于在電鍍過程中孔口電力線比較密集，若采取傳 統(tǒng)電鍍丁藝，孔口將快速生長，導致孔洞閉合，使孔內(nèi)難以得到金屬 沉積。因此tsv工藝屮通常對鍍液進行調(diào)整來滿足工藝要求，即在鍍 液中添加加速劑、抑制劑和整平劑。最常用的加速劑是聚二硫二丙烷 磺酸鈉（sps）, sps能在電鍍中起到催化作用,提高cu2+沉積速率7； 最常

8、用抑制劑為聚乙二醇（peg）, peg的存在能較大的抑制電極的活 性，從而降低沉積速率。最常用的整平劑為煙魯綠（jgb）。由于peg 分了鏈較大，不容易進入通孔內(nèi)部，從而容易聚集在孔口，使得孔口 處金屬生長得到抑制8。相反sps由于分子量較小，更容易進入通 孔內(nèi)部，特別是聚集在通孔底部，使得通孔底部的金屬生長得到加速。 jgb在生產(chǎn)中是不可缺少的添加劑，它的存在有利于加速劑向微孔中 傳質9,同時jgb會與peg純在協(xié)同作用，將產(chǎn)牛2倍于單獨添加 劑的抑制效果10 o在加速劑、抑制劑和整平劑的共同作用下金屬化 過程口底部而上，使整個通孔都得到填充。1.4化學機械拋光、芯片減薄和鍵合通孔金屬化后的芯片將進行化學機械拋光（cmp）,去除多余的沉 積金屬；然后進行減薄，通過打磨使得芯片底部露出tsv金屬，以便 進行芯片間的鍵合。由于目前多層芯片集成中每層芯片的厚度多在 100m以下，若減薄過程工藝不當可能造成芯片翹曲、下垂、表面損 傷擴大或晶片破裂，因此，薄芯片的強化和支撐也是tsv的技術難點。 如圖2e所示，通常采用在需要加工的芯片表面粘結一片晶圓片作為 支撐，然后對tsv芯片底部進行減?。▓D2f）,加工完成后移除支撐 晶圓片(圖2h)。減薄后的芯片將經(jīng)過鍵合實現(xiàn)機械和電連接，鍵合 的方法有：cu-cu鍵合、有機粘接、熔合、焊接等手段。冃前采用t