3D封裝與硅通孔TSV工藝技術(shù)

1、目錄41235 疊層芯片封裝技術(shù)，簡稱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

2、芯片在垂直芯片方向上互連形成3D結(jié)構(gòu)。3D封裝形式封裝形式TSV技術(shù)簡介在各類基板內(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來實(shí)現(xiàn)立體封裝。TSV技術(shù)簡介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。TSV技術(shù)簡介 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)簡介圖b圖a3D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)

3、簡介TSV (through silicon via)穿透硅通孔技術(shù)，簡稱硅通孔技術(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)技術(shù)TSV技術(shù)簡介圖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)是通過在芯片

4、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)簡介硅通孔技術(shù)(TSV)示意圖通孔的形成 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(

5、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)簡介TSV技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)由于TSV工藝的內(nèi)連接長度可能是最短的，可以減小信號(hào)傳輸過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(b

6、us)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，但都是通過總線互連，因此不具備TSV的高帶寬優(yōu)勢，因?yàn)門SV是直接連接項(xiàng)部芯片和底部芯片的。TSV技術(shù)簡介(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

7、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)簡介通孔的形成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。通常氧化物(SiO2)絕緣層可以使用硅烷(SiH4)或TEOS（硅酸乙酯）通過CVD（化學(xué)氣相沉積）工藝沉積獲得。銅通孔中，TiN粘附/阻擋層和銅種子層都通過濺射來沉積。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

8、形式存在的氣體干法刻蝕是用以等離子體形式存在的氣體進(jìn)行進(jìn)行薄膜刻蝕的一項(xiàng)技術(shù)，具有薄膜刻蝕的一項(xiàng)技術(shù)，具有兩個(gè)特點(diǎn)：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干法刻蝕將晶片放置于液態(tài)化

9、學(xué)腐蝕液中進(jìn)行的腐蝕稱為濕法腐蝕濕法腐蝕。在腐蝕過程中，腐蝕液通過化學(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，又分為以及。干法刻蝕用來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程是可以重復(fù)的。通孔的形成濕法腐蝕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

10、孔激光鉆孔， UV 激光鉆孔激光鉆孔。CO2 激光鉆孔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 激光鉆孔激光鉆孔利用光化學(xué)裂蝕機(jī)理，通過發(fā)射位于紫外線區(qū)的，激光波長小于 400nm 的高能量光子，使基板材料中長分子鏈高分子有機(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激光鉆孔電化學(xué)刻

11、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)硅溶解的過程，為了實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)刻蝕，通過光生空穴并控制空穴的輸運(yùn)過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)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，理論上通常可以達(dá)到 200 以上。通孔的形成光輔助電化學(xué)刻蝕光輔助電化學(xué)刻蝕芯片減薄無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。一般來說，較為先進(jìn)的多層封裝使用的芯片厚度都在100m以下。長遠(yuǎn)來說，根據(jù)目

12、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)中扮演越來越重要的角色，其應(yīng)用范圍也會(huì)越來越廣泛。芯片減薄背景芯片減薄背景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)暮穸葋砣萑虦p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

13、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題變得尤為嚴(yán)重。(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

14、問題，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 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)以上問題，袁嬌嬌等人研究通過對(duì)硅晶圓進(jìn)行局部減薄來實(shí)現(xiàn)的局部減薄，即將硅晶圓的大部分減薄 利用沒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對(duì)硅晶圓局部刻蝕一定深度以達(dá)到局部減薄的目的。n存在的問題：存在的問題：干法刻蝕：干法刻蝕用來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

15、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程是可以重復(fù)的。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。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程原理示意圖TSV鍵合技術(shù)TSV鍵合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,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

16、-銅鍵合在350400溫度下施加壓力超過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)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, 2015年前將有數(shù)以百萬計(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%。v首先是超薄硅圓片技術(shù)v其次是高密度互連的散熱問題v再者是3D封裝與目前封裝工藝的兼容性問題, 包括兼容的工藝設(shè)備和工具, 這涉及到成本問題。v且未形成一套統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及系統(tǒng)的評(píng)價(jià)檢測體系。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封裝中的圓片減薄技術(shù)J.電子與封裝,200