Emballasjeteknologi er en av de viktigste prosessene i halvlederindustrien. I henhold til formen på pakken kan den deles inn i stikkontaktpakke, overflatemonteringspakke, BGA-pakke, brikkestørrelsespakke (CSP), enkeltbrikkemodulpakke (SCM, gapet mellom ledningene på kretskortet (PCB) og integrerte kretser (IC)-kortputematcher), multi-chip-modulpakke (MCM, som kan integrere heterogene brikker), wafer-nivåpakke (WLP, inkludert fan-out wafer level-pakke (FOWLP), mikro overflatemonterte komponenter (microSMD), etc.), tredimensjonal pakke (micro bump interconnect-pakke, TSV-interconnect-pakke, etc.), systempakke (SIP), chipsystem (SOC).
Formene for 3D-emballasje er hovedsakelig delt inn i tre kategorier: begravd type (begraver enheten i flerlags ledninger eller begravd i substratet), aktiv substrattype (silisiumwaferintegrasjon: integrer først komponentene og wafersubstratet for å danne et aktivt substrat arranger deretter flerlags sammenkoblingslinjer, og sett sammen andre brikker eller komponenter på topplaget) og stablet type (silisiumskiver stablet med; silisiumskiver, sjetonger stablet med silisiumskiver og sjetonger stablet med sjetonger).
3D-sammenkoblingsmetoder inkluderer wire bonding (WB), flip chip (FC), gjennom silisium via (TSV), filmleder, etc.
TSV realiserer vertikal sammenkobling mellom brikker. Siden den vertikale sammenkoblingslinjen har den korteste avstanden og høyere styrke, er det lettere å realisere miniatyrisering, høy tetthet, høy ytelse og multifunksjonell heterogen strukturemballasje. Samtidig kan den også koble sammen brikker av forskjellige materialer;
for tiden er det to typer produksjonsteknologier for mikroelektronikk som bruker TSV-prosessen: tredimensjonal kretspakning (3D IC-integrasjon) og tredimensjonal silisiumemballasje (3D Si-integrasjon).
Forskjellen mellom de to formene er at:
(1) 3D-kretsemballasje krever at brikkeelektrodene forberedes til støt, og støtene er sammenkoblet (bundet ved binding, fusjon, sveising, etc.), mens 3D silisiumemballasje er en direkte sammenkobling mellom sjetonger (binding mellom oksider og Cu -Cu-binding).
(2) 3D-kretsintegrasjonsteknologi kan oppnås ved binding mellom wafere (3D-kretsemballasje, 3D-silisiumemballasje), mens brikke-til-brikke-binding og brikke-til-wafer-binding kun kan oppnås ved 3D-kretspakking.
(3) Det er hull mellom brikkene integrert av 3D-kretspakkingsprosessen, og dielektriske materialer må fylles for å justere den termiske ledningsevnen og den termiske ekspansjonskoeffisienten til systemet for å sikre stabiliteten til de mekaniske og elektriske egenskapene til systemet; det er ingen hull mellom brikkene som er integrert av 3D-silisiumpakkeprosessen, og strømforbruket, volumet og vekten til brikken er liten, og den elektriske ytelsen er utmerket.
TSV-prosessen kan konstruere en vertikal signalbane gjennom substratet og koble RDL på toppen og bunnen av substratet for å danne en tredimensjonal lederbane. Derfor er TSV-prosessen en av de viktige hjørnesteinene for å konstruere en tredimensjonal passiv enhetsstruktur.
I henhold til rekkefølgen mellom front end of line (FEOL) og back end of line (BEOL), kan TSV-prosessen deles inn i tre mainstream produksjonsprosesser, nemlig via first (ViaFirst), via middle (Via Middle) og via siste (Via Last) prosess, som vist i figuren.
1. Via etseprosess
Via-etsingsprosessen er nøkkelen til produksjon av TSV-struktur. Å velge en passende etseprosess kan effektivt forbedre den mekaniske styrken og de elektriske egenskapene til TSV, og videre relatert til den generelle påliteligheten til TSV tredimensjonale enheter.
For tiden er det fire mainstream TSV via etseprosesser: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), våtetsing, fotoassistert elektrokjemisk etsing (PAECE) og laserboring.
(1) Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
Dypreaktiv ioneetsing, også kjent som DRIE-prosess, er den mest brukte TSV-etseprosessen, som hovedsakelig brukes til å realisere TSV via strukturer med høyt sideforhold. Tradisjonelle plasmaetseprosesser kan generelt bare oppnå en etsedybde på flere mikron, med lav etsehastighet og mangel på etsemaskeselektivitet. Bosch har gjort tilsvarende prosessforbedringer på dette grunnlaget. Ved å bruke SF6 som en reaktiv gass og frigjøre C4F8-gass under etseprosessen som en passiveringsbeskyttelse for sideveggene, er den forbedrede DRIE-prosessen egnet for etsing av viaas med høyt sideforhold. Derfor kalles den også Bosch-prosessen etter oppfinneren.
Figuren nedenfor er et bilde av et høyt sideforhold via dannet ved å etse DRIE-prosessen.
Selv om DRIE-prosessen er mye brukt i TSV-prosessen på grunn av dens gode kontrollerbarhet, er dens ulempe at sideveggens flathet er dårlig og kamskjellformede rynkedefekter vil bli dannet. Denne defekten er mer signifikant ved etsing av viaer med høyt sideforhold.
(2) Våtetsing
Våtetsing bruker en kombinasjon av maske og kjemisk etsing for å etse gjennom hull. Den mest brukte etseløsningen er KOH, som kan etse posisjonene på silisiumsubstratet som ikke er beskyttet av masken, og dermed danne den ønskede gjennomhullsstrukturen. Våtetsing er den tidligste gjennomhulletseprosessen utviklet. Siden prosesstrinn og nødvendig utstyr er relativt enkle, er det egnet for masseproduksjon av TSV til lave kostnader. Imidlertid bestemmer dens kjemiske etsemekanisme at det gjennomgående hullet som dannes ved denne metoden vil bli påvirket av krystallorienteringen til silisiumplaten, noe som gjør det etsede gjennomhullet ikke-vertikalt, men viser et tydelig fenomen med bred topp og smal bunn. Denne defekten begrenser bruken av våtetsing i TSV-produksjon.
(3) Fotoassistert elektrokjemisk etsing (PAECE)
Det grunnleggende prinsippet for fotoassistert elektrokjemisk etsing (PAECE) er å bruke ultrafiolett lys for å akselerere genereringen av elektron-hull-par, og dermed akselerere den elektrokjemiske etseprosessen. Sammenlignet med den mye brukte DRIE-prosessen, er PAECE-prosessen mer egnet for etsing av ultra-store sideforhold gjennom hullstrukturer større enn 100:1, men dens ulempe er at kontrollerbarheten av etsedybden er svakere enn DRIE, og teknologien kan krever ytterligere forskning og prosessforbedring.
(4) Laserboring
Er forskjellig fra de tre ovennevnte metodene. Laserboremetoden er en rent fysisk metode. Den bruker hovedsakelig høyenergilaserbestråling for å smelte og fordampe substratmaterialet i det angitte området for fysisk å realisere gjennomhullskonstruksjonen til TSV.
Det gjennomgående hullet dannet ved laserboring har et høyt sideforhold og sideveggen er i utgangspunktet vertikal. Men siden laserboring faktisk bruker lokal oppvarming for å danne det gjennomgående hullet, vil hullveggen til TSV bli negativt påvirket av termisk skade og redusere påliteligheten.
2. Liner lag avsetningsprosess
En annen nøkkelteknologi for produksjon av TSV er avsetningsprosessen for foringslag.
Avsetningsprosessen for foringslag utføres etter at det gjennomgående hullet er etset. Det avsatte foringssjiktet er vanligvis et oksid slik som SiO2. Foringslaget er plassert mellom den indre lederen til TSV og underlaget, og spiller hovedsakelig rollen som å isolere likestrømlekkasje. I tillegg til å avsette oksid, kreves det også barriere- og frølag for lederfylling i neste prosess.
Det produserte foringslaget må oppfylle følgende to grunnleggende krav:
(1) sammenbruddsspenningen til det isolerende laget skal oppfylle de faktiske arbeidskravene til TSV;
(2) de avsatte lagene er svært konsistente og har god vedheft til hverandre.
Følgende figur viser et bilde av foringslaget avsatt ved plasmaforsterket kjemisk dampavsetning (PECVD).
Deponeringsprosessen må justeres tilsvarende for ulike TSV-produksjonsprosesser. For den fremre gjennomhullsprosessen kan en høytemperaturavsetningsprosess brukes for å forbedre kvaliteten på oksidlaget.
Typisk høytemperaturavsetning kan være basert på tetraetylortosilikat (TEOS) kombinert med termisk oksidasjonsprosess for å danne et svært konsistent høykvalitets SiO2-isolasjonslag. For den midterste gjennom-hulls- og bak-gjennom-hullsprosessen, siden BEOL-prosessen har blitt fullført under deponering, kreves en lavtemperaturmetode for å sikre kompatibilitet med BEOL-materialer.
Under denne betingelsen bør avsetningstemperaturen begrenses til 450°, inkludert bruk av PECVD for å avsette SiO2 eller SiNx som et isolerende lag.
En annen vanlig metode er å bruke atomlagdeponering (ALD) for å avsette Al2O3 for å oppnå et tettere isolerende lag.
3. Metallfyllingsprosess
TSV-fyllingsprosessen utføres umiddelbart etter foringsavsetningsprosessen, som er en annen nøkkelteknologi som bestemmer kvaliteten på TSV.
Materialene som kan fylles inkluderer dopet polysilisium, wolfram, karbon nanorør, etc. avhengig av prosessen som brukes, men den mest vanlige er fortsatt elektroplettert kobber, fordi prosessen er moden og dens elektriske og termiske ledningsevne er relativt høy.
I henhold til fordelingsforskjellen for galvaniseringshastigheten i det gjennomgående hullet, kan den hovedsakelig deles inn i subkonforme, konforme, superkonforme og nedenfra og opp galvaniseringsmetoder, som vist i figuren.
Subkonform galvanisering ble hovedsakelig brukt i det tidlige stadiet av TSV-forskning. Som vist i figur (a), er Cu-ionene tilveiebrakt ved elektrolyse konsentrert på toppen, mens bunnen er utilstrekkelig supplert, noe som fører til at galvaniseringshastigheten på toppen av det gjennomgående hullet er høyere enn under toppen. Derfor vil toppen av det gjennomgående hullet lukkes på forhånd før det er helt fylt, og det vil dannes et stort tomrom inni.
Det skjematiske diagrammet og bildet av den konforme galvaniseringsmetoden er vist i figur (b). Ved å sikre ensartet tilskudd av Cu-ioner, er galvaniseringshastigheten i hver posisjon i det gjennomgående hullet i utgangspunktet den samme, så bare en søm vil være igjen inne, og hulromsvolumet er mye mindre enn for den subkonforme galvaniseringsmetoden, så det er mye brukt.
For ytterligere å oppnå en tomromsfri fyllingseffekt, ble den superkonforme galvaniseringsmetoden foreslått for å optimalisere den konforme galvaniseringsmetoden. Som vist i figur (c), ved å kontrollere tilførselen av Cu-ioner, er fyllingshastigheten i bunnen litt høyere enn ved andre posisjoner, og optimaliserer dermed trinngradienten til fyllingshastigheten fra bunn til topp for å eliminere sømmen som er igjen. ved den konforme galvaniseringsmetoden, for å oppnå fullstendig hulromsfri metallkobberfylling.
Bottom-up galvaniseringsmetoden kan betraktes som et spesialtilfelle av den superkonforme metoden. I dette tilfellet blir galvaniseringshastigheten unntatt bunnen undertrykt til null, og bare galvaniseringen utføres gradvis fra bunnen til toppen. I tillegg til den tomromsfrie fordelen med den konforme galvaniseringsmetoden, kan denne metoden også effektivt redusere den totale galvaniseringstiden, så den har blitt mye studert de siste årene.
4. RDL prosessteknologi
RDL-prosessen er en uunnværlig grunnteknologi i den tredimensjonale pakkeprosessen. Gjennom denne prosessen kan metallforbindelser produseres på begge sider av substratet for å oppnå formålet med portomfordeling eller sammenkobling mellom pakker. Derfor er RDL-prosessen mye brukt i fan-in-fan-out eller 2.5D/3D pakkesystemer.
I prosessen med å bygge tredimensjonale enheter, brukes RDL-prosessen vanligvis til å koble sammen TSV for å realisere en rekke tredimensjonale enhetsstrukturer.
Det er for tiden to vanlige RDL-prosesser. Den første er basert på lysfølsomme polymerer og kombinert med kobbergalvanisering og etseprosesser; den andre er implementert ved å bruke Cu Damaskus-prosessen kombinert med PECVD og kjemisk mekanisk poleringsprosess (CMP).
Det følgende vil introdusere de vanlige prosessbanene til henholdsvis disse to RDL-ene.
RDL-prosessen basert på lysfølsom polymer er vist i figuren ovenfor.
Først blir et lag med PI- eller BCB-lim belagt på overflaten av waferen ved rotasjon, og etter oppvarming og herding brukes en fotolitografiprosess for å åpne hull i ønsket posisjon, og deretter utføres etsing. Deretter, etter fjerning av fotoresisten, sputteres Ti og Cu på waferen gjennom en fysisk dampavsetningsprosess (PVD) som henholdsvis et barrierelag og et frølag. Deretter produseres det første laget av RDL på det eksponerte Ti/Cu-laget ved å kombinere fotolitografi og elektroplettering av Cu-prosesser, og deretter fjernes fotoresisten og overflødig Ti og Cu etses bort. Gjenta trinnene ovenfor for å danne en flerlags RDL-struktur. Denne metoden er for tiden mer utbredt i industrien.
En annen metode for å produsere RDL er hovedsakelig basert på Cu Damaskus-prosessen, som kombinerer PECVD- og CMP-prosesser.
Forskjellen mellom denne metoden og RDL-prosessen basert på lysfølsom polymer er at i det første trinnet med å produsere hvert lag, brukes PECVD til å avsette SiO2 eller Si3N4 som et isolerende lag, og deretter dannes et vindu på det isolerende laget ved fotolitografi og reaktiv ioneetsing, og Ti/Cu-barriere/frølag og lederkobber sputteres henholdsvis, og deretter tynnes lederlaget til nødvendig tykkelse ved CMP-prosess, det vil si at det dannes et lag med RDL eller gjennomhullslag.
Følgende figur er et skjematisk diagram og bilde av tverrsnittet av en flerlags RDL konstruert basert på Cu Damaskus-prosessen. Det kan observeres at TSV først kobles til det gjennomgående hulllaget V01, og deretter stablet fra bunn til topp i størrelsesorden RDL1, gjennomhullslag V12 og RDL2.
Hvert lag av RDL eller gjennomhullslag produseres i rekkefølge i henhold til metoden ovenfor.Siden RDL-prosessen krever bruk av CMP-prosessen, er produksjonskostnaden høyere enn for RDL-prosessen basert på fotosensitiv polymer, så bruken er relativt lav.
5. IPD prosessteknologi
For produksjon av tredimensjonale enheter, i tillegg til direkte integrasjon på brikke på MMIC, gir IPD-prosessen en annen mer fleksibel teknisk vei.
Integrerte passive enheter, også kjent som IPD-prosess, integrerer enhver kombinasjon av passive enheter, inkludert on-chip induktorer, kondensatorer, motstander, balun-omformere osv. på et separat substrat for å danne et passivt enhetsbibliotek i form av et overføringskort som kan kalles fleksibelt i henhold til designkrav.
Siden i IPD-prosessen produseres passive enheter og direkte integrert på overføringskortet, er prosessflyten enklere og rimeligere enn integrasjon av IC-er på brikken, og kan masseproduseres på forhånd som et passivt enhetsbibliotek.
For produksjon av tredimensjonale passive enheter av TSV kan IPD effektivt kompensere for kostnadsbyrden ved tredimensjonale pakkeprosesser, inkludert TSV og RDL.
I tillegg til kostnadsfordeler, er en annen fordel med IPD dens høye fleksibilitet. En av fleksibiliteten til IPD gjenspeiles i de forskjellige integreringsmetodene, som vist i figuren nedenfor. I tillegg til de to grunnleggende metodene for direkte integrering av IPD i pakkesubstratet gjennom flip-chip-prosessen som vist i figur (a) eller bindingsprosessen som vist i figur (b), kan et annet lag med IPD integreres på ett lag av IPD som vist i figurene (c)-(e) for å oppnå et bredere spekter av passive enhetskombinasjoner.
Samtidig, som vist i figur (f), kan IPD-en videre brukes som et adapterkort for å direkte begrave den integrerte brikken på den for direkte å bygge et emballasjesystem med høy tetthet.
Når du bruker IPD til å bygge tredimensjonale passive enheter, kan TSV-prosess og RDL-prosess også brukes. Prosessflyten er i utgangspunktet den samme som den ovennevnte prosesseringsmetoden på brikken, og vil ikke bli gjentatt; forskjellen er at siden integrasjonsobjektet endres fra brikke til adapterkort, er det ikke nødvendig å vurdere virkningen av den tredimensjonale pakkeprosessen på det aktive området og sammenkoblingslaget. Dette fører videre til en annen nøkkelfleksibilitet for IPD: en rekke substratmaterialer kan velges fleksibelt i henhold til designkravene til passive enheter.
Substratmaterialene som er tilgjengelige for IPD er ikke bare vanlige halvledersubstratmaterialer som Si og GaN, men også Al2O3-keramikk, lav-/høytemperatur sambrent keramikk, glasssubstrater, etc. Denne funksjonen utvider effektivt designfleksibiliteten til passive materialer. enheter integrert av IPD.
For eksempel kan den tredimensjonale passive induktorstrukturen integrert av IPD bruke et glasssubstrat for å effektivt forbedre ytelsen til induktoren. I motsetning til konseptet med TSV, kalles de gjennomgående hullene som er laget på glasssubstratet også gjennomgående glass-vias (TGV). Bildet av den tredimensjonale induktoren produsert basert på IPD- og TGV-prosesser er vist i figuren nedenfor. Siden resistiviteten til glasssubstratet er mye høyere enn for konvensjonelle halvledermaterialer som Si, har den tredimensjonale TGV-induktoren bedre isolasjonsegenskaper, og innsettingstapet forårsaket av substratets parasittiske effekt ved høye frekvenser er mye mindre enn for den konvensjonelle TSV tredimensjonale induktoren.
På den annen side kan metall-isolator-metall (MIM) kondensatorer også produseres på glasssubstratet IPD gjennom en tynnfilmavsetningsprosess, og kobles sammen med den tredimensjonale TGV-induktoren for å danne en tredimensjonal passiv filterstruktur. Derfor har IPD-prosessen et bredt anvendelsespotensial for utvikling av nye tredimensjonale passive enheter.
Innleggstid: 12. november 2024