A csomagolástechnika az egyik legfontosabb folyamat a félvezetőiparban. A csomag alakja szerint felosztható aljzatcsomagra, felületre szerelhető csomagra, BGA-csomagra, chip méretű csomagra (CSP), egylapkás modulcsomagra (SCM, a nyomtatott áramköri lapon lévő vezetékek közötti hézag (PCB)) és az integrált áramköri (IC) kártyapárna illeszkedik), többchipes modulcsomag (MCM, amely heterogén chipeket képes integrálni), wafer szintű csomag (WLP, beleértve a fan-out wafer level csomagot (FOWLP), mikro felületre szerelhető alkatrészek (microSMD) stb.), háromdimenziós csomag (micro bump interconnect csomag, TSV interconnect csomag stb.), rendszercsomag (SIP), chiprendszer (SOC).
A 3D-s csomagolás formáit alapvetően három kategóriába sorolják: eltemetett típus (az eszköz többrétegű huzalozásba vagy az aljzatba temetve), aktív hordozótípus (szilícium lapka integráció: először integrálja a komponenseket és az ostyahordozót, hogy aktív hordozót képezzen). majd rendezze el a többrétegű összekötő vezetékeket, és szereljen fel más chipeket vagy alkatrészeket a felső rétegre) és halmozott típusú (szilícium lapkák egymásra rakva); szilícium ostyák, szilícium lapkákkal halmozott chipek és chipekkel halmozott chipek).
A 3D összekapcsolási módszerek közé tartozik a vezetékes kötés (WB), a flip chip (FC), a szilíciumon keresztül (TSV), a filmvezető stb.
A TSV függőleges összekapcsolást valósít meg a chipek között. Mivel a függőleges összekötő vezeték a legrövidebb távolsággal és nagyobb szilárdsággal rendelkezik, könnyebb megvalósítani a miniatürizálást, a nagy sűrűséget, a nagy teljesítményt és a többfunkciós heterogén szerkezetű csomagolást. Ugyanakkor különböző anyagokból készült chipeket is képes összekapcsolni;
Jelenleg kétféle mikroelektronikai gyártási technológia létezik TSV-eljárást alkalmazva: háromdimenziós áramkör-csomagolás (3D IC integráció) és háromdimenziós szilíciumcsomagolás (3D Si integráció).
A két forma közötti különbség a következő:
(1) A 3D-s áramköri csomagoláshoz a chipelektródákat dudorokká kell előkészíteni, és a dudorokat össze kell kötni (ragasztással, olvasztással, hegesztéssel stb.), míg a 3D-s szilícium-csomagolás a chipek közötti közvetlen összekapcsolást jelenti (oxidok és réz közötti kötés). -Cu kötés).
(2) A 3D-s áramkör-integrációs technológia ostyák (3D-s áramkör-csomagolás, 3D-s szilícium-csomagolás) kötésével érhető el, míg a chip-chip kötés és a chip-ostya kötés csak 3D-s áramkör-csomagolással valósítható meg.
(3) A 3D-s áramkör-csomagolási eljárással integrált chipek között rések vannak, és dielektromos anyagokat kell kitölteni a rendszer hővezető képességének és hőtágulási együtthatójának beállításához, hogy biztosítsák a rendszer mechanikai és elektromos tulajdonságainak stabilitását; a 3D szilíciumcsomagolási eljárással integrált chipek között nincsenek hézagok, a chip energiafogyasztása, térfogata és súlya kicsi, elektromos teljesítménye pedig kiváló.
A TSV-folyamat függőleges jelutat tud kialakítani a hordozón keresztül, és összekapcsolja az RDL-t a hordozó tetején és alján, hogy háromdimenziós vezetőutat képezzen. Ezért a TSV folyamat a háromdimenziós passzív eszközszerkezet felépítésének egyik fontos sarokköve.
A sor front end of line (FEOL) és a back end of line (BEOL) sorrendje szerint a TSV folyamat három fő gyártási folyamatra osztható, nevezetesen az elsőn (ViaFirst), a középen (Via Middle) és utolsó (Via Last) folyamaton keresztül, amint az az ábrán látható.
1. Maratási eljárással
A maratási folyamat a kulcsa a TSV-struktúra gyártásának. A megfelelő maratási eljárás kiválasztása hatékonyan javíthatja a TSV mechanikai szilárdságát és elektromos tulajdonságait, és ez további összefüggésben áll a TSV háromdimenziós eszközök általános megbízhatóságával.
Jelenleg négy fő TSV-t alkalmaznak maratási eljárásokon keresztül: mélyreaktív ionmaratással (DRIE), nedves maratással, foto-asszisztált elektrokémiai maratással (PAECE) és lézerfúrással.
(1) Mélyreaktív ionmaratás (DRIE)
A mélyreaktív ionmaratás, más néven DRIE eljárás, a leggyakrabban használt TSV maratási eljárás, amelyet főként a TSV magas képarányú szerkezeteken keresztül történő megvalósítására használnak. A hagyományos plazmamaratási eljárásokkal általában csak több mikronos maratási mélység érhető el, alacsony maratási sebesség mellett, és a maratási maszk szelektivitása hiányzik. A Bosch ennek alapján megfelelő folyamatfejlesztéseket hajtott végre. Az SF6 reaktív gázként való felhasználásával és a maratási folyamat során a C4F8 gáz felszabadulásával az oldalfalak passzivációvédelmeként, a továbbfejlesztett DRIE eljárás alkalmas nagy oldalarányú átmenetek maratására. Ezért feltalálója után Bosch-eljárásnak is nevezik.
Az alábbi ábra egy nagy képarányú fotó, amely a DRIE eljárással készült maratással készült.
Bár a DRIE eljárást széles körben alkalmazzák a TSV eljárásban jó irányíthatósága miatt, hátránya, hogy rossz az oldalfal síksága, és kagyló alakú ránchibák képződnek. Ez a hiba még jelentősebb nagy képarányú átmenetek maratásakor.
(2) Nedves maratás
A nedves maratás a maszk és a kémiai maratás kombinációját használja a lyukak maratásához. A leggyakrabban használt maratási megoldás a KOH, amely a szilícium hordozón a maszk által nem védett pozíciókat maratja, így kialakítva a kívánt átmenő furat szerkezetet. A nedves maratás a legkorábbi kifejlesztett átmenő lyukmaratási eljárás. Mivel a folyamat lépései és a szükséges felszerelések viszonylag egyszerűek, alacsony költséggel alkalmas TSV tömeggyártásra. Kémiai maratási mechanizmusa azonban meghatározza, hogy az ezzel a módszerrel kialakított átmenő lyukat befolyásolja a szilícium lapka kristály orientációja, így a maratott átmenő lyuk nem függőleges, de egyértelmű jelenséget mutat a széles felső és keskeny alsó rész. Ez a hiba korlátozza a nedves maratás alkalmazását a TSV gyártásban.
(3) Fényképes elektrokémiai maratás (PAECE)
A foto-asszisztált elektrokémiai maratás (PAECE) alapelve az, hogy ultraibolya fényt használnak az elektron-lyuk párok képződésének felgyorsítására, ezáltal felgyorsítva az elektrokémiai maratási folyamatot. Az elterjedt DRIE eljáráshoz képest a PAECE eljárás alkalmasabb ultranagy, 100:1-nél nagyobb átmenőfurat-szerkezetek maratására, hátránya azonban, hogy a maratási mélység szabályozhatósága gyengébb, mint a DRIE, technológiája pedig további kutatást és folyamatfejlesztést igényel.
(4) Lézeres fúrás
Eltér a fenti három módszertől. A lézeres fúrási módszer tisztán fizikai módszer. Főleg nagy energiájú lézeres besugárzást használ a szubsztrátum anyagának megolvasztására és elpárologtatására a megadott területen, hogy fizikailag megvalósítsa a TSV átmenő furat felépítését.
A lézeres fúrással kialakított átmenő furat nagy oldalarányú, oldalfala alapvetően függőleges. Mivel azonban a lézerfúrás helyi fűtést használ az átmenő furat kialakításához, a TSV furatfalát negatívan befolyásolja a hőkárosodás, és csökkenti a megbízhatóságot.
2. Bélésréteg-lerakódási eljárás
A TSV gyártásának másik kulcsfontosságú technológiája a bélésréteg-lerakódási eljárás.
A bélésréteg felvitele az átmenő lyuk maratása után történik. A leválasztott bélésréteg általában oxid, például SiO2. A bélésréteg a TSV belső vezetője és a hordozó között helyezkedik el, és főként az egyenáram-szivárgás leválasztását tölti be. A következő folyamat során az oxid felhordása mellett gát- és magrétegre is szükség van a vezető feltöltéséhez.
A legyártott bélésrétegnek a következő két alapvető követelménynek kell megfelelnie:
(1) a szigetelőréteg áttörési feszültségének meg kell felelnie a TSV tényleges működési követelményeinek;
(2) a lerakódott rétegek nagyon konzisztensek és jól tapadnak egymáshoz.
A következő ábra a plazmaerősített kémiai gőzleválasztással (PECVD) leválasztott bélésréteg fényképét mutatja.
A leválasztási folyamatot ennek megfelelően be kell állítani a különböző TSV gyártási folyamatokhoz. Az elülső átmenőlyuk eljárásnál magas hőmérsékletű leválasztási eljárás alkalmazható az oxidréteg minőségének javítására.
A tipikus magas hőmérsékletű leválasztás alapja lehet a tetraetil-ortoszilikát (TEOS), amelyet termikus oxidációs eljárással kombinálnak, és így rendkívül konzisztens, jó minőségű SiO2 szigetelőréteget képeznek. A középső átmenő furat és a hátsó átmenő lyuk eljárásnál, mivel a BEOL folyamat a lerakás során befejeződött, alacsony hőmérsékletű módszerre van szükség a BEOL anyagokkal való kompatibilitás biztosítása érdekében.
Ilyen körülmények között a leválasztási hőmérsékletet 450°-ra kell korlátozni, beleértve a PECVD használatát SiO2 vagy SiNx leválasztására szigetelőrétegként.
Egy másik elterjedt módszer az atomos rétegleválasztás (ALD) alkalmazása az Al2O3 leválasztására, hogy sűrűbb szigetelőréteget kapjunk.
3. Fém töltési folyamat
A TSV töltési folyamatot közvetlenül a bélés lerakási folyamata után hajtják végre, ami egy másik kulcsfontosságú technológia, amely meghatározza a TSV minőségét.
A tölthető anyagok közé tartozik az alkalmazott eljárástól függően adalékolt poliszilícium, wolfram, szén nanocsövek stb., de a legelterjedtebb továbbra is a galvanizált réz, mert eljárása érett, elektromos és hővezető képessége viszonylag magas.
Galvanizálási arányának eloszlási különbsége szerint az átmenőlyukban, az ábrán látható módon főként szubkonformális, konformális, szuperkonformális és alulról felfelé irányuló galvanizálási módszerekre osztható.
A szubkonformális galvanizálást főként a TSV-kutatás korai szakaszában alkalmazták. Amint az (a) ábrán látható, az elektrolízis által biztosított rézionok a tetején koncentrálódnak, míg az alsó rész hiányosan van kiegészítve, ami miatt az átmenő furat tetején a galvanizálási sebesség nagyobb, mint a tetején. Ezért az átmenő lyuk tetejét előre le kell zárni, mielőtt teljesen feltöltődne, és nagy üreg képződik benne.
A konform galvanizálási módszer sematikus diagramja és fotója a (b) ábrán látható. A rézionok egyenletes kiegészítésének biztosításával az átmenő furat minden pozíciójában a galvanizálási sebesség alapvetően azonos, így csak egy varrat marad benne, és az üreg térfogata jóval kisebb, mint a szubkonformális galvanizálási módszernél, így széles körben használják.
Az üregmentes kitöltő hatás további elérése érdekében a szuperkonformális galvanizálási módszert javasoltuk a konformális galvanizálási módszer optimalizálására. Ahogy a (c) ábrán látható, a rézion-ellátás szabályozásával a töltési sebesség alul valamivel magasabb, mint más pozíciókban, ezáltal optimalizálva a töltési sebesség lépcsőzetes gradiensét alulról felfelé a bal oldali varrat teljes kiküszöbölése érdekében. konform galvanizálási módszerrel, hogy teljesen hézagmentes fémréz kitöltést érjünk el.
Az alulról felfelé történő galvanizálási módszer a szuperkonformális módszer speciális esetének tekinthető. Ebben az esetben az alsó kivételével a galvanizálási sebességet nullára csökkentik, és csak a galvanizálást hajtják végre fokozatosan alulról felfelé. A konformális galvanizálási módszer üregmentes előnye mellett ez a módszer hatékonyan csökkenti a teljes galvanizálási időt is, ezért az elmúlt években széles körben tanulmányozták.
4. RDL folyamattechnológia
Az RDL eljárás a háromdimenziós csomagolási folyamat nélkülözhetetlen alaptechnológiája. Ezzel az eljárással fém összeköttetések készíthetők a hordozó mindkét oldalán, hogy elérjék a portok újraelosztását vagy a csomagok közötti összekapcsolást. Ezért az RDL eljárást széles körben alkalmazzák a ventilátor-be-fan-out vagy 2,5D/3D csomagolórendszerekben.
A háromdimenziós eszközök építése során az RDL folyamatot általában a TSV összekapcsolására használják, hogy különféle háromdimenziós eszközstruktúrákat alakítsanak ki.
Jelenleg két fő RDL-folyamat létezik. Az első fényérzékeny polimereken alapul, és réz galvanizálási és maratási eljárásokkal kombinálva; a másikat Cu Damascus eljárással valósítják meg PECVD-vel és kémiai mechanikus polírozással (CMP) kombinálva.
A következőkben ennek a két RDL-nek a főfolyamatait mutatjuk be.
A fényérzékeny polimeren alapuló RDL eljárás a fenti ábrán látható.
Először egy réteg PI vagy BCB ragasztót vonnak be az ostya felületére forgatással, majd hevítés és kikeményedés után fotolitográfiás eljárással a kívánt pozícióban nyitják ki a lyukakat, majd maratást végeznek. Ezután a fotoreziszt eltávolítása után a Ti-t és a Cu-t az ostyára permetezzük fizikai gőzlerakódási eljárással (PVD) zárórétegként, illetve magrétegként. Ezt követően az első RDL-réteget a fényezett Ti/Cu-rétegen állítják elő a fotolitográfiás és galvanizálási Cu-eljárások kombinálásával, majd a fotorezisztet eltávolítják, és a felesleges Ti- és Cu-réteget lemarják. Ismételje meg a fenti lépéseket egy többrétegű RDL-struktúra létrehozásához. Ezt a módszert jelenleg szélesebb körben alkalmazzák az iparban.
Az RDL előállításának másik módszere főként a Cu Damascus eljáráson alapul, amely egyesíti a PECVD és CMP folyamatokat.
E módszer és a fényérzékeny polimeren alapuló RDL eljárás között az a különbség, hogy az egyes rétegek gyártásának első lépésében PECVD-vel SiO2 vagy Si3N4 réteget raknak le szigetelőrétegként, majd fotolitográfiával ablakot alakítanak ki a szigetelőrétegen, ill. reaktív ionos maratást, valamint a Ti/Cu gát/mag réteget és a vezetőrezet porlasztják, majd a vezetőréteget CMP-vel a szükséges vastagságra vékonyítják. folyamat, azaz RDL-réteg vagy átmenőlyuk-réteg képződik.
A következő ábra a Cu Damascus eljárás alapján megszerkesztett többrétegű RDL keresztmetszetének vázlatos diagramja és fotója. Megfigyelhető, hogy a TSV először a V01 átmenőlyuk réteghez kapcsolódik, majd alulról felfelé halmozódik fel az RDL1, a V12 átmenőlyuk réteg és az RDL2 sorrendben.
Az RDL vagy átmenő lyukréteg minden egyes rétegét a fenti módszer szerint egymás után gyártják.Mivel az RDL eljárás CMP eljárást igényel, gyártási költsége magasabb, mint a fényérzékeny polimer alapú RDL eljárásé, így alkalmazása viszonylag alacsony.
5. IPD folyamattechnológia
A háromdimenziós eszközök gyártásához az MMIC-en történő közvetlen chip-integráció mellett az IPD-eljárás egy másik rugalmasabb műszaki utat biztosít.
Az integrált passzív eszközök, más néven IPD folyamat, a passzív eszközök bármilyen kombinációját integrálják, beleértve a chipen lévő induktorokat, kondenzátorokat, ellenállásokat, balun-átalakítókat stb. egy külön hordozóra, hogy egy passzív eszközkönyvtárat képezzenek egy átviteli kártya formájában, amely képes rugalmasan hívható a tervezési követelményeknek megfelelően.
Mivel az IPD folyamatban a passzív eszközöket gyártják és közvetlenül az adatátviteli kártyára integrálják, a folyamatfolyama egyszerűbb és olcsóbb, mint az IC-k chipen történő integrálása, és előre tömegesen gyártható passzív eszközkönyvtárként.
A TSV háromdimenziós passzív eszközök gyártásához az IPD hatékonyan ellensúlyozza a háromdimenziós csomagolási folyamatok költségterhét, beleértve a TSV-t és az RDL-t.
A költségelőnyök mellett az IPD másik előnye a nagy rugalmasság. Az IPD egyik rugalmassága a különféle integrációs módszerekben is megmutatkozik, ahogy az alábbi ábrán is látható. Az (a) ábrán látható flip-chip eljárással vagy a (b) ábrán látható kötési folyamaton keresztül az IPD-nek a csomag hordozójába történő közvetlen integrálásának két alapvető módszerén túlmenően, egy másik réteg IPD-t integrálhat egy rétegre. A (c)-(e) ábrákon látható IPD-t a passzív eszközkombinációk szélesebb körének elérése érdekében.
Ugyanakkor, amint az az (f) ábrán látható, az IPD tovább használható adapterkártyaként, hogy az integrált chipet közvetlenül rátemethesse, és így közvetlenül nagy sűrűségű csomagolórendszert építsenek ki.
Ha IPD-t használ háromdimenziós passzív eszközök felépítésére, a TSV folyamat és az RDL folyamat is használható. A folyamat folyamata alapvetően megegyezik a fent említett on-chip integrációs feldolgozási módszerrel, és nem ismétlődik meg; a különbség az, hogy mivel az integráció tárgya chipről adapterkártyára változik, nem kell figyelembe venni a háromdimenziós csomagolási folyamat hatását az aktív területre és az összekapcsolási rétegre. Ez tovább vezet az IPD egy másik kulcsfontosságú rugalmasságához: sokféle hordozóanyag rugalmasan kiválasztható a passzív eszközök tervezési követelményeinek megfelelően.
Az IPD-hez rendelkezésre álló hordozóanyagok nem csak az általános félvezető hordozóanyagok, mint például a Si és a GaN, hanem az Al2O3 kerámiák, az alacsony hőmérsékleten/magas hőmérsékleten együtt égetett kerámiák, az üveghordozók stb. IPD-vel integrált eszközök.
Például az IPD által integrált háromdimenziós passzív tekercsszerkezet üveghordozót használhat az induktor teljesítményének hatékony javítására. Ellentétben a TSV koncepciójával, az üveghordozón kialakított átmenő lyukakat átmenő üvegviának (TGV) is nevezik. Az IPD és TGV eljárások alapján gyártott háromdimenziós induktor fotója az alábbi ábrán látható. Mivel az üveghordozó fajlagos ellenállása jóval nagyobb, mint a hagyományos félvezető anyagoké, mint például a Si, a TGV háromdimenziós induktor jobb szigetelési tulajdonságokkal rendelkezik, és a szubsztrátum parazita hatása által okozott beillesztési veszteség nagy frekvenciákon sokkal kisebb, mint a hordozóé. a hagyományos TSV háromdimenziós induktor.
Másrészt fém-szigetelő-fém (MIM) kondenzátorok is előállíthatók az IPD üveghordozón vékonyréteg-leválasztási eljárással, és összekapcsolhatók a TGV háromdimenziós induktorral, így háromdimenziós passzív szűrőszerkezetet alkotnak. Ezért az IPD-eljárás széles körű alkalmazási potenciállal rendelkezik új, háromdimenziós passzív eszközök fejlesztésére.
Feladás időpontja: 2024.11.12