第四代微电子封装技术―TVS技术及其发展

1、第四代微电子封装技术一tvs技术及其发展第四代微电子封装技术一tvs技术及其发展摘 要：随着微电子制造市二维向三维发展，三维芯片堆叠的 封装方式成为发展的必然方向。但是使用传统金线键合的三维电路封 装技术不仅会占用大量空间，同时会增加能耗、降低运行速度。因此， 可实现芯片直接互联的tsv技术孕育而生。tsv技术叮以使微电子封 装达到最密连接，三维尺寸达到最小；同时tsv技术降低了连接长度, 可有效降低芯片能耗，提高运行速度。在dram芯片制造中使用tsv 技术可以使ic器件的性能大幅度提高，其中基于tsv技术开发的混 合存储立方体（hmc）可以使存储器性能提高20倍，而体积和能耗缩 小到原有l

2、/10o但市于tsv技术本身的缺点使其商业化过程步履艰 难。而tsv技术最大的缺点还是在丁成本太咼。关键词：微电子封装；tsv；金属化；键合；dram引言自1965年“摩尔定律” 1提出以来，微电子器件的密度几乎沿 着“摩尔定律”的预言发展。到了今天，芯片特征尺寸达到22nm, 再想通过降低特征尺寸来提高电路密度不仅会大幅提高成本，还会降 低电路的可靠性。为了提高电路密度，延续或超越“摩尔定律”，微 电子制造由二维向三维发展成为必然。其方法之一就是将芯片堆叠以 后进行封装，市此产生了三维电路封装技术（3d ic packaging）o三 维电路封装技术中，芯片电极是通过金线键合的技术来实现电路

3、的导 通。如图la所示，随着芯片叠层的增加，键合金线将占用大量的空 间。同时rtr丁连接的延长使得电路能耗升高、速度降低。因此，业界 需要一种方法，能够使得硅芯片在堆叠的同时实现电路的导通，从而 避免采用硅芯片以外的线路连接。传统半导体工艺主耍是针对硅圆片 表明进行加工并形成电路，而耍实现硅芯片上下层之间的连接，需要 一种能贯通硅芯片的加工工艺，即tsv技术（图lb）o早在1958年, 半导体的发明人william shockley,在其专利中就提到过硅通孔的 制备方法2。而tsv (through-si 1 icon via)工艺的概念在1990 年代末才提出，香港应用技术研究院和台湾半导体

4、制造公司于1998 年申请相关美国专利3, 4,而关于tsv技术最早的论文发表于2000 年。相比传统金线键合，tsv技术不仅能减少金线所占用的平面 尺寸，由于减少了金线焊点使得z轴方向达到最密连接，三维尺寸达 到最小；同吋tsv技术降低了连接长度，可有效降低芯片能耗，提高 运行速度。(a)金线键合技术(b) tsv技术tsv制造工艺分以下儿个步骤，分别是：通孔制造，绝缘层、阻 挡层制备，通孔金属化，芯片减薄和键合。总得来说tsv技术难度远 大于传统金线键合技术。1. 1 tsv孔制造虽然tsv称为硅通孔技术，但是在加工过程中大多数是对盲孔进 行加工，只有在其后减薄阶段打磨芯片底部，露出填充金

5、属，才使得 孔成为真正的通孔。tsv工艺的第一步就是盲孔的制造(图2d)。tsv 的盲孔制造有三种方法，分别是干法刻蚀、湿法刻蚀和激光钻孔。干 法刻蚀是使用等离了气体轰击材料表面达到刻蚀效果的方法；而湿法 刻蚀是使用化学溶剂來刻蚀材料表面。和比z下干法刻蚀具有刻蚀速 率高、方向性好，可以制造大深宽比的孔、刻蚀速率可控性强等优点， 但是相对成木较高，总得来说干法刻蚀是通孔制造中最常用的方法 6。而激光打孔加工速率更高，但是由于热损伤使得通孔的精度下 降，因此使用较少。1.2绝缘层、阻挡层制备如图2 b所示，由于si是半导体，通常在si基体上沉积金属前 都需要制备一层绝缘层，绝缘层为si02或si

6、nx,通过增强等离了体 化学气相沉积(pecvd)方法制备。另外为了防止金属扩散进入基体， 还需要在绝缘层上制备一层阻挡层。阻挡层通常由tinx组成，通过 有机金属化学气相沉积(m0cvd)制备。1. 3通孔金属化目前tsv金属化过程中最常用的金属是cuo通孔金属化是tsv 技术中的难点，其成木占tsv工艺成本40%以上。通常芯片制造中， 金属导体层通过物理气相沉积（pvd）方法制备。相对只有几十纳米 的导线，若宽度达到5100m、深度达到5030m的tsv通孔也用pvd 方法制备，其所耗费的时间就是业界所不能允许的。因此tsv中通孔 金属化通常是使用电镀的方法來进行。但是由于si基体导电性差

7、， 不适合进行电沉积，所以金属化必须分两步完成金属化：先使用pvd 方法沉积厚度为数个纳米的种子层（图2c）,使得硅基板具有导电性， 然后在进行电镀过程来完成金属化（图2d）。此方法与大马士革电镀 相似。与大马士革电镀不同的是由于tsv通孔通常深宽比较大，约在1： 1与10： 1之间。由于在电镀过程中孔口电力线比较密集，若采取传 统电镀丁艺，孔口将快速生长，导致孔洞闭合，使孔内难以得到金属 沉积。因此tsv工艺屮通常对镀液进行调整来满足工艺要求，即在镀 液中添加加速剂、抑制剂和整平剂。最常用的加速剂是聚二硫二丙烷 磺酸钠（sps）, sps能在电镀中起到催化作用,提高cu2+沉积速率7； 最常

8、用抑制剂为聚乙二醇（peg）, peg的存在能较大的抑制电极的活 性，从而降低沉积速率。最常用的整平剂为烟鲁绿（jgb）。由于peg 分了链较大，不容易进入通孔内部，从而容易聚集在孔口，使得孔口 处金属生长得到抑制8。相反sps由于分子量较小，更容易进入通 孔内部，特别是聚集在通孔底部，使得通孔底部的金属生长得到加速。 jgb在生产中是不可缺少的添加剂，它的存在有利于加速剂向微孔中 传质9,同时jgb会与peg纯在协同作用，将产牛2倍于单独添加 剂的抑制效果10 o在加速剂、抑制剂和整平剂的共同作用下金属化 过程口底部而上，使整个通孔都得到填充。1.4化学机械抛光、芯片减薄和键合通孔金属化后的芯片将进行化学机械抛光（cmp）,去除多余的沉 积金属；然后进行减薄，通过打磨使得芯片底部露出tsv金属，以便 进行芯片间的键合。由于目前多层芯片集成中每层芯片的厚度多在 100m以下，若减薄过程工艺不当可能造成芯片翘曲、下垂、表面损 伤扩大或晶片破裂，因此，薄芯片的强化和支撑也是tsv的技术难点。 如图2e所示，通常采用在需要加工的芯片表面粘结一片晶圆片作为 支撑，然后对tsv芯片底部进行减薄（图2f）,加工完成后移除支撑 晶圆片(图2h)。减薄后的芯片将经过键合实现机械和电连接，键合 的方法有：cu-cu键合、有机粘接、熔合、焊接等手段。冃前采用t