Verpakkingstechnologie is een van de belangrijkste processen in de halfgeleiderindustrie. Afhankelijk van de vorm van het pakket kan het worden onderverdeeld in een socketpakket, een opbouwpakket, een BGA-pakket, een chipgroottepakket (CSP), een pakket met een enkele chipmodule (SCM, de opening tussen de bedrading op de printplaat (PCB)) en de geïntegreerde circuit (IC) board pad-matches), multi-chip modulepakket (MCM, dat heterogene chips kan integreren), waferniveaupakket (WLP, inclusief fan-out wafer levelpakket (FOWLP), micro-oppervlaktemontagecomponenten (microSMD ), enz.), driedimensionaal pakket (micro bump interconnect-pakket, TSV-interconnect-pakket, enz.), systeempakket (SIP), chipsysteem (SOC).
De vormen van 3D-verpakkingen zijn hoofdzakelijk onderverdeeld in drie categorieën: begraven type (het apparaat begraven in meerlaagse bedrading of begraven in het substraat), actief substraattype (siliciumwafelintegratie: integreer eerst de componenten en het wafersubstraat om een actief substraat te vormen plaats vervolgens meerlaagse verbindingslijnen en assembleer andere chips of componenten op de bovenste laag) en gestapeld type (siliciumwafels gestapeld met siliciumwafels, chips gestapeld met siliciumwafels en chips gestapeld met chips).
3D-interconnectiemethoden omvatten wire bonding (WB), flip-chip (FC), via silicium via (TSV), filmgeleider, enz.
TSV realiseert verticale interconnectie tussen chips. Omdat de verticale verbindingslijn de kortste afstand en hogere sterkte heeft, is het gemakkelijker om miniaturisatie, hoge dichtheid, hoge prestaties en multifunctionele heterogene structuurverpakkingen te realiseren. Tegelijkertijd kan het ook chips van verschillende materialen met elkaar verbinden;
Momenteel zijn er twee soorten productietechnologieën voor micro-elektronica die gebruik maken van het TSV-proces: driedimensionale circuitverpakking (3D IC-integratie) en driedimensionale siliciumverpakking (3D Si-integratie).
Het verschil tussen de twee vormen is dat:
(1) Bij het verpakken van 3D-circuits moeten de chipelektroden tot bobbels worden voorbereid en worden de bobbels met elkaar verbonden (verbonden door bonding, fusie, lassen, enz.), terwijl de 3D-siliciumverpakking een directe verbinding tussen chips is (binding tussen oxiden en Cu -Cu-binding).
(2) 3D-circuitintegratietechnologie kan worden bereikt door binding tussen wafers (3D-circuitverpakking, 3D-siliciumverpakking), terwijl chip-naar-chip-binding en chip-naar-wafer-binding alleen kan worden bereikt door 3D-circuitverpakking.
(3) Er zijn gaten tussen de chips die zijn geïntegreerd door het 3D-circuitverpakkingsproces, en diëlektrische materialen moeten worden opgevuld om de thermische geleidbaarheid en thermische uitzettingscoëfficiënt van het systeem aan te passen om de stabiliteit van de mechanische en elektrische eigenschappen van het systeem te garanderen; er zijn geen gaten tussen de chips die zijn geïntegreerd door het 3D-siliciumverpakkingsproces, en het stroomverbruik, het volume en het gewicht van de chip zijn klein en de elektrische prestaties zijn uitstekend.
Het TSV-proces kan een verticaal signaalpad door het substraat construeren en de RDL aan de boven- en onderkant van het substraat verbinden om een driedimensionaal geleiderpad te vormen. Daarom is het TSV-proces een van de belangrijke hoekstenen voor het construeren van een driedimensionale passieve apparaatstructuur.
Volgens de volgorde tussen de front end of line (FEOL) en de back end of line (BEOL) kan het TSV-proces worden onderverdeeld in drie reguliere productieprocessen, namelijk via first (ViaFirst), via middle (Via Middle) en via laatste (Via Last) proces, zoals weergegeven in de afbeelding.
1. Via etsproces
Het via-etsproces is de sleutel tot het vervaardigen van de TSV-structuur. Het kiezen van een geschikt etsproces kan de mechanische sterkte en elektrische eigenschappen van TSV effectief verbeteren, en verder gerelateerd aan de algehele betrouwbaarheid van driedimensionale TSV-apparaten.
Momenteel zijn er vier belangrijke TSV via etsprocessen: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), nat etsen, foto-ondersteund elektrochemisch etsen (PAECE) en laserboren.
(1) Diep reactief ionenetsen (DRIE)
Diep reactief ionenetsen, ook bekend als het DRIE-proces, is het meest gebruikte TSV-etsproces, dat voornamelijk wordt gebruikt om TSV te realiseren via structuren met een hoge aspectverhouding. Traditionele plasma-etsprocessen kunnen doorgaans slechts een etsdiepte van enkele microns bereiken, met een lage etssnelheid en een gebrek aan etsmaskerselectiviteit. Bosch heeft op basis hiervan overeenkomstige procesverbeteringen doorgevoerd. Door SF6 als reactief gas te gebruiken en tijdens het etsproces C4F8-gas vrij te geven als passivatiebescherming voor de zijwanden, is het verbeterde DRIE-proces geschikt voor het etsen van via's met een hoge aspectverhouding. Daarom wordt het ook wel het Bosch-proces genoemd, naar de uitvinder ervan.
De onderstaande afbeelding is een foto van een via met hoge aspectverhouding, gevormd door het etsen van het DRIE-proces.
Hoewel het DRIE-proces op grote schaal wordt gebruikt in het TSV-proces vanwege de goede beheersbaarheid ervan, is het nadeel ervan dat de vlakheid van de zijwand slecht is en dat er schelpvormige rimpeldefecten zullen worden gevormd. Dit defect is groter bij het etsen van via's met een hoge aspectverhouding.
(2) Nat etsen
Nat etsen maakt gebruik van een combinatie van masker- en chemisch etsen om door gaten te etsen. De meest gebruikte etsoplossing is KOH, dat de posities op het siliciumsubstraat kan etsen die niet door het masker worden beschermd, waardoor de gewenste doorgaande gatenstructuur wordt gevormd. Nat etsen is het eerste doorlopende etsproces dat is ontwikkeld. Omdat de processtappen en de benodigde apparatuur relatief eenvoudig zijn, is het geschikt voor massaproductie van TSV tegen lage kosten. Het chemische etsmechanisme bepaalt echter dat het door deze methode gevormde doorgaande gat zal worden beïnvloed door de kristaloriëntatie van de siliciumwafel, waardoor het geëtste doorlopende gat niet-verticaal wordt, maar een duidelijk fenomeen van brede bovenkant en smalle onderkant vertoont. Dit defect beperkt de toepassing van nat etsen bij de productie van TSV.
(3) Foto-ondersteund elektrochemisch etsen (PAECE)
Het basisprincipe van foto-ondersteund elektrochemisch etsen (PAECE) is het gebruik van ultraviolet licht om de vorming van elektronen-gatparen te versnellen, waardoor het elektrochemische etsproces wordt versneld. Vergeleken met het veelgebruikte DRIE-proces is het PAECE-proces geschikter voor het etsen van doorgaande gaten met ultragrote aspectverhoudingen groter dan 100:1, maar het nadeel is dat de beheersbaarheid van de etsdiepte zwakker is dan die van DRIE, en de technologie ervan kan verder onderzoek en procesverbetering nodig zijn.
(4) Laserboren
Verschilt van de bovenstaande drie methoden. De laserboormethode is een puur fysieke methode. Het maakt voornamelijk gebruik van hoogenergetische laserstraling om het substraatmateriaal in het gespecificeerde gebied te smelten en te verdampen om de doorlopende constructie van TSV fysiek te realiseren.
Het door laserboren gevormde doorgaande gat heeft een hoge aspectverhouding en de zijwand is in principe verticaal. Omdat laserboren echter in feite lokale verwarming gebruikt om het doorgaande gat te vormen, zal de gatwand van TSV negatief worden beïnvloed door thermische schade en de betrouwbaarheid verminderen.
2. Afzetproces van de voeringlaag
Een andere belangrijke technologie voor de productie van TSV is het afzettingsproces van voeringlagen.
Het afzettingsproces van de voeringlaag wordt uitgevoerd nadat het doorgaande gat is geëtst. De afgezette voeringlaag is in het algemeen een oxide zoals Si02. De voeringlaag bevindt zich tussen de interne geleider van de TSV en het substraat en speelt voornamelijk de rol bij het isoleren van gelijkstroomlekkage. Naast het afzetten van oxide zijn er ook barrière- en zaadlagen nodig voor het vullen van de geleider in het volgende proces.
De vervaardigde voeringlaag moet aan de volgende twee basiseisen voldoen:
(1) de doorslagspanning van de isolatielaag moet voldoen aan de werkelijke werkvereisten van TSV;
(2) de afgezette lagen zijn zeer consistent en hebben een goede hechting aan elkaar.
De volgende afbeelding toont een foto van de voeringlaag die is afgezet door middel van plasma-enhanced chemische dampafzetting (PECVD).
Het depositieproces moet dienovereenkomstig worden aangepast voor verschillende TSV-productieprocessen. Voor het front through-hole-proces kan een depositieproces bij hoge temperatuur worden gebruikt om de kwaliteit van de oxidelaag te verbeteren.
Typische depositie bij hoge temperaturen kan gebaseerd zijn op tetraethylorthosilicaat (TEOS) in combinatie met een thermisch oxidatieproces om een zeer consistente SiO2-isolatielaag van hoge kwaliteit te vormen. Omdat het BEOL-proces tijdens de afzetting is voltooid, is voor het middelste doorgaande gat en het achterste doorgaande gat een methode bij lage temperatuur vereist om compatibiliteit met BEOL-materialen te garanderen.
Onder deze omstandigheden moet de depositietemperatuur beperkt worden tot 450°C, inclusief het gebruik van PECVD om SiO2 of SiNx als isolatielaag af te zetten.
Een andere veelgebruikte methode is het gebruik van atomaire laagdepositie (ALD) om Al2O3 af te zetten om een dichtere isolatielaag te verkrijgen.
3. Metaalvulproces
Het TSV-vulproces wordt onmiddellijk na het liner-afzettingsproces uitgevoerd, een andere belangrijke technologie die de kwaliteit van TSV bepaalt.
De materialen die kunnen worden gevuld zijn onder meer gedoteerd polysilicium, wolfraam, koolstofnanobuisjes, enz., afhankelijk van het gebruikte proces, maar het meest gangbare is nog steeds gegalvaniseerd koper, omdat het proces volwassen is en de elektrische en thermische geleidbaarheid relatief hoog is.
Afhankelijk van het distributieverschil van de galvaniseersnelheid in het doorgaande gat, kan het hoofdzakelijk worden onderverdeeld in subconformale, conforme, superconformele en bottom-up galvaniseermethoden, zoals weergegeven in de figuur.
Subconformeel galvaniseren werd voornamelijk gebruikt in de vroege fase van TSV-onderzoek. Zoals weergegeven in figuur (a) zijn de door elektrolyse geleverde Cu-ionen aan de bovenkant geconcentreerd, terwijl de onderkant onvoldoende wordt aangevuld, waardoor de galvanisatiesnelheid aan de bovenkant van het doorgaande gat hoger is dan die onder de bovenkant. Daarom zal de bovenkant van het doorgaande gat van tevoren worden gesloten voordat deze volledig is gevuld, en zal er binnenin een grote leegte worden gevormd.
Het schematische diagram en de foto van de conforme galvaniseermethode worden getoond in figuur (b). Door de uniforme aanvulling van Cu-ionen te garanderen, is de galvaniseersnelheid op elke positie in het doorgaande gat in principe hetzelfde, zodat er alleen een naad binnenin overblijft en het lege volume veel kleiner is dan dat van de subconforme galvaniseermethode. het wordt veel gebruikt.
Om verder een holtevrij vuleffect te bereiken, werd de superconformele galvaniseermethode voorgesteld om de conforme galvaniseermethode te optimaliseren. Zoals weergegeven in figuur (c), door het regelen van de toevoer van Cu-ionen, is de vulsnelheid aan de onderkant iets hoger dan die op andere posities, waardoor de stapgradiënt van de vulsnelheid van onder naar boven wordt geoptimaliseerd om de overgebleven naad volledig te elimineren. door de conforme galvaniseermethode, om een volledig holtevrije metalen kopervulling te bereiken.
De bottom-up galvaniseermethode kan worden beschouwd als een speciaal geval van de superconforme methode. In dit geval wordt de galvaniseersnelheid, met uitzondering van de bodem, tot nul onderdrukt en wordt alleen het galvaniseren geleidelijk van onder naar boven uitgevoerd. Naast het vrije voordeel van de conforme galvaniseermethode, kan deze methode ook de totale galvaniseertijd effectief verkorten, daarom is deze de afgelopen jaren uitgebreid bestudeerd.
4. RDL-procestechnologie
Het RDL-proces is een onmisbare basistechnologie in het driedimensionale verpakkingsproces. Door dit proces kunnen metalen verbindingen aan beide zijden van het substraat worden vervaardigd om het doel van poortherverdeling of onderlinge verbinding tussen pakketten te bereiken. Daarom wordt het RDL-proces veel gebruikt in fan-in-fan-out of 2,5D/3D-verpakkingssystemen.
Bij het bouwen van driedimensionale apparaten wordt het RDL-proces meestal gebruikt om TSV met elkaar te verbinden om een verscheidenheid aan driedimensionale apparaatstructuren te realiseren.
Er zijn momenteel twee belangrijke reguliere RDL-processen. De eerste is gebaseerd op lichtgevoelige polymeren en gecombineerd met kopergalvanisatie- en etsprocessen; de andere wordt geïmplementeerd door het Cu Damascus-proces te gebruiken in combinatie met PECVD en het chemisch-mechanische polijstproces (CMP).
Hieronder worden de reguliere procespaden van respectievelijk deze twee RDL's geïntroduceerd.
Het RDL-proces op basis van lichtgevoelig polymeer wordt weergegeven in de bovenstaande figuur.
Eerst wordt door rotatie een laag PI- of BCB-lijm op het oppervlak van de wafel aangebracht, en na verwarming en uitharding wordt een fotolithografisch proces gebruikt om gaten op de gewenste positie te openen, waarna wordt geëtst. Vervolgens worden, na het verwijderen van de fotoresist, Ti en Cu op de wafer gesputterd via een fysisch opdampproces (PVD) als respectievelijk een barrièrelaag en een zaadlaag. Vervolgens wordt de eerste laag RDL op de blootgestelde Ti/Cu-laag vervaardigd door fotolithografie en galvanische Cu-processen te combineren, waarna de fotoresist wordt verwijderd en de overmaat Ti en Cu wordt weggeëtst. Herhaal de bovenstaande stappen om een meerlaagse RDL-structuur te vormen. Deze methode wordt momenteel op grotere schaal gebruikt in de industrie.
Een andere methode voor de vervaardiging van RDL is voornamelijk gebaseerd op het Cu Damascus-proces, dat PECVD- en CMP-processen combineert.
Het verschil tussen deze methode en het RDL-proces op basis van lichtgevoelig polymeer is dat in de eerste stap van de productie van elke laag PECVD wordt gebruikt om SiO2 of Si3N4 als isolatielaag af te zetten, en vervolgens wordt er door fotolithografie een venster op de isolatielaag gevormd. reactief ionenetsen, en de Ti/Cu-barrière/zaailaag en geleiderkoper worden respectievelijk gesputterd, en vervolgens wordt de geleiderlaag verdund tot de vereiste dikte door middel van een CMP-proces, dat wil zeggen een laag van Er wordt een RDL- of through-hole-laag gevormd.
De volgende afbeelding is een schematisch diagram en een foto van de dwarsdoorsnede van een meerlaagse RDL, gebouwd op basis van het Cu Damascus-proces. Er kan worden waargenomen dat TSV eerst wordt verbonden met de laag met doorgaande gaten V01, en vervolgens van onder naar boven wordt gestapeld in de volgorde van RDL1, laag met doorgaande gaten V12 en RDL2.
Elke laag RDL of doorlopende gatenlaag wordt in volgorde vervaardigd volgens de bovenstaande werkwijze.Omdat het RDL-proces het gebruik van het CMP-proces vereist, zijn de productiekosten hoger dan die van het RDL-proces op basis van lichtgevoelig polymeer, zodat de toepassing ervan relatief laag is.
5. IPD-procestechnologie
Voor de vervaardiging van driedimensionale apparaten biedt het IPD-proces, naast directe integratie op de chip op MMIC, nog een flexibeler technisch pad.
Geïntegreerde passieve apparaten, ook bekend als IPD-proces, integreren elke combinatie van passieve apparaten, inclusief on-chip inductoren, condensatoren, weerstanden, balunconverters, enz. op een afzonderlijk substraat om een passieve apparaatbibliotheek te vormen in de vorm van een overdrachtsbord dat flexibel opgeroepen worden volgens ontwerpvereisten.
Omdat bij het IPD-proces passieve apparaten worden vervaardigd en direct op het overdrachtbord worden geïntegreerd, is de processtroom eenvoudiger en goedkoper dan de integratie van IC's op de chip, en kan deze vooraf in massa worden geproduceerd als een passieve apparaatbibliotheek.
Voor de driedimensionale passieve productie van TSV-apparaten kan IPD de kosten van driedimensionale verpakkingsprocessen, waaronder TSV en RDL, effectief compenseren.
Naast de kostenvoordelen is een ander voordeel van IPD de hoge flexibiliteit. Eén van de flexibiliteit van IPD komt tot uiting in de diverse integratiemethoden, zoals weergegeven in de onderstaande figuur. Naast de twee basismethoden voor het direct integreren van IPD in het verpakkingssubstraat via het flip-chipproces zoals weergegeven in figuur (a) of het verbindingsproces zoals weergegeven in figuur (b), kan een andere laag IPD op één laag worden geïntegreerd. van IPD zoals getoond in figuren (c)-(e) om een breder scala aan passieve apparaatcombinaties te bereiken.
Tegelijkertijd kan de IPD, zoals weergegeven in figuur (f), verder worden gebruikt als een adapterbord om de geïntegreerde chip er direct in te begraven om direct een verpakkingssysteem met hoge dichtheid te bouwen.
Wanneer IPD wordt gebruikt om driedimensionale passieve apparaten te bouwen, kunnen ook het TSV-proces en het RDL-proces worden gebruikt. De processtroom is in principe hetzelfde als de bovengenoemde verwerkingsmethode voor integratie op de chip, en zal niet worden herhaald; het verschil is dat, aangezien het object van integratie is veranderd van chip naar adapterbord, het niet nodig is om rekening te houden met de impact van het driedimensionale verpakkingsproces op het actieve gebied en de verbindingslaag. Dit leidt verder tot een andere belangrijke flexibiliteit van IPD: een verscheidenheid aan substraatmaterialen kan flexibel worden geselecteerd op basis van de ontwerpvereisten van passieve apparaten.
De substraatmaterialen die beschikbaar zijn voor IPD zijn niet alleen gewone halfgeleidersubstraatmaterialen zoals Si en GaN, maar ook Al2O3-keramiek, co-fired keramiek op lage/hoge temperatuur, glassubstraten, enz. Deze eigenschap vergroot effectief de ontwerpflexibiliteit van passieve apparaten geïntegreerd door IPD.
De door IPD geïntegreerde driedimensionale passieve inductorstructuur kan bijvoorbeeld een glassubstraat gebruiken om de prestaties van de inductor effectief te verbeteren. In tegenstelling tot het concept van TSV worden de doorgaande gaten in het glassubstraat ook wel through-glass via's (TGV) genoemd. De foto van de driedimensionale inductor vervaardigd op basis van IPD- en TGV-processen wordt weergegeven in de onderstaande figuur. Omdat de soortelijke weerstand van het glassubstraat veel hoger is dan die van conventionele halfgeleidermaterialen zoals Si, heeft de driedimensionale inductor van de TGV betere isolatie-eigenschappen en is het insertieverlies veroorzaakt door het parasitaire effect van het substraat bij hoge frequenties veel kleiner dan dat van de conventionele driedimensionale inductor van TSV.
Aan de andere kant kunnen metaal-isolator-metaal (MIM) condensatoren ook op het glassubstraat IPD worden vervaardigd via een dunne-filmdepositieproces, en onderling verbonden met de driedimensionale inductor van de TGV om een driedimensionale passieve filterstructuur te vormen. Daarom heeft het IPD-proces een breed toepassingspotentieel voor de ontwikkeling van nieuwe driedimensionale passieve apparaten.
Posttijd: 12 november 2024