Технологията за опаковане е един от най-важните процеси в полупроводниковата индустрия. Според формата на пакета, той може да бъде разделен на пакет с гнезда, пакет за повърхностен монтаж, BGA пакет, пакет с размер на чип (CSP), пакет с модул с един чип (SCM, празнината между окабеляването на печатната платка (PCB) и подложката на платката с интегрална схема (IC) съвпада), модулен пакет с множество чипове (MCM, който може да интегрира разнородни чипове), пакет с ниво на пластина (WLP, включително вентилатор пакет за ниво на пластина (FOWLP), компоненти за микро повърхностен монтаж (microSMD) и др.), триизмерен пакет (пакет за свързване с микро бум, пакет за свързване TSV и др.), системен пакет (SIP), система с чипове (SOC).
Формите на 3D опаковки се разделят главно на три категории: заровен тип (погребване на устройството в многослойно окабеляване или заровено в субстрата), активен тип субстрат (интегриране на силиконова пластина: първо интегрирайте компонентите и субстрата за пластина, за да образувате активен субстрат след това подредете многослойни линии за взаимно свързване и сглобете други чипове или компоненти на горния слой) и подреден тип (силиций); пластини, подредени със силиконови пластини, чипове, подредени със силиконови пластини, и чипове, подредени с чипове).
Методите за 3D взаимно свързване включват свързване на проводници (WB), флип чип (FC), чрез силиций чрез (TSV), филмов проводник и др.
TSV реализира вертикална взаимовръзка между чипове. Тъй като вертикалната линия за взаимно свързване има най-късото разстояние и по-висока якост, е по-лесно да се реализира миниатюризация, висока плътност, висока производителност и многофункционална опаковка с хетерогенна структура. В същото време той може да свързва чипове от различни материали;
в момента има два вида технологии за производство на микроелектроника, използващи TSV процес: триизмерна опаковка на верига (3D IC интеграция) и триизмерна силициева опаковка (3D Si интеграция).
Разликата между двете форми е, че:
(1) Опаковката на 3D вериги изисква електродите на чипа да бъдат подготвени в изпъкналости, а изпъкналостите са свързани помежду си (свързани чрез свързване, синтез, заваряване и т.н.), докато 3D силиконовата опаковка е пряка взаимовръзка между чиповете (свързване между оксиди и Cu -Cu свързване).
(2) Технологията за интегриране на 3D вериги може да бъде постигната чрез свързване между пластини (3D опаковка на верига, 3D силициева опаковка), докато свързването чип към чип и свързването чип към пластина може да бъде постигнато само чрез 3D опаковка на верига.
(3) Има празнини между чиповете, интегрирани чрез процеса на опаковане на 3D верига, и диелектричните материали трябва да бъдат запълнени, за да се регулира топлопроводимостта и коефициентът на топлинно разширение на системата, за да се гарантира стабилността на механичните и електрически свойства на системата; няма празнини между чиповете, интегрирани чрез процеса на 3D силициево опаковане, а консумацията на енергия, обемът и теглото на чипа са малки, а електрическите характеристики са отлични.
Процесът на TSV може да изгради вертикален път на сигнала през субстрата и да свърже RDL отгоре и отдолу на субстрата, за да образува триизмерен проводник. Следователно процесът TSV е един от важните крайъгълни камъни за конструиране на триизмерна структура на пасивно устройство.
Според реда между предния край на линията (FEOL) и задния край на линията (BEOL), TSV процесът може да бъде разделен на три основни производствени процеса, а именно, през първи (ViaFirst), през среден (Via Middle) и чрез последния (Via Last) процес, както е показано на фигурата.
1. Чрез процес на ецване
Процесът на ецване е ключът към производството на TSV структура. Изборът на подходящ процес на ецване може ефективно да подобри механичната якост и електрическите свойства на TSV и допълнително свързан с цялостната надеждност на триизмерните устройства на TSV.
Понастоящем има четири основни основни потока на TSV чрез процеси на ецване: дълбоко реактивно йонно ецване (DRIE), мокро ецване, фото-асистирано електрохимично ецване (PAECE) и лазерно пробиване.
(1) Дълбоко реактивно йонно ецване (DRIE)
Дълбокото реактивно йонно ецване, известно още като процес DRIE, е най-често използваният процес на ецване на TSV, който се използва главно за реализиране на TSV чрез структури с високо аспектно съотношение. Традиционните процеси на плазмено ецване обикновено могат да постигнат само дълбочина на ецване от няколко микрона, с ниска скорост на ецване и липса на селективност на маската за ецване. Bosch направи съответните подобрения на процеса на тази основа. Чрез използване на SF6 като реактивен газ и освобождаване на газ C4F8 по време на процеса на ецване като защита срещу пасивиране на страничните стени, подобреният процес DRIE е подходящ за ецване на отвори с високо аспектно съотношение. Поради това се нарича още процесът на Бош на името на неговия изобретател.
Фигурата по-долу е снимка на високо аспектно съотношение, образувано чрез ецване по процеса DRIE.
Въпреки че процесът DRIE се използва широко в процеса TSV поради добрата си управляемост, неговият недостатък е, че плоскостта на страничната стена е лоша и ще се образуват гънки с формата на миди. Този дефект е по-значим при ецване на отвори с високо аспектно съотношение.
(2) Мокро ецване
Мокрото ецване използва комбинация от маска и химическо ецване за ецване през отвори. Най-често използваният разтвор за ецване е КОН, който може да ецва позициите върху силициевия субстрат, които не са защитени от маската, като по този начин формира желаната структура на проходния отвор. Мокрото ецване е най-ранният разработен процес на ецване през отвори. Тъй като етапите на процеса и необходимото оборудване са относително прости, той е подходящ за масово производство на TSV на ниска цена. Неговият механизъм за химическо ецване обаче определя, че проходният отвор, образуван от този метод, ще бъде повлиян от кристалната ориентация на силициевата пластина, което прави гравирания проходен отвор невертикален, но показва ясен феномен на широка горна част и тясна дъна. Този дефект ограничава приложението на мокрото ецване при производството на TSV.
(3) Фото-асистирано електрохимично ецване (PAECE)
Основният принцип на фото-подпомогнато електрохимично ецване (PAECE) е използването на ултравиолетова светлина за ускоряване на генерирането на двойки електрон-дупка, като по този начин се ускорява процеса на електрохимично ецване. В сравнение с широко използвания процес DRIE, процесът PAECE е по-подходящ за ецване на структури с проходни отвори с ултра голямо съотношение на страните, по-големи от 100:1, но неговият недостатък е, че контролируемостта на дълбочината на ецване е по-слаба от DRIE и неговата технология може изискват допълнителни изследвания и подобряване на процеса.
(4) Лазерно пробиване
Различава се от горните три метода. Методът на лазерно пробиване е чисто физичен метод. Той използва главно високоенергийно лазерно облъчване, за да разтопи и изпари материала на субстрата в определената област, за да реализира физически конструкцията на TSV през отвор.
Проходният отвор, образуван чрез лазерно пробиване, има високо аспектно съотношение и страничната стена е основно вертикална. Въпреки това, тъй като лазерното пробиване всъщност използва локално нагряване за формиране на проходния отвор, стената на отвора на TSV ще бъде отрицателно повлияна от термично увреждане и ще намали надеждността.
2. Процес на отлагане на облицовъчен слой
Друга ключова технология за производство на TSV е процесът на отлагане на облицовъчния слой.
Процесът на отлагане на облицовъчния слой се извършва след ецване на проходния отвор. Отложеният облицовъчен слой обикновено е оксид като SiO2. Облицовъчният слой е разположен между вътрешния проводник на TSV и субстрата и играе главно ролята на изолиране на изтичане на постоянен ток. В допълнение към отлагането на оксид, бариерните и зародишните слоеве също са необходими за запълване на проводника в следващия процес.
Произведеният облицовъчен слой трябва да отговаря на следните две основни изисквания:
(1) напрежението на пробив на изолационния слой трябва да отговаря на действителните работни изисквания на TSV;
(2) отложените слоеве са много последователни и имат добра адхезия един към друг.
Следващата фигура показва снимка на облицовъчния слой, отложен чрез плазмено усилено химическо отлагане на пари (PECVD).
Процесът на отлагане трябва да се коригира съответно за различните производствени процеси на TSV. За процеса на преден проходен отвор може да се използва процес на отлагане при висока температура за подобряване на качеството на оксидния слой.
Типичното високотемпературно отлагане може да се основава на тетраетил ортосиликат (TEOS), комбиниран с процес на термично окисление, за да се образува изключително последователен висококачествен SiO2 изолационен слой. За процеса на среден проходен отвор и обратен проходен отвор, тъй като процесът BEOL е завършен по време на отлагането, се изисква нискотемпературен метод, за да се осигури съвместимост с материалите BEOL.
При това условие температурата на отлагане трябва да бъде ограничена до 450°, включително използването на PECVD за отлагане на SiO2 или SiNx като изолационен слой.
Друг често срещан метод е да се използва отлагане на атомен слой (ALD) за отлагане на Al2O3 за получаване на по-плътен изолационен слой.
3. Процес на запълване на метал
Процесът на пълнене на TSV се извършва веднага след процеса на отлагане на облицовката, което е друга ключова технология, която определя качеството на TSV.
Материалите, които могат да бъдат запълнени, включват легиран полисилиций, волфрам, въглеродни нанотръби и др. в зависимост от използвания процес, но най-разпространената все още е галванизираната мед, тъй като нейният процес е зрял и нейната електрическа и топлопроводимост са относително високи.
Според разликата в разпределението на неговата скорост на галванично покритие в проходния отвор, той може да бъде разделен главно на субконформни, конформни, суперконформни и методи на галванично покритие отдолу нагоре, както е показано на фигурата.
Субконформното галванично покритие се използва главно в ранния етап на изследването на TSV. Както е показано на фигура (a), йоните на Cu, осигурени от електролиза, са концентрирани в горната част, докато долната част е недостатъчно обогатена, което води до по-висока скорост на галванопластика в горната част на проходния отвор от тази под горната част. Следователно горната част на проходния отвор ще бъде затворена предварително, преди да е напълно запълнена, и вътре ще се образува голяма празнина.
Схематичната диаграма и снимката на конформния метод на галванопластика са показани на фигура (b). Чрез осигуряване на равномерно добавяне на Cu йони, скоростта на галванопластика във всяка позиция в проходния отвор е по същество една и съща, така че вътре ще остане само шев, а празният обем е много по-малък от този на субконформния метод на галванопластика, така че той се използва широко.
За по-нататъшно постигане на ефект на запълване без кухини беше предложен методът на суперконформно галванично покритие за оптимизиране на метода на конформно галванично покритие. Както е показано на фигура (c), чрез контролиране на подаването на Cu йони, скоростта на пълнене в долната част е малко по-висока от тази на други позиции, като по този начин се оптимизира стъпковият градиент на скоростта на пълнене отдолу нагоре, за да се елиминира напълно левият шев чрез метода на конформно галванично покритие, така че да се постигне напълно безпразно запълване с метална мед.
Методът на галванопластика отдолу нагоре може да се разглежда като специален случай на суперконформния метод. В този случай скоростта на галванопластика, с изключение на дъното, се потиска до нула и само галванопластиката се извършва постепенно отдолу нагоре. В допълнение към предимството без кухини на метода на конформно галванично покритие, този метод може също така ефективно да намали общото време за галванично покритие, така че е широко проучен през последните години.
4. RDL технология на процеса
Процесът RDL е незаменима основна технология в процеса на триизмерно опаковане. Чрез този процес могат да бъдат произведени метални връзки от двете страни на субстрата, за да се постигне целта на преразпределение на портове или взаимно свързване между пакетите. Поради това процесът RDL се използва широко в системи за опаковане "вентилатор във вентилатор" или 2.5D/3D.
В процеса на изграждане на триизмерни устройства процесът RDL обикновено се използва за свързване на TSV за реализиране на различни триизмерни структури на устройства.
В момента има два основни основни RDL процеса. Първият се основава на фоточувствителни полимери и е комбиниран с процеси на медно галванично покритие и ецване; другият се изпълнява чрез използване на процес Cu Damascus, комбиниран с PECVD и процес на химично механично полиране (CMP).
По-долу ще бъдат представени пътищата на основните процеси съответно на тези два RDL.
RDL процесът, базиран на фоточувствителен полимер, е показан на фигурата по-горе.
Първо върху повърхността на пластината чрез въртене се нанася слой от PI или BCB лепило и след нагряване и втвърдяване се използва фотолитографски процес за отваряне на дупки в желаната позиция и след това се извършва ецване. След това, след отстраняване на фоторезиста, Ti и Cu се разпръскват върху пластината чрез процес на физическо отлагане на пари (PVD) като бариерен слой и зародишен слой, съответно. След това първият слой RDL се произвежда върху експонирания Ti/Cu слой чрез комбиниране на процеси на фотолитография и галванопластика на Cu, след което фоторезистът се отстранява и излишните Ti и Cu се гравират. Повторете горните стъпки, за да формирате многослойна RDL структура. Този метод в момента е по-широко използван в индустрията.
Друг метод за производство на RDL се основава главно на процеса Cu Damascus, който съчетава процеси PECVD и CMP.
Разликата между този метод и RDL процеса, базиран на фоточувствителен полимер, е, че в първата стъпка от производството на всеки слой, PECVD се използва за отлагане на SiO2 или Si3N4 като изолационен слой и след това се формира прозорец върху изолационния слой чрез фотолитография и реактивно йонно ецване и Ti/Cu бариера/зародишен слой и меден проводник се разпръскват съответно и след това слоят проводник се изтънява до необходимата дебелина чрез CMP процес, тоест се формира слой от RDL или слой с проходен отвор.
Следващата фигура е схематична диаграма и снимка на напречното сечение на многослоен RDL, конструиран въз основа на процеса на Cu Damascus. Може да се наблюдава, че TSV първо е свързан към слоя през отвора V01 и след това е подреден отдолу нагоре в реда на RDL1, слой през отвор V12 и RDL2.
Всеки слой от RDL или слой с проходен отвор се произвежда последователно съгласно горния метод.Тъй като RDL процесът изисква използването на CMP процес, неговата производствена цена е по-висока от тази на RDL процеса, базиран на фоточувствителен полимер, така че приложението му е относително ниско.
5. IPD технология на процеса
За производството на триизмерни устройства, в допълнение към директната интеграция в чипа на MMIC, процесът IPD осигурява друг по-гъвкав технически път.
Интегрираните пасивни устройства, известни също като IPD процес, интегрират всяка комбинация от пасивни устройства, включително вградени в чипа индуктори, кондензатори, резистори, балунни преобразуватели и т.н. върху отделен субстрат, за да образуват библиотека с пасивни устройства под формата на трансферна платка, която може да бъде гъвкаво извикан според изискванията на дизайна.
Тъй като в IPD процеса, пасивните устройства се произвеждат и директно се интегрират в платката за прехвърляне, процесът му е по-опростен и по-евтин от интегрирането на интегрални схеми в чип и може да се произвежда масово предварително като библиотека с пасивни устройства.
За производството на триизмерни пасивни устройства TSV, IPD може ефективно да компенсира разходите за процеси на триизмерно опаковане, включително TSV и RDL.
В допълнение към ценовите предимства, друго предимство на IPD е неговата висока гъвкавост. Една от гъвкавостта на IPD се отразява в разнообразните методи за интегриране, както е показано на фигурата по-долу. В допълнение към двата основни метода за директно интегриране на IPD в субстрата на опаковката чрез процеса на обръщане на чип, както е показано на фигура (a), или процеса на свързване, както е показано на фигура (b), друг слой IPD може да бъде интегриран на един слой на IPD, както е показано на фигури (c)-(e), за да се постигне по-широк диапазон от комбинации на пасивни устройства.
В същото време, както е показано на фигура (f), IPD може допълнително да се използва като адаптерна платка за директно погребване на интегрирания чип върху нея за директно изграждане на система за опаковане с висока плътност.
Когато използвате IPD за изграждане на триизмерни пасивни устройства, могат също да се използват TSV процес и RDL процес. Потокът на процеса е основно същият като гореспоменатия метод за обработка на интеграция в чип и няма да се повтаря; разликата е, че тъй като обектът на интеграция е променен от чип към адаптерна платка, няма нужда да се взема предвид въздействието на процеса на триизмерно опаковане върху активната област и слоя за взаимно свързване. Това допълнително води до друга ключова гъвкавост на IPD: разнообразие от субстратни материали може да бъде гъвкаво избрано според изискванията за дизайн на пасивните устройства.
Наличните субстратни материали за IPD са не само обикновени полупроводникови субстратни материали като Si и GaN, но също и Al2O3 керамика, нискотемпературна/високотемпературна съвместно изгорена керамика, стъклени субстрати и т.н. Тази функция ефективно разширява гъвкавостта на дизайна на пасивните устройства, интегрирани от IPD.
Например, триизмерната структура на пасивния индуктор, интегрирана от IPD, може да използва стъклен субстрат за ефективно подобряване на работата на индуктора. За разлика от концепцията на TSV, проходните отвори, направени върху стъкления субстрат, се наричат също проходни стъклени отвори (TGV). Снимката на триизмерния индуктор, произведен на базата на процеси IPD и TGV, е показана на фигурата по-долу. Тъй като съпротивлението на стъкления субстрат е много по-високо от това на конвенционалните полупроводникови материали като Si, триизмерният индуктор TGV има по-добри изолационни свойства и загубата на вмъкване, причинена от паразитния ефект на субстрата при високи честоти, е много по-малка от тази на конвенционалния триизмерен индуктор TSV.
От друга страна, кондензаторите метал-изолатор-метал (MIM) също могат да бъдат произведени върху стъклен субстрат IPD чрез процес на отлагане на тънък филм и свързани помежду си с триизмерния индуктор TGV, за да образуват триизмерна пасивна филтърна структура. Следователно процесът IPD има широк потенциал за приложение за разработването на нови триизмерни пасивни устройства.
Време на публикуване: 12 ноември 2024 г