硅通孔(TSV)工艺学习报告

高旺（13307130154）|电子封装材料与工艺|2016年6月11日硅通孔（TSV）工艺学习报告页1目录1.引言............................................................................................................................22.分类............................................................................................................................23.优点............................................................................................................................24.硅通孔的发展历程....................................................................................................35.工艺流程....................................................................................................................35.1.通孔的形成........................................................................................................45.1.1.深反应离子刻蚀.........................................................................................45.1.2.激光钻孔.....................................................................................................55.2.通孔侧壁绝缘层的淀积....................................................................................65.3.粘附层、扩散阻挡层、种子层的淀积............................................................75.4.电镀铜通孔填充技术........................................................................................85.5.铜化学机械研磨技术........................................................................................85.6.晶片减薄............................................................................................................95.7.TSV键合...........................................................................................................116.最新技术介绍..........................................................................................................116.1.AquiVia（硅通孔阻挡层湿法沉积技术）......................................................116.2.铜芯焊球快速填充硅通孔..............................................................................127.技术难关..................................................................................................................147.1.TSV设计应力问题...........................................................................................147.2.堆叠晶片散热问题..........................................................................................157.3.结合EDA软件进行3DIC设计效率升级.......................................................157.4.可靠度成量产关键..........................................................................................158.应用实例..................................................................................................................168.1.CMOS影像感测器...........................................................................................168.2.3D堆叠记忆体晶片（内存）.........................................................................168.3.高效能处理器..................................................................................................189.参考文献..................................................................................................................19页21.引言3D集成技术包括3DIC集成，3DIC封装和3D硅集成技术。这三者是不同的技术，并且硅通孔技术将3DIC封装技术与3DIC集成技术、3DIC硅集成技术区分开来，因为后二者使用了该技术而3DIC封装没有。硅通孔技术（TSV）是3DIC集成技术、3D硅集成技术的核心，也是研究的热点1。业内人士将TSV称为继引线键合（WireBonding）、倒带自动焊（TAB）和倒装芯片（FC）之后的第四代封装技术。硅通孔技术为最小尺寸的芯片互联和最小盘尺寸间距互联提供了技术支持。藉由硅通孔，不仅可以缩短晶片间的导通路径、提升信号速度，降低功耗与杂讯，还可以实现异质架构整合，满足未来消费性电子对装置轻薄且节能的严苛要求。2.分类3DIC最常使用的分类方法是以硅通孔技术的制程、工序为依据，硅通孔技术按照制程可分为前通孔(ViaFirst)、中通孔(ViaMiddle)与后通孔(ViaLast)等三种制程。其中前通孔是指在晶圆元件制作前进行硅通孔制程；中通孔则在元件制程后、后段导线制作前，进行硅通孔制程；后通孔是指在晶圆后段导线制作(BackEndoftheLine,BEOL)后，才进行硅通孔的制作。以上只是大致上之区分，实际制程根据不同公司、组织以及研究单位之发展，仍有些微变化。3.优点TSV技术不仅可以连接两块芯片内的不同核心，还能将处理器和内存等不同部件连在一起，并通过数千个微小的连线传输数据，比如在硅锗芯片中，通过钻出许多细微的孔洞并以钨材料填充，就能得到TSV。相比之下，目前的芯片大多使用总线通道传输数据，容易造成堵塞、影响效率。更加节能也是TSV的特色之一。据称，TSV可将硅锗芯片的功耗降低大约40％。另外，由于改用垂直方式堆叠成“3D”芯片，TSV还能大大节约主板空间。尽管目前也有垂直堆叠芯片，但都是通过总线互连，因此不具备TSV的高带宽优势，因为TSV是直接连接项部芯片和底部芯片的。与传统的引线键合互联相比，硅通孔技术有如下优点：1)导电好；2)功耗低；3)带宽广；4)密度高；页35)外形小；6)重量轻；7)成本低。4.硅通孔的发展历程硅通孔是50多年前由1956年物理学若贝尔奖得主、晶体管的发明者威廉·肖克利发明。1958年10月23日，威廉·肖克利申请了“半导体晶片和制作方法”的专利，1962年7月17日，他被授予美国专利（专利号3044909）。在80年代早期，TSV有两种主要技术。一种是通过TSV技术的连接棒将电路板堆叠起来，即3DIC集成；另一种是仅仅用TSV技术将晶片堆叠起来，即3D硅集成。3D硅集成技术相较于3DIC集成技术，有以下优点：1)更好的电气性能；2)更低的功耗；3)更小的体积；4)更轻的质量；5)更高的产能。总的来说，目前行业内普遍看好3D硅集成技术。推动3D集成技术的行业发展的最有影响力的当属1965年的诺贝尔物理学奖获得者——RichardFeynman（理查德.费曼）。在1985年8月9日Gakushuin大学（东京）的YoshioNishina的追悼会上，费曼做了题目为《未来的计算机器（ComputingMachinesintheFuture）》的演讲，说“另一方面的改进是物理器械方面的而不是让所有集成在一块电路板上。这样使可以在每一层上来制造而不是一次性做完，你可以先制造几层，随着时间的推移还可以加入更多层电路。”费曼不仅告诉我们要往3D方向发展，还教我们今后如何制作它。即使是在今天，许多致力于3D集成研究的学者依然喜欢引用他在1985年东京的演讲。5.工艺流程制作硅通孔需要六个关键的步骤：1)通孔的形成（通过深层等离子刻蚀或激光开孔）；2)介电层沉积（通过热氧化钝化转接板或等离子体增强化学汽化沉积）；3)阻挡层和种子层沉积（通过物理气相沉积）；页44)通孔填充（电镀铜来填充通孔或化学蒸汽沉积来填充每个小通孔）；5)电镀铜残留物的化学机械抛光；6)硅通孔显现。总之，成本费用项目依次为：物理气相沉积，等离子体增强化学汽相沉积，化学机械抛光，电镀铜，深层等离子刻蚀技术。TSV所需要的关键技术有：1)通孔的形成；2)绝缘层、阻挡层和种子层的淀积；3)铜的填充(电镀)、去除和再分布引线、(RDL)电镀；4)晶圆减薄；5)晶圆／芯片对准、键合与切片。5.1.通孔的形成晶片上的通孔加工是TSV技术的核心，目前通孔加工的技术主要有两种，一种是深反应离子刻蚀，另一种是激光钻孔。表1.不同瞳孔制作技术的特点制造工艺孔径深宽比粗糙度均匀性通孔角度生产效率成本激光钻孔20μm20一般差85°低一般深反应离子刻蚀5μm20好好约90°高高5.1.1.深反应离子刻蚀深反应离子刻蚀（DRIE）是一种离子增强型化学反应。刻蚀系统使用RF供电的等离子源获得离子及化学上可反应的基团。在深硅刻蚀时，使用的主要源气体是六氟化硫，为硅的高速率刻蚀提供具有