Технологія упаковки є одним із найважливіших процесів у напівпровідниковій промисловості. За формою упаковки її можна розділити на упаковку для розеток, упаковку для поверхневого монтажу, упаковку BGA, упаковку розміру мікросхеми (CSP), упаковку однокристального модуля (SCM, розрив між проводками на друкованій платі (PCB)) і інтегральна схема (IC) плати відповідає), пакет багатокристального модуля (MCM, який може інтегрувати різнорідні мікросхеми), пакет рівня пластини (WLP, включаючи вентилятор пакет рівня пластини (FOWLP), мікрокомпоненти для поверхневого монтажу (microSMD) тощо), тривимірний корпус (мікроконекторний пакет, TSV інтерконекторний пакет тощо), системний пакет (SIP), система мікросхем (SOC).
Форми 3D-упаковки в основному поділяються на три категорії: вбудований тип (пристрій розміщено в багатошаровій проводці або закладено в підкладку), тип активної підкладки (інтеграція кремнієвої пластини: спочатку об’єднайте компоненти та підкладку для пластини, щоб сформувати активну підкладку). потім організуйте багатошарові лінії з’єднання та зберіть інші мікросхеми або компоненти на верхньому шарі) і складений тип (кремній); пластини, складені разом із кремнієвими пластинами, чіпи, складені разом із кремнієвими пластинами, і мікросхеми, складені разом із мікросхемами).
Методи тривимірного з’єднання включають з’єднання проводів (WB), фліп-чіп (FC), крізь кремній через (TSV), плівковий провідник тощо.
TSV реалізує вертикальне з'єднання між мікросхемами. Оскільки вертикальна лінія з’єднання має найкоротшу відстань і вищу міцність, легше реалізувати мініатюризацію, високу щільність, високу продуктивність і багатофункціональну неоднорідну структуру упаковки. У той же час він також може з'єднувати мікросхеми з різних матеріалів;
на даний момент існує два типи технологій виробництва мікроелектроніки з використанням процесу TSV: тривимірна упаковка схем (інтеграція 3D IC) і тривимірна упаковка кремнію (інтеграція 3D Si).
Різниця між двома формами полягає в тому, що:
(1) Упаковка 3D-схеми вимагає, щоб електроди мікросхеми були підготовлені до виступів, а виступи були з’єднані між собою (з’єднані шляхом склеювання, плавлення, зварювання тощо), тоді як 3D-упаковка кремнію є прямим взаємозв’язком між мікросхемами (зв’язок між оксидами та Cu -Cu зв'язування).
(2) Технологія 3D-інтеграції схем може бути досягнута шляхом з’єднання між пластинами (3D-упаковка схем, 3D-пакет кремнію), тоді як з’єднання чіп-чіп і з’єднання чіп-пластина можуть бути досягнуті лише за допомогою 3D-упаковки схеми.
(3) Існують проміжки між мікросхемами, інтегрованими в процесі упаковки 3D-схеми, і необхідно заповнити діелектричні матеріали, щоб відрегулювати теплопровідність і коефіцієнт теплового розширення системи для забезпечення стабільності механічних і електричних властивостей системи; немає проміжків між чіпами, інтегрованими за допомогою процесу 3D кремнієвого пакування, споживання електроенергії, об’єм і вага чіпа невеликі, а електричні характеристики чудові.
Процес TSV може побудувати вертикальний шлях сигналу через підкладку та з’єднати RDL у верхній і нижній частині підкладки, щоб утворити тривимірний шлях провідника. Тому процес TSV є одним із важливих наріжних каменів для побудови тривимірної структури пасивного пристрою.
Відповідно до порядку між переднім кінцем лінії (FEOL) і заднім кінцем лінії (BEOL), процес TSV можна розділити на три основні виробничі процеси, а саме: перший (ViaFirst), середній (Via Middle) і через останній (Via Last) процес, як показано на малюнку.
1. Через процес травлення
Процес травлення є ключовим для виготовлення структури TSV. Вибір відповідного процесу травлення може ефективно покращити механічну міцність і електричні властивості TSV, а також пов’язано з загальною надійністю тривимірних пристроїв TSV.
На даний момент існує чотири основні процеси TSV за допомогою процесів травлення: глибоке реактивне іонне травлення (DRIE), вологе травлення, електрохімічне травлення з фотодопомогою (PAECE) і лазерне свердління.
(1) Глибоке реактивне іонне травлення (DRIE)
Глибоке реактивне іонне травлення, також відоме як процес DRIE, є найпоширенішим процесом травлення TSV, який в основному використовується для реалізації TSV через структури з високим співвідношенням сторін. Традиційні процеси плазмового травлення, як правило, можуть досягти лише глибини травлення в кілька мікрон з низькою швидкістю травлення та відсутністю селективності маски травлення. На цій основі Bosch вніс відповідні вдосконалення процесу. Завдяки використанню елегазу як реактивного газу та вивільненню газу C4F8 під час процесу травлення як пасиваційного захисту бічних стінок покращений процес DRIE підходить для травлення отворів із високим співвідношенням сторін. Тому його також називають процесом Боша на честь його винахідника.
На малюнку нижче наведено фотографію високого співвідношення сторін за допомогою процесу травлення DRIE.
Незважаючи на те, що процес DRIE широко використовується в процесі TSV через його гарну керованість, його недоліком є погана площинність бічної стінки та утворення дефектів зморшок у формі гребінця. Цей дефект є більш суттєвим при травленні отворів із високим співвідношенням сторін.
(2) Мокре травлення
Вологе травлення використовує комбінацію маски та хімічного травлення для травлення через отвори. Найбільш часто використовуваним розчином для травлення є KOH, який може травити місця на кремнієвій підкладці, які не захищені маскою, таким чином формуючи бажану структуру наскрізних отворів. Мокре травлення є найранішим процесом травлення через отвір. Оскільки етапи процесу та необхідне обладнання є відносно простими, він підходить для масового виробництва TSV за низькою ціною. Однак його механізм хімічного травлення визначає, що наскрізний отвір, утворений цим методом, буде залежати від орієнтації кристала кремнієвої пластини, роблячи витравлений наскрізний отвір невертикальним, але демонструючи чітке явище широкого верху та вузького низу. Цей дефект обмежує застосування мокрого травлення у виробництві TSV.
(3) Електрохімічне травлення з використанням фотографії (PAECE)
Основним принципом електрохімічного травлення з фотодопомогою (PAECE) є використання ультрафіолетового світла для прискорення генерації електронно-діркових пар, тим самим прискорюючи процес електрохімічного травлення. У порівнянні з широко використовуваним процесом DRIE, процес PAECE більше підходить для травлення структур із наскрізними отворами з надвеликим співвідношенням сторін понад 100:1, але його недолік полягає в тому, що керованість глибини травлення слабша, ніж DRIE, і його технологія може вимагають подальших досліджень і вдосконалення процесу.
(4) Лазерне буріння
Відрізняється від трьох описаних вище методів. Метод лазерного свердління є чисто фізичним методом. Він в основному використовує високоенергетичне лазерне випромінювання для розплавлення та випаровування матеріалу підкладки у вказаній області для фізичної реалізації конструкції TSV із наскрізним отвором.
Наскрізний отвір, утворений лазерним свердлінням, має високе співвідношення сторін, а бокова стінка в основному вертикальна. Однак, оскільки лазерне свердління фактично використовує локальне нагрівання для формування наскрізного отвору, стінка отвору TSV зазнає негативного впливу термічного пошкодження та зниження надійності.
2. Процес нанесення лайнерного шару
Ще однією ключовою технологією виробництва TSV є процес нанесення шару вкладиша.
Процес нанесення лайнерного шару виконується після протравлення наскрізного отвору. Нанесений вкладиш, як правило, є оксидом, таким як SiO2. Прокладковий шар розташований між внутрішнім провідником TSV і підкладкою, і в основному відіграє роль ізоляції витоку постійного струму. На додаток до осадження оксиду, бар’єрний і затравковий шари також необхідні для заповнення провідника в наступному процесі.
Виготовлений лайнерний шар повинен відповідати наступним двом основним вимогам:
(1) напруга пробою ізоляційного шару повинна відповідати фактичним робочим вимогам TSV;
(2) нанесені шари мають високу консистенцію та хорошу адгезію один до одного.
На наступному малюнку показано фотографію підкладкового шару, нанесеного методом плазмового хімічного осадження з парової фази (PECVD).
Процес осадження необхідно відповідно налаштувати для різних процесів виробництва TSV. Для процесу переднього наскрізного отвору можна використовувати процес високотемпературного осадження для покращення якості оксидного шару.
Типове високотемпературне осадження може ґрунтуватися на тетраетилортосилікаті (TEOS) у поєднанні з процесом термічного окислення для формування стабільного високоякісного ізоляційного шару SiO2. Для процесу середнього наскрізного отвору та заднього наскрізного отвору, оскільки процес BEOL було завершено під час осадження, потрібен низькотемпературний метод для забезпечення сумісності з матеріалами BEOL.
За цієї умови температура осадження повинна бути обмежена до 450°, включаючи використання PECVD для осадження SiO2 або SiNx як ізоляційного шару.
Іншим поширеним методом є використання атомно-шарового осадження (ALD) для осадження Al2O3 для отримання більш щільного ізоляційного шару.
3. Процес заповнення металом
Процес наповнення TSV здійснюється відразу після процесу нанесення вкладиша, що є ще однією ключовою технологією, що визначає якість TSV.
Матеріали, які можна наповнювати, включають легований полікремній, вольфрам, вуглецеві нанотрубки тощо, залежно від використовуваного процесу, але найбільш поширеною все ще є гальванічна мідь, оскільки її процес є зрілим, а її електро- та теплопровідність відносно високі.
Відповідно до різниці розподілу його швидкості гальванічного покриття в наскрізному отворі, його можна в основному розділити на субконформний, конформний, суперконформний та метод гальванічного покриття знизу вгору, як показано на малюнку.
Субконформне гальванічне покриття в основному використовувалося на ранній стадії досліджень TSV. Як показано на малюнку (а), іони Cu, що утворюються в результаті електролізу, зосереджені у верхній частині, тоді як у нижній частині недостатньо доповнено, що призводить до того, що швидкість гальванічного покриття у верхній частині наскрізного отвору є вищою, ніж у нижній. Тому верх наскрізного отвору буде закритий заздалегідь до його повного заповнення, і всередині утвориться велика порожнеча.
Принципова діаграма та фотографія методу конформного гальванічного покриття показані на малюнку (b). Забезпечуючи рівномірне додавання іонів Cu, швидкість гальванічного нанесення в кожній позиції в наскрізному отворі в основному однакова, тому всередині залишиться лише шов, а об’єм пустот значно менший, ніж у субконформному методі гальванічного покриття, тому він широко використовується.
Для подальшого досягнення ефекту заповнення без пустот був запропонований метод суперконформного гальванічного покриття для оптимізації методу конформного гальванічного покриття. Як показано на малюнку (c), шляхом контролю надходження іонів Cu швидкість наповнення внизу трохи вища, ніж на інших позиціях, таким чином оптимізуючи ступінчастий градієнт швидкості наповнення знизу вгору для повного усунення шва зліва методом конформного гальванічного покриття, щоб отримати металеве мідне заповнення без пустот.
Спосіб гальванопластики знизу вгору можна розглядати як окремий випадок суперконформного методу. У цьому випадку швидкість гальванічного покриття, за винятком нижньої частини, знижується до нуля, і лише гальванічне нанесення поступово здійснюється від низу до верху. На додаток до переваги конформного методу гальванічного нанесення без пустот, цей метод також може ефективно скоротити загальний час нанесення гальванічного покриття, тому останніми роками він широко вивчався.
4. Технологія процесу РДЛ
Процес RDL є незамінною базовою технологією в процесі тривимірного пакування. Завдяки цьому процесу металеві з’єднання можуть бути виготовлені з обох боків підкладки для досягнення мети перерозподілу портів або з’єднання між пакетами. Тому процес RDL широко використовується в пакувальних системах типу «фан-в-фан-вихід» або 2,5D/3D.
У процесі створення тривимірних пристроїв процес RDL зазвичай використовується для з’єднання TSV для реалізації різних структур тривимірних пристроїв.
Наразі існує два основні процеси RDL. Перший заснований на фоточутливих полімерах і поєднується з процесами гальванічного покриття міддю та травлення; інший реалізується за допомогою процесу Cu Damascus у поєднанні з PECVD і процесом хімічного механічного полірування (CMP).
Далі буде представлено шляхи основного процесу цих двох RDL відповідно.
Процес RDL на основі світлочутливого полімеру показаний на малюнку вище.
Спочатку шар клею PI або BCB наноситься на поверхню пластини шляхом обертання, а після нагрівання та затвердіння використовується процес фотолітографії для відкриття отворів у потрібному місці, а потім виконується травлення. Далі, після видалення фоторезисту, Ti і Cu напилюються на пластину за допомогою процесу фізичного осадження з парової фази (PVD) як бар’єрний шар і початковий шар відповідно. Потім перший шар RDL виготовляється на експонованому шарі Ti/Cu шляхом поєднання процесів фотолітографії та гальванічного нанесення Cu, а потім фоторезист видаляється, а надлишки Ti та Cu видаляються. Повторіть наведені вище дії, щоб сформувати багатошарову структуру RDL. Цей метод в даний час ширше використовується в промисловості.
Інший метод виробництва RDL в основному базується на процесі Cu Damascus, який поєднує процеси PECVD і CMP.
Різниця між цим методом і процесом RDL на основі фоточутливого полімеру полягає в тому, що на першому етапі виготовлення кожного шару PECVD використовується для нанесення SiO2 або Si3N4 як ізоляційного шару, а потім на ізоляційному шарі за допомогою фотолітографії та фотолітографії формується вікно. реактивне іонне травлення, а Ti/Cu бар’єрний/затравковий шар і провідна мідь розпилюються відповідно, а потім шар провідника стоншується до необхідної товщини методом CMP, тобто формується шар RDL або наскрізний шар.
На наступному малюнку показано схематичну діаграму та фотографію поперечного перерізу багатошарового RDL, побудованого на основі процесу Cu Damascus. Можна помітити, що TSV спочатку з’єднаний із шаром V01 із наскрізним отвором, а потім укладений знизу вгору в порядку RDL1, шару з наскрізним отвором V12 та RDL2.
Кожен шар RDL або шар із наскрізним отвором виготовляється послідовно відповідно до вищеописаного способу.Оскільки процес RDL вимагає використання процесу CMP, вартість його виробництва вища, ніж у процесу RDL на основі світлочутливого полімеру, тому його застосування є відносно низьким.
5. Технологія процесу ІПД
Для виробництва тривимірних пристроїв, окрім прямої інтеграції на мікросхемі MMIC, процес IPD забезпечує інший більш гнучкий технічний шлях.
Інтегровані пасивні пристрої, також відомі як процес IPD, об’єднують будь-яку комбінацію пасивних пристроїв, у тому числі індуктивності на мікросхемі, конденсатори, резистори, балунні перетворювачі тощо, на окремій підкладці для формування бібліотеки пасивних пристроїв у формі плати передачі, яка може гнучко називатися відповідно до вимог дизайну.
Оскільки в процесі IPD пасивні пристрої виготовляються та безпосередньо інтегруються на передавальну плату, його технологічний процес простіший і дешевший, ніж інтеграція мікросхем на чіпі, і їх можна масово виробляти заздалегідь як бібліотеку пасивних пристроїв.
Для виробництва тривимірних пасивних пристроїв TSV IPD може ефективно компенсувати витрати на процеси тривимірного пакування, включаючи TSV і RDL.
Окрім переваг у вартості, ще однією перевагою IPD є його висока гнучкість. Однією з гнучкості IPD є різноманітні методи інтеграції, як показано на малюнку нижче. На додаток до двох основних методів прямої інтеграції IPD в підкладку упаковки за допомогою процесу фліп-чіп, як показано на малюнку (a), або процесу склеювання, як показано на малюнку (b), ще один шар IPD можна інтегрувати в один шар. IPD, як показано на малюнках (c)-(e), щоб отримати ширший діапазон комбінацій пасивних пристроїв.
У той же час, як показано на малюнку (f), IPD можна додатково використовувати як адаптерну плату для безпосереднього розміщення вбудованого чіпа на ньому для безпосереднього створення системи пакування високої щільності.
При використанні IPD для створення тривимірних пасивних пристроїв також можна використовувати процеси TSV і RDL. Послідовність процесу в основному така ж, як і вищезгаданий метод обробки інтеграції на кристалі, і не буде повторюватися; різниця полягає в тому, що оскільки об’єкт інтеграції змінено з мікросхеми на адаптерну плату, немає необхідності враховувати вплив процесу тривимірного пакування на активну область і рівень з’єднання. Крім того, це призводить до ще однієї ключової гнучкості IPD: різні матеріали підкладки можна гнучко вибирати відповідно до вимог конструкції пасивних пристроїв.
Матеріали підкладки, доступні для IPD, це не лише звичайні напівпровідникові матеріали підкладки, такі як Si та GaN, але також кераміка Al2O3, низькотемпературна/високотемпературна кераміка зі спільним спалюванням, скляні підкладки тощо. Ця функція ефективно розширює гнучкість конструкції пасивних пристрої, інтегровані IPD.
Наприклад, тривимірна структура пасивного індуктора, інтегрована IPD, може використовувати скляну підкладку для ефективного покращення продуктивності індуктора. На відміну від концепції TSV, наскрізні отвори, зроблені на скляній підкладці, також називаються наскрізними скляними отворами (TGV). Фото тривимірного індуктора, виготовленого за процесами IPD і TGV, показано на малюнку нижче. Оскільки питомий опір скляної підкладки набагато вищий, ніж у звичайних напівпровідникових матеріалів, таких як Si, тривимірний індуктор TGV має кращі ізоляційні властивості, а внесені втрати, викликані паразитним ефектом підкладки на високих частотах, набагато менші, ніж у звичайний тривимірний індуктор TSV.
З іншого боку, конденсатори метал-ізолятор-метал (MIM) також можуть бути виготовлені на скляній підкладці IPD за допомогою процесу осадження тонкої плівки та з’єднані з тривимірним індуктором TGV для формування тривимірної структури пасивного фільтра. Таким чином, процес IPD має широкий потенціал застосування для розробки нових тривимірних пасивних пристроїв.
Час публікації: 12 листопада 2024 р