Процесс TSV

TSVPроцессOVerview

2,5D/3D-упаковка, как текущая передовая технология Advanced Cackaging, имеет широкий спектр решений и будет динамически корректироваться в соответствии с различными потребностями применения и разработкой технологий, охватывающим прореживание чипов, связующую среду, проволочную связь, FLIP-соединение, TSV, пластиковую упаковку, подложку, кадр-кадр, кадрость, процесс тонкой пленки на уровне пластины и другие виды. Некоторые процессы должны быть дополнительно разработаны в соответствии с конкретными требованиями 2,5D/3D -упаковки, такой как технология проволочной связи в 3D -упаковке, которая имеет более высокие стандарты для высоты проволочной дуги и размера припоя, что требует улучшения процесса и инноваций. В дополнение к процессу TSV, эта книга представила большинство связанных технологий, и из -за пространственных ограничений эта глава фокусируется только на технологии процесса TSV.

По сравнению с проволочной связью, TSV может значительно сократить длину меж соединительных проводов, уменьшить задержку и потерю передачи сигнала, увеличить скорость передачи сигнала и пропускную способность, уменьшить потребление мощности и уменьшить размер упаковки и является одним из эффективных средств для достижения многофункциональных, высоких производительности, высокой надежности и более легких, тонких и меньших системных пакетов. В качестве основной технологии 2,5D/3D упаковки TSV отличается от другой 3D -упаковки, в которой используются посредники, такие как субстраты и проводка пленки, а чипы соединены проводящими вайсами и припоями, с меньшим тепловым несоответствием и более короткой длиной взаимосвязанного соединения.

0040-09094 Камера 200 мм

Превосходная производительность 3D -упаковки TSV и огромный потенциал разработки называются технологией упаковки четвертого поколения. В середине 80-х годов 20-го века была четко предложена концепция заполнения дирижеров в вертикальных TSV, хотя в то время она еще не реализована. В середине 90-х годов 20-го века Bosch разработала технологию глубокого реактивного ионного травления (DRIE), которая позволила получить вертикальные глубокие дыры на кремниевых пластинах. В конце 20 -го века высокое коэффициент глубины, заполненный вольфрамами или проводниками полисиликона, было успешно достигнуто. С 2000 года гальваническая медь в глубоких отверстиях постепенно становится главным способом заполнения высокого соотношения пропасти TSV. С тех пор достижения в связи с пластинкой, производством ударов, ухудшением пластин и химической механической полировке дополнительно способствовали улучшению технологии упаковки TSV.

0020-33806 Верхняя камера DPS + Poly

Процесс TSV

Технология TSV по сути является процессом уровня пластины, поэтому ее производство может быть интегрировано в различные аспекты процесса производства интегрированных цепей, которые можно разделить на четыре типа: спереди спереди, сначала через переднюю середину, переднюю заднюю часть и обратно через.

Фронтовые VIAS относятся к буровым отверстиям на поверхности активной цепи пластины. Фронт-фронт с помощью технологии-это образование VIAS на начальном кремниевом субстрате, то есть изготовление сквозного отверстия завершено до того, как будет образован активный слой изготовительного процесса переднего интерната, и изготовление TSV может быть выполнено до того, как металлический процесс взаимосвязанного соединения на переднем конце вафера. Значительное преимущество этого решения заключается в том, что ему не нужно изменять процесс и проектирование существующих интегрированных цепей, а также может снизить стоимость осаждения семян, сокращать время покрытия и увеличить производственные мощности, а некоторые производители приняли эту технологию в области высокого класса Flash и DRAM. Когда отверстия TSV производятся между CMO и задней частью линии (BEOL), они называются первыми средами, где BEOL относится к обработке обработки микросхем, который начинается с первого слоя металлического взаимодействия после завершения одного устройства и завершается в ткани пластин. Технология задней стороны после отверстия пробурена на задней стороне после того, как чип или пластина связана с другой пластиной.

Процесс производства TSV заключается в следующем: (1) просверлите глубокие отверстия на кремниевой пластине, чтобы превышать толщину цели TSV; (2) осадочный средний слой; (3) осаждение барьерных слоев, слоев адгезии и слоев семян на поверхности кремниевых пластин и глубоких пор; (4) заполните глубокое отверстие гальванией меди или другими проводящими материалами; (5) используйте химическую механическую полировку для достижения поверхностного сглаживания и удаления избыточного слоя металлов семян; (6) Медный слой или проводящий проводящий слой, проводящий скромный, подвергается шлифованию или травлению.

Ключевые процессы для технологии TSV

Ключевые процессы TSV включают истончение пластины, изготовление сквозной скважины и связь.

1. Прояснивание

Процесс TSV имеет строгие требования к толщине пластины, которые необходимо контролировать в пределах 75 мкм; При увеличении плотности упаковки TSV и уменьшения размера диафрагмы толщина пластины все еще уменьшается, поэтому истончение пластины стала одной из ключевых связей процесса TSV. Процесс прореживания традиционной упаковки обычно должен только уменьшить пластину до 200 ~ 350 мкм, и специальная упаковка должна быть уменьшена только до 150 ~ 180 мкм, после чего кремниевая пластина все еще достаточно толстая, чтобы противостоять повреждению и внутреннему напряжению, вызванному измельчением во время процесса истончения, и его собственная жесткость легко транспортироваться. Тем не менее, процесс TSV требует истончения пластины до менее чем 50 мкм, и как уменьшить ущерб и достичь стабильного переноса гибких пластин, стало новой проблемой. В традиционном процессе прореживания повреждение поверхности, оставленное после шероховатого шлифования и тонкого шлифования, является основной причиной разрушения кремния - шлифование - это физически поврежденный процесс, который удаляет кремниевый материал посредством физического давления, повреждения, растрескивания и удаления. Чтобы устранить такое повреждение поверхности и стресс, отрасль пробовала различные методы, такие как сухой полировка, влажная полировка, сухое травление и влажное травление. В настоящее время основным решением в отрасли является использование интегрированного оборудования, которое интегрирует измельчение, полировку, снятие защитных пленок и набивание пленки, вставленные на кремниевые пластины в одном и том же оборудовании, а весь процесс кремниевых пластин от шлифования до вставки пленки на кубиках адсорбируется на плоскостном состоянии. Когда кремниевая пластина вставлена на пленку на кубиках, даже если толщина тоньше, чем пленка, она останется плоской в соответствии с формой пленки и больше не будет деформировать и не провисать, тем самым решая проблему транспорта.

2. Через дыру

1) тренировка

Бурение пластины является основной частью процесса TSV, и в настоящее время используется два основных метода: сухое травление (также известное как травление Bosch) и лазерное травление. Первоначально разработанный для технологии MEMS, процесс травления Bosch характеризуется быстрым чередующимся удалением кремния (с использованием травления плазмы SF₆) и пассивации боковой стенки (с использованием отложения CF₄ в плазме). Скорость холодного травления может достигать 50 мкм/мин, соотношение сторон может достигать 1:80, а точность-субмикрон.

Лазерное травление устраняет необходимость в масках, устраняя необходимость в фоторезистском покрытии, воздействии, развитии и дегумации. Samsung в Южной Корее применила эту технологию к укладке памяти. Отношение сторон лазерного травления составляет около 7: 1, что слабее, чем сухое травление, и более подходит для сценариев с небольшим количеством VIAS на чипе. Если количество сквозных отверстий превышает 10000, эффективность использования литографии в сочетании с сухим травлением выше. Кроме того, когда размер сквозной отверстия уменьшается до менее чем 10 мкм, все еще трудно еще больше уменьшить размер отверстия при лазерном бурении.

2) через изоляцию отверстия

Изоляция сквозной лучи обычно осаждается процессом сердечно-сосудистых заболеваний с помощью изоляционного слоя оксида (SIO₂) и силана или TEOS в качестве сырья. Если изоляция TSV и заполнение выполняются после изготовления чипа, следует выбрать соответствующую температуру осаждения, чтобы избежать воздействия на завершенные детали схемы. Типичная температура осаждения TEOS составляет 275 ~ 350 градусов, и можно получить функциональный изоляционный слой с подходящей производительностью. Для таких приложений, как CMOS -датчики изображения и память, требуются более низкие температуры осаждения. В настоящее время некоторые производители оборудования разработали технологию оксида низкотемпературного оксида для отложения тонких пленок при комнатной температуре в качестве высокоэффективного органического изоляционного слоя для TSV.

3) Барьерный слой, слой семян и наполнитель

В медном процессе сквозного слоя оловянного адгезии/барьерного слоя и слоя семян медь обычно осаждаются распылением. Однако для сквозных отверстий с соотношением глубины к ширине, превышающим 4: 1, эффект пошагового охвата традиционной технологии магнитрона PVD DC не является хорошей, в то время как технология PVD на основе ионизированной металлической плазмы (IMP) может достигать равномерного осаждения боковой стенки отверстия и нижнего семенного слоя меди. Из -за низкой стоимости гальванической меди, сквозные отверстия обычно заполняются гальванированной медью после осаждения семян. Однако во время покрытия TSV отверстие будет собирать больше линий электропередачи из -за эффекта наконечника, что приведет к гораздо более высокой плотности тока, чем в отверстии. Без добавок скорость осаждения отверстия будет намного быстрее, чем в отверстии, а обмен ионный медь в скважине сложно, и легко заполнить отверстие и не полностью откладывать в отверстие. Следовательно, необходимо отрегулировать скорость осаждения в нижней части, боковой стенке и поверхности отверстия с помощью добавок (ингибирование осаждения отверстия и усиление осаждения нижней части) или использование периодического обратного пульсированного тока для достижения полного заполнения сквозного отверстия. Полая медная заполнение занимает много времени и снижает эффективность производства, что является проблемой, с которой сталкивается медная наполнение TSV.

3. Связь TSV

Процесс, используемый в связи TSV, включает в себя технологию интерметаллической связи и связывание полимерных связей. Основной целью связывания является образование стабильных механических соединений, электрических соединений и каналов термической проводимости между чипами или компонентами, интегрируя первоначально отдельные чипы и компоненты в полный упакованный продукт.

С точки зрения характеристик процесса связывания, интерметаллическая связь в основном делится на две категории: связь термокомпрессии и эвтектическая связь. Например, соединение медного коллеги использует горячее прессование, в то время как медная-тина, золотой точки и т. Д. Связь принадлежит эвтектическому связующему. Принцип связи с горячим прессом меди состоит в том, что в вакуумной среде или защитной атмосфере примените высокую температуру и высокое давление к двум близко связанным поверхностям меди и поддерживали его в течение достаточно длительного времени, чтобы атомы меди на двух связывающих поверхностях были полностью рассеяны и, наконец, включились в целое, чтобы достичь связывания. Тем не менее, этот метод связывания занимает много времени и требует более строгих условий процесса.

В последние годы низкотемпературная металлическая связь стала исследовательской точкой доступа в области упаковки. Исследователи надеются найти метод связывания, который может образовывать хорошие электрические и механические связи при более низких температурах, а продукты реакции могут выдерживать высокие температуры. Связь из медного олова предпочтительнее из-за ее превосходных электрических и тепловых свойств, а также низкой температуры связывания (температура плавления олова составляет 232 градуса). Во время процесса эвтектической связи меди металлическая олова расплавляется, образуя жидкое состояние при низкой температуре, которое способствует полному контакту между медью и оловом, ускоряет диффузию между ними и быстро генерирует метастабильные интермететаллические соединения с высокой температурой плавления Cu₆sn₅ (точка плавления 415 градуса) и стабильный состав Custround Coundsn (Melting 676, и. Этот метод связывания может эффективно предотвратить плавление связанной части из -за тепла во время последующего процесса связывания при укладке нескольких слоев, что имеет решающее значение для надежности 3D -упаковки. Кроме того, из-за хорошей способности деформации оловянной припоя, соединение медных точек не требует высокой плоскостности и чистоты связующей поверхности, даже если на поверхности есть определенные волны или крошечные частицы, можно сформировать хорошую связь. В то же время жидкая олова может ускорить диффузию между медью и оловом, что повышает эффективность связи. По мере увеличения плотности взаимосвязи, новейшие разработки в области гибридной технологии связывания также могут стать важным выбором.

TSV Development Development

Технология TSV обеспечивает 2,5D и 3D -упаковку, которая предлагает значительные преимущества с точки зрения плотности упаковки и длины взаимосвязан в текущих 3D -решениях. Следовательно, прогресс применения TSV в определенной степени отражает передовую тенденцию развития в области 3D-упаковки.

1. CMOSIмагSЭнсор

В 2006 году Toshiba Corporation запустила первый в мире продукт с интегрированной технологией TSV, CMOS -датчиком изображения (CIS), и массовое производство было достигнуто в 2007 году. Повышение эффективности и миниатюризация являются основными движущими силами развития CIS. Разработка 3D-датчиков изображений CMOS, оснащенных TSV, последовательно прошла через стадии визуализации передней стороны (FSI), обратной визуализации (BSI), а затем гибридного 3D-сложенного BSI. В настоящее время CIS является крупнейшим рынком приложений для технологии TSV.

2. Полевые приложения MEMS

В конце 20 -го века технология глубокого ионного травления стала применяться к MEMS для изготовления Polysilicon TSV (например, используемых в микрокантилеверных лучах и микромеханических ультразвуковых матрицах транс -дар), а также монокристаллинные кремниевые TSV (такие как структуры силика -эзоляции в структурах микроэринговых). В 21-м веке многие производители MEMS и литейные заведения коммерциализировали продукты инерционных датчиков и связанные с ними услуги по производству, включая воздушные кремниевые TSV для вакуумной упаковки на уровне пластины (WLVP). В то же время тонкопленочные акустические резонаторы (FBARS) с использованием технологии TSV и WLVP с полым металлом также были коммерциализированы и широко используются в беспроводной связи. Интеграция технологии TSV и WLVP в MEMS может снизить размер и стоимость пакета до 1/10 до 1/5 от первоначальной цены, что значительно ускорило принятие MEMS в потребительской и мобильной электронике за последнее десятилетие. В 2014 году Bosch разработал и запустил интегрированный датчик MEMS, основанный на TSV с фронтальной чертой, который использует TSV из 10 мкМ × 100 мкм сквозного отверстия (соотношение диаметра 10: 1), которая изготовлена из комплексной комплексной упаковки поверхности и толщины упаковки по сравнению с другими мем. В настоящее время MEMS стал важной областью применения технологии TSV.

3. Приложения поля памяти

Технология TSV может эффективно повысить способность памяти и пропускную способность - с высокой плотностью TSV TSV -вертикальной технологии взаимосвязанного соединения, укладка нескольких чипов может значительно повысить способность памяти и производительность. Основные производители памяти приняли технологию TSV 3D -укладки для разработки соответствующих продуктов. В 2009 году Samsung запустил 8D 3D DMD3 DRAM на основе TSV 3D -упаковки, которая снижает резервную мощность на 50% и 25% соответственно и увеличивает скорость ввода/вывода до более чем 1600 МБ/с до 300 TSV. В 2014 году компания выпустила 16 ГБ 3D DDR4 SDRAM с технологией TSV, с показателем ввода/вывода 2,4 ГБ/с и стеком из 4 чипов.

Технология TSV также имеет важные приложения в памяти с высокой пропускной способностью (HBM). Стек HBM физически не интегрирован с процессором или графическим процессором, но взаимосвязан с помощью платы TSV с высокой плотностью. HBM имеет более высокую скорость и более высокую пропускную способность из-за его характеристик, близких к оперативной памяти, что делает его подходящим для сценариев с высокой пропускной способностью памяти. В высокопроизводительных приложениях CPU/GPU 2,5D Adapter Poards играют ключевую роль в качестве технологии на основе платформы. Память, особенно продукты HBM, значительно увеличила пропускную способность благодаря технологии TSV. В 2014 году Hynix выпустил 8-канальную 8-канальную память с высокой пропускной способностью 1,2 В, с помощью полосы пропускания 128 ГБ/с с использованием процесса 29 нм и технологии TSV. В настоящее время память является одним из основных рынков применения для технологии TSV.

Samsung 3D DDR4 DRAM Package

4. Применение в других областях

Электроника, аналоговая электроника и коммуникация также являются важными позициями применения технологии TSV. В 2021 году команда Fengjuan Wang из Технологического университета Сянь, Университет Ссидиана и Манчестерского университета предложила и разработала три фильтра Ultra-Small Hairpin Bandpin Plaispin, основанные на технологии TSV для потребностей 6G мобильной связи.

Технический обзор TSV
По мере того, как технология TSV продолжает развиваться, размер сквозной дыры продолжает сокращаться, а толщина каждого слоя чипов в стеке также будет дополнительно уменьшена. Исследования показали, что когда толщина пластины уменьшается до менее чем 5 мкм, производительность цепи не будет значительно ухудшаться. Предсказывается, что в ближайшие десять лет развитие традиционных устройств постепенно затрагивает их собственные физические ограничения, и сложность последующих прорывов может значительно увеличиться; Тем не менее, новые устройства, такие как одномерные материалы, все еще находятся на лабораторной стадии и трудно достичь крупномасштабной коммерциализации. Таким образом, постоянное улучшение интеграции на уровне упаковки стало ключевым в настоящее время, и через SILICON с помощью технологий будет оставаться исследовательской точкой в микроэлектронике в ближайшие несколько лет. Спрос на TSV в быстро развивающихся приложениях для чипов, таких как память, логические схемы и датчики изображений CMOS, будут продолжать способствовать улучшению и модернизации этой технологии.

Кроме того, технология TSV также может достичь гетерогенной интеграции различных типов чипов - например, усилители мобильного телефона в основном используют технологию GAAS, с помощью которых схемы GAAS можно связать с CMOS -цепями, чтобы сформировать полную функциональную схему. Тем не менее, хотя бы быстро развиваться, 3D-упаковка по-прежнему сталкивается со многими проблемами, и такие проблемы, как надежность, рассеяние тепла, сопоставление материалов и тестирование чипов, все еще необходимо тщательно изучить, чтобы способствовать коммерциализации через SILICON с помощью технологии.