Tehnologia de ambalare este unul dintre cele mai importante procese din industria semiconductoarelor. În funcție de forma pachetului, acesta poate fi împărțit în pachet de prize, pachet de montare pe suprafață, pachet BGA, pachet de dimensiune de cip (CSP), pachet de modul cu un singur cip (SCM, decalajul dintre cablajul de pe placa de circuit imprimat (PCB) și placa de circuit integrat (IC) se potrivește), pachetul de module multi-cip (MCM, care poate integra cipuri eterogene), pachetul de nivel de plachetă (WLP, inclusiv pachetul de nivel de placă cu fan-out (FOWLP), componente de montare la suprafață micro (microSMD), etc.), pachet tridimensional (pachet de interconectare micro bump, pachet de interconectare TSV etc.), pachet de sistem (SIP), sistem de cip (SOC).
Formele de ambalare 3D sunt împărțite în principal în trei categorii: tipul îngropat (îngroparea dispozitivului în cablaj multistrat sau îngropat în substrat), tipul substratului activ (integrarea plachetelor de siliciu: integrați mai întâi componentele și substratul plachetei pentru a forma un substrat activ apoi aranjați linii de interconectare multistrat și asamblați alte cipuri sau componente pe stratul superior) și tip stivuit (plachete de siliciu stivuite cu plăci de siliciu, cipuri stivuite cu napolitane de siliciu și cipuri stivuite cu cipuri).
Metodele de interconectare 3D includ lipirea sârmei (WB), cip flip (FC), prin siliciu (TSV), conductor de film etc.
TSV realizează interconectarea verticală între cipuri. Deoarece linia de interconectare verticală are cea mai scurtă distanță și o rezistență mai mare, este mai ușor de realizat miniaturizare, densitate ridicată, performanță ridicată și ambalare multifuncțională cu structură eterogenă. În același timp, poate interconecta și cipuri din diferite materiale;
în prezent, există două tipuri de tehnologii de fabricare a microelectronicei care utilizează procesul TSV: ambalare tridimensională a circuitelor (integrare 3D IC) și ambalare tridimensională din siliciu (integrare 3D Si).
Diferența dintre cele două forme este că:
(1) Ambalarea circuitelor 3D necesită ca electrozii de cip să fie pregătiți în denivelări, iar denivelările sunt interconectate (legate prin lipire, fuziune, sudură etc.), în timp ce ambalajul 3D de siliciu este o interconexiune directă între cipuri (legare între oxizi și Cu). -Lipirea Cu).
(2) Tehnologia de integrare a circuitelor 3D poate fi realizată prin legarea între plachete (ambalarea circuitelor 3D, ambalarea 3D de siliciu), în timp ce legarea cip-la-cip și lipirea cip-la-plachetă pot fi realizate numai prin ambalarea circuitului 3D.
(3) Există lacune între cipurile integrate prin procesul de ambalare a circuitului 3D, iar materialele dielectrice trebuie umplute pentru a ajusta conductibilitatea termică și coeficientul de dilatare termică al sistemului pentru a asigura stabilitatea proprietăților mecanice și electrice ale sistemului; nu există goluri între cipurile integrate prin procesul de ambalare cu siliciu 3D, iar consumul de energie, volumul și greutatea cipului sunt mici, iar performanța electrică este excelentă.
Procesul TSV poate construi o cale verticală a semnalului prin substrat și poate conecta RDL-ul pe partea de sus și de jos a substratului pentru a forma o cale de conductor tridimensional. Prin urmare, procesul TSV este una dintre pietrele de temelie importante pentru construirea unei structuri de dispozitiv pasive tridimensionale.
În conformitate cu ordinea dintre capătul frontal al liniei (FEOL) și capătul din spate al liniei (BEOL), procesul TSV poate fi împărțit în trei procese de producție principale, și anume, prin primul (ViaFirst), prin mijloc (Via Middle) și prin ultimul proces (Via Last), așa cum se arată în figură.
1. Prin procesul de gravare
Procesul de gravare prin via este cheia pentru fabricarea structurii TSV. Alegerea unui proces de gravare adecvat poate îmbunătăți în mod eficient rezistența mecanică și proprietățile electrice ale TSV și, în plus, poate fi legată de fiabilitatea generală a dispozitivelor tridimensionale TSV.
În prezent, există patru TSV principale prin procese de gravare: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), gravare umedă, gravare electrochimică foto-asistată (PAECE) și găurire cu laser.
(1) Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
Gravarea ionică reactivă profundă, cunoscută și sub numele de proces DRIE, este cel mai frecvent utilizat proces de gravare TSV, care este utilizat în principal pentru realizarea TSV prin structuri cu raport de aspect ridicat. Procesele tradiționale de gravare cu plasmă pot atinge în general doar o adâncime de gravare de câțiva microni, cu o rată scăzută de gravare și lipsă de selectivitate a măștii de gravare. Bosch a făcut îmbunătățiri corespunzătoare ale procesului pe această bază. Folosind SF6 ca gaz reactiv și eliberând gaz C4F8 în timpul procesului de gravare ca protecție la pasivare pentru pereții laterali, procesul DRIE îmbunătățit este potrivit pentru gravarea prin intermediul cu raport de aspect ridicat. Prin urmare, este numit și procesul Bosch după inventatorul său.
Figura de mai jos este o fotografie a unui raport de aspect ridicat, format prin gravarea procesului DRIE.
Deși procesul DRIE este utilizat pe scară largă în procesul TSV datorită controlabilității sale bune, dezavantajul său este că planeitatea peretelui lateral este slabă și se vor forma defecte de riduri în formă de scoici. Acest defect este mai semnificativ atunci când se gravează vias cu raport de aspect ridicat.
(2) Gravare umedă
Gravarea umedă folosește o combinație de mască și gravare chimică pentru a grava prin găuri. Cea mai frecvent utilizată soluție de gravare este KOH, care poate grava pozițiile de pe substratul de siliciu care nu sunt protejate de mască, formând astfel structura dorită a orificiului traversant. Gravarea umedă este cel mai timpuriu proces de gravare prin orificiu traversant dezvoltat. Deoarece etapele sale de proces și echipamentele necesare sunt relativ simple, este potrivit pentru producția în masă de TSV la costuri reduse. Cu toate acestea, mecanismul său de gravare chimică determină că orificiul traversant format prin această metodă va fi afectat de orientarea cristalului a plachetei de siliciu, făcând orificiul traversant gravat să nu fie vertical, dar prezentând un fenomen clar de sus larg și de jos îngust. Acest defect limitează aplicarea gravării umede în fabricarea TSV.
(3) Gravura electrochimică foto-asistată (PAECE)
Principiul de bază al gravării electrochimice foto-asistate (PAECE) este utilizarea luminii ultraviolete pentru a accelera generarea de perechi electron-gaură, accelerând astfel procesul de gravare electrochimică. În comparație cu procesul DRIE utilizat pe scară largă, procesul PAECE este mai potrivit pentru gravarea structurilor prin gaură cu raport de aspect ultra-mari mai mari de 100:1, dar dezavantajul său este că controlabilitatea adâncimii de gravare este mai slabă decât DRIE, iar tehnologia sa poate necesită cercetări suplimentare și îmbunătățirea procesului.
(4) Găurire cu laser
Este diferit de cele trei metode de mai sus. Metoda de găurire cu laser este o metodă pur fizică. Utilizează în principal iradierea cu laser de înaltă energie pentru a topi și evapora materialul substratului în zona specificată pentru a realiza fizic construcția prin gaură a TSV.
Orificiul traversant format prin găurire cu laser are un raport de aspect ridicat, iar peretele lateral este practic vertical. Cu toate acestea, deoarece găurirea cu laser utilizează de fapt încălzirea locală pentru a forma orificiul traversant, peretele găurii TSV va fi afectat negativ de daune termice și va reduce fiabilitatea.
2. Procesul de depunere a stratului de căptușeală
O altă tehnologie cheie pentru fabricarea TSV este procesul de depunere a stratului de căptușeală.
Procesul de depunere a stratului de căptușeală se realizează după ce gaura de trecere este gravată. Stratul de căptușeală depus este în general un oxid, cum ar fi SiO2. Stratul de căptușeală este situat între conductorul intern al TSV și substrat și joacă în principal rolul de a izola scurgerea curentului continuu. Pe lângă depunerea de oxid, straturile de barieră și semințe sunt, de asemenea, necesare pentru umplerea conductorului în următorul proces.
Stratul de căptușeală fabricat trebuie să îndeplinească următoarele două cerințe de bază:
(1) tensiunea de avarie a stratului izolator trebuie să îndeplinească cerințele de lucru efective ale TSV;
(2) straturile depuse sunt foarte consistente și au o bună aderență între ele.
Următoarea figură prezintă o fotografie a stratului de căptușeală depus prin depunerea de vapori chimici îmbunătățită cu plasmă (PECVD).
Procesul de depunere trebuie ajustat în consecință pentru diferite procese de fabricație a TSV. Pentru procesul de trecere frontală, un proces de depunere la temperatură ridicată poate fi utilizat pentru a îmbunătăți calitatea stratului de oxid.
Depunerea tipică la temperatură înaltă se poate baza pe ortosilicat de tetraetil (TEOS) combinat cu un proces de oxidare termică pentru a forma un strat izolator de SiO2 de înaltă calitate. Pentru procesul de trecere intermediară și de trecere din spate, deoarece procesul BEOL a fost finalizat în timpul depunerii, este necesară o metodă la temperatură scăzută pentru a asigura compatibilitatea cu materialele BEOL.
În această condiție, temperatura de depunere ar trebui să fie limitată la 450°, inclusiv utilizarea PECVD pentru a depune SiO2 sau SiNx ca strat izolator.
O altă metodă comună este utilizarea depunerii în strat atomic (ALD) pentru a depune Al2O3 pentru a obține un strat izolator mai dens.
3. Proces de umplere cu metal
Procesul de umplere cu TSV este efectuat imediat după procesul de depunere a căptușelii, care este o altă tehnologie cheie care determină calitatea TSV.
Materialele care pot fi umplute includ polisiliciu dopat, wolfram, nanotuburi de carbon etc., în funcție de procesul utilizat, dar cel mai curent este totuși cuprul galvanizat, deoarece procesul său este matur și conductivitatea electrică și termică este relativ ridicată.
În funcție de diferența de distribuție a ratei sale de galvanizare în orificiul traversant, acesta poate fi împărțit în principal în metode de galvanizare subconformale, conforme, superconforme și de jos în sus, așa cum se arată în figură.
Galvanizarea subconformală a fost utilizată în principal în stadiul incipient al cercetării TSV. După cum se arată în figura (a), ionii de Cu furnizați de electroliză sunt concentrați în partea de sus, în timp ce partea de jos este insuficient suplimentată, ceea ce face ca rata de galvanizare din partea superioară a găurii traversante să fie mai mare decât cea de sub partea de sus. Prin urmare, partea superioară a găurii traversante va fi închisă în avans înainte de a fi umplută complet și se va forma un gol mare în interior.
Diagrama schematică și fotografia metodei de galvanizare conformă sunt prezentate în figura (b). Asigurând suplimentarea uniformă a ionilor de Cu, rata de galvanizare la fiecare poziție din orificiul de trecere este practic aceeași, astfel încât doar o cusătură va rămâne în interior, iar volumul golului este mult mai mic decât cel al metodei de galvanizare subconformală, deci este utilizat pe scară largă.
Pentru a obține în continuare un efect de umplere fără goluri, a fost propusă metoda de galvanizare superconformă pentru a optimiza metoda de galvanizare conformă. După cum se arată în figura (c), prin controlul aprovizionării cu ioni de Cu, rata de umplere din partea inferioară este puțin mai mare decât cea din alte poziții, optimizând astfel gradientul treptat al ratei de umplere de jos în sus pentru a elimina complet cusătura din stânga. prin metoda de galvanizare conformă, astfel încât să se obțină o umplere completă cu cupru metalic fără goluri.
Metoda de galvanizare de jos în sus poate fi considerată un caz special al metodei super-conforme. În acest caz, rata de galvanizare, cu excepția părții inferioare, este suprimată la zero și numai galvanizarea este efectuată treptat de jos în sus. În plus față de avantajul lipsit de goluri al metodei de galvanizare conformă, această metodă poate reduce, de asemenea, în mod eficient timpul total de galvanizare, așa că a fost studiată pe scară largă în ultimii ani.
4. Tehnologia procesului RDL
Procesul RDL este o tehnologie de bază indispensabilă în procesul de ambalare tridimensională. Prin acest proces, interconexiunile metalice pot fi fabricate pe ambele părți ale substratului pentru a atinge scopul redistribuirii portului sau interconectarii între pachete. Prin urmare, procesul RDL este utilizat pe scară largă în sistemele de ambalare fan-in-fan-out sau 2.5D/3D.
În procesul de construire a dispozitivelor tridimensionale, procesul RDL este de obicei utilizat pentru a interconecta TSV pentru a realiza o varietate de structuri de dispozitiv tridimensionale.
În prezent, există două procese principale RDL. Primul se bazează pe polimeri fotosensibili și este combinat cu procese de galvanizare și gravare cu cupru; celălalt este implementat prin utilizarea procesului Cu Damasc combinat cu PECVD și procesul de lustruire mecanică chimică (CMP).
Următoarele vor introduce căile de proces principale ale acestor două RDL-uri, respectiv.
Procesul RDL bazat pe polimer fotosensibil este prezentat în figura de mai sus.
Mai întâi, un strat de adeziv PI sau BCB este acoperit pe suprafața plachetei prin rotație, iar după încălzire și întărire, se folosește un proces de fotolitografie pentru a deschide găurile în poziția dorită, apoi se efectuează gravarea. Apoi, după îndepărtarea fotorezistului, Ti și Cu sunt pulverizate pe placă printr-un proces fizic de depunere în vapori (PVD) ca strat de barieră și, respectiv, strat de semințe. Apoi, primul strat de RDL este fabricat pe stratul de Ti/Cu expus prin combinarea proceselor de fotolitografie și galvanizare cu Cu, iar apoi fotorezistul este îndepărtat și excesul de Ti și Cu sunt gravate. Repetați pașii de mai sus pentru a forma o structură RDL cu mai multe straturi. Această metodă este în prezent utilizată mai pe scară largă în industrie.
O altă metodă de fabricare a RDL se bazează în principal pe procesul Cu Damasc, care combină procesele PECVD și CMP.
Diferența dintre această metodă și procesul RDL bazat pe polimer fotosensibil este că în prima etapă de fabricație a fiecărui strat, PECVD este utilizat pentru a depune SiO2 sau Si3N4 ca strat izolator, iar apoi se formează o fereastră pe stratul izolator prin fotolitografie și Gravarea ionilor reactivi și stratul de barieră Ti/Cu/sămânță și, respectiv, cupru conductor sunt pulverizate, iar apoi stratul conductor este subțiat la grosimea necesară prin procesul CMP, adică se formează un strat de RDL sau strat traversant.
Următoarea figură este o diagramă schematică și o fotografie a secțiunii transversale a unui RDL multistrat construit pe baza procesului Cu Damasc. Se poate observa că TSV este mai întâi conectat la stratul traversant V01 și apoi stivuit de jos în sus în ordinea RDL1, stratul traversant V12 și RDL2.
Fiecare strat de RDL sau strat traversant este fabricat în succesiune conform metodei de mai sus.Deoarece procesul RDL necesită utilizarea procesului CMP, costul său de fabricație este mai mare decât cel al procesului RDL bazat pe polimer fotosensibil, deci aplicarea sa este relativ scăzută.
5. Tehnologia procesului IPD
Pentru fabricarea dispozitivelor tridimensionale, pe lângă integrarea directă pe cip pe MMIC, procesul IPD oferă o altă cale tehnică mai flexibilă.
Dispozitivele pasive integrate, cunoscute și ca proces IPD, integrează orice combinație de dispozitive pasive, inclusiv inductori pe cip, condensatori, rezistențe, convertoare balun etc. pe un substrat separat pentru a forma o bibliotecă de dispozitive pasive sub forma unei plăci de transfer care poate fi apelat în mod flexibil conform cerințelor de proiectare.
Deoarece în procesul IPD, dispozitivele pasive sunt fabricate și integrate direct pe placa de transfer, fluxul său de proces este mai simplu și mai puțin costisitor decât integrarea pe cip a circuitelor integrate și poate fi produs în masă în avans ca o bibliotecă de dispozitive pasive.
Pentru fabricarea dispozitivelor pasive tridimensionale TSV, IPD poate compensa eficient costurile proceselor de ambalare tridimensionale, inclusiv TSV și RDL.
Pe lângă avantajele de cost, un alt avantaj al IPD este flexibilitatea ridicată. Una dintre flexibilitatea IPD se reflectă în diversele metode de integrare, așa cum se arată în figura de mai jos. În plus față de cele două metode de bază de integrare directă a IPD în substratul pachetului prin procesul flip-chip, așa cum se arată în figura (a) sau procesul de lipire, așa cum este prezentat în figura (b), un alt strat de IPD poate fi integrat pe un singur strat. de IPD așa cum se arată în figurile (c)-(e) pentru a obține o gamă mai largă de combinații de dispozitive pasive.
În același timp, așa cum se arată în Figura (f), IPD-ul poate fi folosit în continuare ca placă adaptoare pentru a îngropa direct cipul integrat pe acesta pentru a construi direct un sistem de ambalare de înaltă densitate.
Când utilizați IPD pentru a construi dispozitive pasive tridimensionale, procesele TSV și RDL pot fi, de asemenea, utilizate. Fluxul procesului este practic același cu metoda de procesare a integrării pe cip menționată mai sus și nu se va repeta; diferența este că, deoarece obiectul integrării este schimbat de la cip la placă adaptor, nu este nevoie să se ia în considerare impactul procesului de ambalare tridimensională asupra zonei active și a stratului de interconectare. Acest lucru conduce în continuare la o altă flexibilitate cheie a IPD: o varietate de materiale de substrat pot fi selectate în mod flexibil în funcție de cerințele de proiectare ale dispozitivelor pasive.
Materialele substrat disponibile pentru IPD nu sunt doar materiale semiconductoare obișnuite, cum ar fi Si și GaN, ci și ceramică Al2O3, ceramică co-arsă la temperatură joasă/înaltă, substraturi din sticlă etc. Această caracteristică extinde în mod eficient flexibilitatea de proiectare a pasivelor. dispozitive integrate prin IPD.
De exemplu, structura inductorului pasiv tridimensional integrată de IPD poate folosi un substrat de sticlă pentru a îmbunătăți eficient performanța inductorului. Spre deosebire de conceptul de TSV, găurile de trecere realizate pe substratul de sticlă sunt denumite și traverse de sticlă (TGV). Fotografia inductorului tridimensional fabricat pe baza proceselor IPD și TGV este prezentată în figura de mai jos. Deoarece rezistivitatea substratului de sticlă este mult mai mare decât cea a materialelor semiconductoare convenționale, cum ar fi Si, inductorul tridimensional TGV are proprietăți de izolare mai bune, iar pierderea de inserție cauzată de efectul parazitar al substratului la frecvențe înalte este mult mai mică decât cea a inductorul tridimensional convențional TSV.
Pe de altă parte, condensatorii metal-izolant-metal (MIM) pot fi, de asemenea, fabricați pe substratul de sticlă IPD printr-un proces de depunere a filmului subțire și interconectați cu inductorul tridimensional TGV pentru a forma o structură de filtru pasiv tridimensional. Prin urmare, procesul IPD are un potențial larg de aplicare pentru dezvoltarea de noi dispozitive pasive tridimensionale.
Ora postării: 12-11-2024