La tecnologia d'embalatge és un dels processos més importants de la indústria dels semiconductors. Segons la forma del paquet, es pot dividir en paquet de sòcols, paquet de muntatge superficial, paquet BGA, paquet de mida de xip (CSP), paquet de mòdul de xip únic (SCM, la bretxa entre el cablejat a la placa de circuit imprès (PCB) i les coincidències de la placa de circuit integrat (IC), el paquet de mòduls multixip (MCM, que pot integrar xips heterogenis), el paquet de nivell d'hòstia (WLP, inclòs el paquet de nivell d'hòstia de sortida (FOWLP), components de muntatge en superfície micro (microSMD), etc.), paquet tridimensional (paquet d'interconnexió micro bump, paquet d'interconnexió TSV, etc.), paquet de sistema (SIP), sistema de xip (SOC).
Les formes d'embalatge 3D es divideixen principalment en tres categories: tipus enterrat (enterrar el dispositiu en cablejat multicapa o enterrat al substrat), tipus de substrat actiu (integració d'hòsties de silici: primer integreu els components i el substrat de l'hòstia per formar un substrat actiu). A continuació, organitzeu línies d'interconnexió multicapa i munteu altres xips o components a la capa superior) i tipus apilats (hòsties de silici apilades amb hòsties de silici, fitxes apilades amb hòsties de silici i fitxes apilades amb xips).
Els mètodes d'interconnexió 3D inclouen unió de filferro (WB), xip de volta (FC), a través de silici (TSV), conductor de pel·lícula, etc.
TSV realitza la interconnexió vertical entre xips. Atès que la línia d'interconnexió vertical té la distància més curta i la resistència més alta, és més fàcil realitzar envasos d'estructura heterogènia multifuncional, d'alta densitat, d'alt rendiment i miniaturització. Al mateix temps, també pot interconnectar xips de diferents materials;
Actualment, hi ha dos tipus de tecnologies de fabricació de microelectrònica que utilitzen el procés TSV: embalatge de circuits tridimensionals (integració IC 3D) i embalatge tridimensional de silici (integració 3D Si).
La diferència entre les dues formes és que:
(1) L'embalatge de circuits 3D requereix que els elèctrodes de xip estiguin preparats en cops i els cops estiguin interconnectats (enllaçats per unió, fusió, soldadura, etc.), mentre que l'embalatge de silici 3D és una interconnexió directa entre xips (enllaç entre òxids i Cu). -Enllaç Cu).
(2) La tecnologia d'integració de circuits 3D es pot aconseguir mitjançant la unió entre hòsties (embalatge de circuits 3D, embalatge de silici 3D), mentre que l'enllaç de xip a xip i l'enllaç de xip a hòstia només es poden aconseguir mitjançant l'envasament de circuits 3D.
(3) Hi ha buits entre els xips integrats pel procés d'embalatge de circuits 3D i s'han d'omplir materials dielèctrics per ajustar la conductivitat tèrmica i el coeficient d'expansió tèrmica del sistema per garantir l'estabilitat de les propietats mecàniques i elèctriques del sistema; no hi ha buits entre els xips integrats pel procés d'embalatge de silici 3D, i el consum d'energia, el volum i el pes del xip són petits i el rendiment elèctric és excel·lent.
El procés TSV pot construir un camí de senyal vertical a través del substrat i connectar el RDL a la part superior i inferior del substrat per formar un camí conductor tridimensional. Per tant, el procés TSV és una de les pedres angulars importants per construir una estructura de dispositiu passiu tridimensional.
Segons l'ordre entre l'extrem frontal de la línia (FEOL) i l'extrem posterior de la línia (BEOL), el procés TSV es pot dividir en tres processos de fabricació principals, és a dir, per primer (ViaFirst), per mitjà (Via Middle) i mitjançant l'últim procés (Via Last), tal com es mostra a la figura.
1. Mitjançant el procés de gravat
El procés de gravat via és la clau per a la fabricació de l'estructura de TSV. L'elecció d'un procés de gravat adequat pot millorar eficaçment la resistència mecànica i les propietats elèctriques de TSV i, a més, es pot relacionar amb la fiabilitat global dels dispositius tridimensionals de TSV.
Actualment, hi ha quatre TSV principals mitjançant processos de gravat: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), gravat humit, gravat electroquímic fotoassistit (PAECE) i perforació làser.
(1) Gravat d'ions reactius profunds (DRIE)
El gravat iònic reactiu profund, també conegut com a procés DRIE, és el procés de gravat TSV més utilitzat, que s'utilitza principalment per realitzar TSV mitjançant estructures amb una relació d'aspecte elevada. Els processos tradicionals de gravat per plasma generalment només poden assolir una profunditat de gravat de diverses micres, amb una baixa taxa de gravat i manca de selectivitat de màscara de gravat. Bosch ha fet les millores de procés corresponents sobre aquesta base. Mitjançant l'ús de SF6 com a gas reactiu i l'alliberament de gas C4F8 durant el procés de gravat com a protecció de passivació per a les parets laterals, el procés DRIE millorat és adequat per gravar vies d'alta relació d'aspecte. Per tant, també s'anomena procés Bosch pel seu inventor.
La figura següent és una foto d'una relació d'aspecte alta mitjançant el gravat del procés DRIE.
Tot i que el procés DRIE s'utilitza àmpliament en el procés TSV a causa de la seva bona controlabilitat, el seu desavantatge és que la planitud de la paret lateral és deficient i es formaran defectes d'arrugues en forma de vieira. Aquest defecte és més significatiu quan s'estan gravant vies d'alta relació d'aspecte.
(2) Gravat humit
L'aiguafort humit utilitza una combinació de màscara i gravat químic per gravar els forats. La solució de gravat més utilitzada és KOH, que pot gravar les posicions del substrat de silici que no estan protegides per la màscara, formant així l'estructura de forat passant desitjada. L'aiguafort humit és el primer procés de gravat per forat passant desenvolupat. Com que els seus passos de procés i l'equip necessari són relativament senzills, és adequat per a la producció massiva de TSV a baix cost. Tanmateix, el seu mecanisme de gravat químic determina que el forat passant format per aquest mètode es veurà afectat per l'orientació del cristall de l'hòstia de silici, fent que el forat passant gravat no sigui vertical, però mostra un fenomen clar de part superior ample i inferior estreta. Aquest defecte limita l'aplicació del gravat humit en la fabricació de TSV.
(3) Gravat electroquímic fotoassistit (PAECE)
El principi bàsic del gravat electroquímic fotoassistit (PAECE) és utilitzar llum ultraviolada per accelerar la generació de parells d'electrons-forat, accelerant així el procés de gravat electroquímic. En comparació amb el procés DRIE àmpliament utilitzat, el procés PAECE és més adequat per gravar estructures de forat passant amb una relació d'aspecte ultra gran superior a 100:1, però el seu desavantatge és que la capacitat de control de la profunditat de gravat és més feble que la DRIE i la seva tecnologia pot requereixen més investigacions i millores de processos.
(4) Perforació làser
És diferent dels tres mètodes anteriors. El mètode de perforació làser és un mètode purament físic. Utilitza principalment la irradiació làser d'alta energia per fondre i evaporar el material del substrat a l'àrea especificada per realitzar físicament la construcció del forat passant de TSV.
El forat passant format per la perforació làser té una relació d'aspecte elevada i la paret lateral és bàsicament vertical. Tanmateix, atès que la perforació làser en realitat utilitza calefacció local per formar el forat passant, la paret del forat de TSV es veurà afectada negativament pel dany tèrmic i reduirà la fiabilitat.
2. Procés de deposició de la capa de revestiment
Una altra tecnologia clau per a la fabricació de TSV és el procés de deposició de la capa de revestiment.
El procés de deposició de la capa de revestiment es realitza després de gravar el forat passant. La capa de revestiment dipositada és generalment un òxid com el SiO2. La capa de revestiment es troba entre el conductor intern del TSV i el substrat, i té principalment el paper d'aïllar les fuites de corrent continu. A més de dipositar òxid, també es necessiten capes de barrera i llavors per a l'ompliment del conductor en el següent procés.
La capa de revestiment fabricada ha de complir els dos requisits bàsics següents:
(1) la tensió de ruptura de la capa aïllant ha de complir els requisits de treball reals de TSV;
(2) les capes dipositades són molt consistents i tenen una bona adhesió entre si.
La figura següent mostra una foto de la capa de revestiment dipositada per deposició de vapor químic millorat per plasma (PECVD).
El procés de deposició s'ha d'ajustar en conseqüència per als diferents processos de fabricació de TSV. Per al procés de forat frontal, es pot utilitzar un procés de deposició a alta temperatura per millorar la qualitat de la capa d'òxid.
La deposició típica a alta temperatura es pot basar en ortosilicat de tetraetil (TEOS) combinat amb un procés d'oxidació tèrmica per formar una capa aïllant de SiO2 d'alta qualitat altament consistent. Per al procés del forat mitjà i del forat posterior, ja que el procés BEOL s'ha completat durant la deposició, es requereix un mètode de baixa temperatura per garantir la compatibilitat amb els materials BEOL.
En aquesta condició, la temperatura de deposició s'hauria de limitar a 450 °, inclòs l'ús de PECVD per dipositar SiO2 o SiNx com a capa aïllant.
Un altre mètode comú és utilitzar la deposició de capa atòmica (ALD) per dipositar Al2O3 per obtenir una capa aïllant més densa.
3. Procés d'ompliment de metall
El procés d'ompliment de TSV es realitza immediatament després del procés de deposició del revestiment, que és una altra tecnologia clau que determina la qualitat del TSV.
Els materials que es poden omplir inclouen polisilici dopat, tungstè, nanotubs de carboni, etc. en funció del procés utilitzat, però el més habitual segueix sent el coure galvanitzat, perquè el seu procés és madur i la seva conductivitat elèctrica i tèrmica és relativament elevada.
Segons la diferència de distribució de la seva taxa de galvanoplastia al forat passant, es pot dividir principalment en mètodes de galvanoplastia subconformes, conformals, superconformes i de baix a dalt, tal com es mostra a la figura.
La galvanoplastia subconformal es va utilitzar principalment en les primeres fases de la investigació del TSV. Com es mostra a la figura (a), els ions de Cu proporcionats per l'electròlisi es concentren a la part superior, mentre que la part inferior no es complementa prou, cosa que fa que la taxa de galvanoplastia a la part superior del forat passant sigui més alta que la que hi ha a sota de la part superior. Per tant, la part superior del forat passant es tancarà per endavant abans que s'ompli completament i es formarà un gran buit a l'interior.
El diagrama esquemàtic i la foto del mètode de galvanoplastia conforme es mostren a la figura (b). En garantir la suplementació uniforme dels ions Cu, la taxa de galvanoplastia a cada posició del forat passant és bàsicament la mateixa, de manera que només es deixarà una costura a l'interior i el volum buit és molt més petit que el del mètode de galvanoplastia subconforme, de manera que és molt utilitzat.
Per tal d'aconseguir encara més un efecte d'ompliment lliure de buits, es va proposar el mètode de galvanoplastia superconformal per optimitzar el mètode de galvanoplastia conforme. Com es mostra a la figura (c), controlant el subministrament d'ions Cu, la velocitat d'ompliment a la part inferior és lleugerament superior a la d'altres posicions, optimitzant així el gradient de pas de la velocitat d'ompliment de baix a dalt per eliminar completament la costura esquerra. pel mètode de galvanoplastia conforme, per aconseguir un farcit de coure metàl·lic completament lliure de buits.
El mètode de galvanoplastia de baix a dalt es pot considerar com un cas especial del mètode superconforme. En aquest cas, la taxa de galvanoplastia, excepte la part inferior, es suprimeix a zero i només la galvanoplastia es realitza gradualment de baix a dalt. A més de l'avantatge lliure de buits del mètode de galvanoplastia conforme, aquest mètode també pot reduir eficaçment el temps global de galvanoplastia, de manera que s'ha estudiat àmpliament en els darrers anys.
4. Tecnologia de procés RDL
El procés RDL és una tecnologia bàsica indispensable en el procés d'embalatge tridimensional. Mitjançant aquest procés, es poden fabricar interconnexions metàl·liques a banda i banda del substrat per aconseguir la finalitat de la redistribució de ports o la interconnexió entre paquets. Per tant, el procés RDL s'utilitza àmpliament en sistemes d'embalatge fan-in-fan-out o 2.5D/3D.
En el procés de construcció de dispositius tridimensionals, el procés RDL s'utilitza normalment per interconnectar TSV per realitzar una varietat d'estructures de dispositius tridimensionals.
Actualment hi ha dos processos principals de RDL. El primer es basa en polímers fotosensibles i es combina amb processos de galvanoplastia i gravat de coure; l'altre s'implementa mitjançant el procés de Cu Damasc combinat amb PECVD i el procés de poliment mecànic químic (CMP).
A continuació es presentaran els camins de procés principals d'aquests dos RDL respectivament.
El procés RDL basat en polímers fotosensibles es mostra a la figura anterior.
Primer, es recobreix una capa de cola PI o BCB a la superfície de l'hòstia per rotació i, després d'escalfar i curar, s'utilitza un procés de fotolitografia per obrir forats a la posició desitjada i, a continuació, es realitza el gravat. A continuació, després d'eliminar el fotoresist, el Ti i el Cu es fan polver a l'hòstia mitjançant un procés físic de deposició de vapor (PVD) com a capa barrera i capa de llavors, respectivament. A continuació, es fabrica la primera capa de RDL a la capa de Ti/Cu exposada combinant processos de fotolitografia i galvanoplastia de Cu, i després s'elimina la fotoresistència i l'excés de Ti i Cu es grava. Repetiu els passos anteriors per formar una estructura RDL multicapa. Aquest mètode és actualment més utilitzat en la indústria.
Un altre mètode per fabricar RDL es basa principalment en el procés Cu Damascus, que combina processos PECVD i CMP.
La diferència entre aquest mètode i el procés RDL basat en polímers fotosensibles és que en el primer pas de fabricació de cada capa, s'utilitza PECVD per dipositar SiO2 o Si3N4 com a capa aïllant, i després es forma una finestra sobre la capa aïllant mitjançant fotolitografia i El gravat d'ions reactius i la capa de barrera/llavor de Ti/Cu i el coure conductor es fan polborees respectivament, i després la capa conductora és s'aprima fins al gruix requerit mitjançant el procés CMP, és a dir, es forma una capa de RDL o capa de forat.
La figura següent és un diagrama esquemàtic i una foto de la secció transversal d'un RDL multicapa construït a partir del procés Cu Damascus. Es pot observar que TSV es connecta primer a la capa de forat passant V01, i després s'apila de baix a dalt en l'ordre de RDL1, capa de forat passant V12 i RDL2.
Cada capa de RDL o capa de forat passant es fabrica en seqüència segons el mètode anterior.Com que el procés RDL requereix l'ús del procés CMP, el seu cost de fabricació és superior al del procés RDL basat en polímers fotosensibles, per la qual cosa la seva aplicació és relativament baixa.
5. Tecnologia de procés IPD
Per a la fabricació de dispositius tridimensionals, a més de la integració directa en xip a MMIC, el procés IPD proporciona un altre camí tècnic més flexible.
Els dispositius passius integrats, també coneguts com a procés IPD, integren qualsevol combinació de dispositius passius, inclosos inductors en xip, condensadors, resistències, convertidors balun, etc. en un substrat separat per formar una biblioteca de dispositius passius en forma de placa de transferència que pot anomenar-se de manera flexible segons els requisits de disseny.
Atès que en el procés IPD, els dispositius passius es fabriquen i s'integren directament a la placa de transferència, el seu flux de procés és més senzill i menys costós que la integració en xip dels circuits integrats, i es pot produir en massa per endavant com a biblioteca de dispositius passius.
Per a la fabricació de dispositius passius tridimensionals de TSV, IPD pot compensar eficaçment la càrrega de costos dels processos d'embalatge tridimensionals, inclosos TSV i RDL.
A més dels avantatges de costos, un altre avantatge de l'IPD és la seva alta flexibilitat. Una de la flexibilitat de l'IPD es reflecteix en els diversos mètodes d'integració, tal com es mostra a la figura següent. A més dels dos mètodes bàsics d'integració directa de l'IPD al substrat del paquet mitjançant el procés de xip de volta, tal com es mostra a la figura (a) o el procés d'unió com es mostra a la figura (b), es pot integrar una altra capa d'IPD en una capa. d'IPD tal com es mostra a les figures (c)-(e) per aconseguir una gamma més àmplia de combinacions de dispositius passius.
Al mateix temps, tal com es mostra a la figura (f), l'IPD es pot utilitzar encara més com a placa adaptadora per enterrar directament el xip integrat per construir directament un sistema d'embalatge d'alta densitat.
Quan s'utilitza IPD per construir dispositius passius tridimensionals, també es poden utilitzar els processos TSV i RDL. El flux del procés és bàsicament el mateix que el mètode de processament d'integració en xip esmentat anteriorment i no es repetirà; la diferència és que, com que l'objecte d'integració es canvia del xip a la placa adaptadora, no cal tenir en compte l'impacte del procés d'embalatge tridimensional en l'àrea activa i la capa d'interconnexió. Això condueix a més a una altra flexibilitat clau de l'IPD: es poden seleccionar de manera flexible una varietat de materials de substrat segons els requisits de disseny dels dispositius passius.
Els materials de substrat disponibles per a IPD no només són materials de substrat semiconductors comuns, com ara Si i GaN, sinó també ceràmica Al2O3, ceràmica cococida a baixa/alta temperatura, substrats de vidre, etc. Aquesta característica amplia efectivament la flexibilitat de disseny de passius. dispositius integrats per IPD.
Per exemple, l'estructura de l'inductor passiu tridimensional integrada per IPD pot utilitzar un substrat de vidre per millorar eficaçment el rendiment de l'inductor. En contrast amb el concepte de TSV, els forats passants fets al substrat de vidre també s'anomenen vias de vidre passant (TGV). La foto de l'inductor tridimensional fabricat a partir dels processos IPD i TGV es mostra a la figura següent. Com que la resistivitat del substrat de vidre és molt superior a la dels materials semiconductors convencionals com el Si, l'inductor tridimensional TGV té millors propietats d'aïllament i la pèrdua d'inserció causada per l'efecte paràsit del substrat a altes freqüències és molt menor que la de l'inductor tridimensional TSV convencional.
D'altra banda, els condensadors metall-aïllant-metall (MIM) també es poden fabricar al substrat de vidre IPD mitjançant un procés de deposició de pel·lícula fina i interconnectats amb l'inductor tridimensional TGV per formar una estructura de filtre passiu tridimensional. Per tant, el procés IPD té un ampli potencial d'aplicació per al desenvolupament de nous dispositius passius tridimensionals.
Hora de publicació: 12-nov-2024