TSV工艺流程与电学特性研究.docx

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1、TSV工艺流程与电学特性研究目录1 .引言12 .先进封装界的冈格尼尔一一TSv究竟是什么？ 13 .介绍64 .结论71 .引言本文报道了 TSV过程的细节。还显示了可以在8-in上均匀地形成许多小的 TSV（直径：6m,深度：22m）o通过这种TSV工艺的晶片。我们华林科纳研究 了 TSV的电学特性，结果表明TSV具有低电阻和低电容；小的TSV.硅漏电流和 大约83%的高TSV产率。2 .先进封装界的冈格尼尔TSV究竟是什么？最近这段时间，总是收到有读者在后台留言：想让我讲一下我上篇文章摩尔定律中的普罗米修斯一一2.5D封装技术 中的TSV究竟是什么？这次，我们就来给大家丰富一下TSV的知

2、识。sva.*tfiTSV技术示意图开宗明义，定义先行。首先，我们先来了解一下什么是TSV技术:TSV全称为：Through -SiIicon-Via,中文译为：硅通孔技术。它是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通；TSV技术通 过铜、鸨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互连，实现芯片 之间互连的最新技术。TSV也是继线键合(WireBOnding)、TAB和倒装芯片(FC)之后的第四代 封装技术。TSV的显著优势：TSV可以通过垂直互连减小互联长度，减小信号延迟，降低电容/电感，实 现芯片间的低功耗，高速通讯，增加宽带和实现器件集成的小型化。先进封装中的TSV技术应用

3、其次，我们来讲一下TSV和先进封装的关系：我们首先要明确的是：TSV实质上并不能说是一种封装技术方案，它只是一种先进封装工艺中的重要一环。由于TSV的诞生，半导体裸片和晶圆可以实现以较高的密度互连堆叠在一 起，这也成为了先进封装技术的标志之一。TSVconnectionsHybrid Memory Cube那么，TSV对于先进封装到底意味着什么：在此之前，芯片之间的大多数连接都是水平的。这意味着板上芯片与芯片之间将散布在板上，整体的占用空间将随着具体 功能的叠加而指数性增大。而，TSV的诞生使得垂直堆叠多个芯片成为了可能。这将大大减少了它们占用的面积，因为它们不会散布在板上。这也意味着，使用了

4、 TSV技术的先进封装将有以下优势：1、高密度集成：通过先进封装，可以大幅度地提高电子元器件集成度，减 小封装的几何尺寸，和封装重量。克服现有的2D-SIP （System In a Package 系统级封装）和POP （package on package三维封装堆叠）系统的不足，满足微电子 产品对于多功能和小型化的要求。2、提高电性能：由于TSV技术可以大幅度地缩短电互连的长度，从而可以 很好地解决出现在SOC （二维系统级芯片）技术中的信号延迟等问题，提高电 性能。3、多种功能集成：通过TSV互连的方式，可以把不同的功能芯片（如射 频、内存、逻辑、数字和MEMS等）集成在一起实现电子元

5、器件的多功能。4、降低制造成本：TSV三维集成技术虽然目前在工艺上的成本较高，但是 可以在元器件的总体水平上降低制造成本。System LSIsensorAnalogZdigital LSI3D memorySi intcrposcrTluidicRFICVCSEIOptical signalLCceIeration sensorMicro-mirrorOptical waveguideMicro-bumpOff-chip optical signalTSV技术实现CMOS、MEMS以及光电子电路三维混合集成示意图最后，我们也要讲一下TSV技术的主要工艺及难点: 第一个工艺及难点是：通孔的形成

6、。由参与器件(如MoSFET器件)结构制造的先后时间的不同，大致可以分 为四种:先通孔(Via-first)、中通孔(Via-middle)、后通孔(via-last)及从晶 圆背后的后通孔技术(backsidevia-last)。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三种， 一种是干法刻蚀，一种是湿法刻蚀，还有一种是激光打孔。(其中因为干法刻 蚀具有速率高、方向性好，操控性强等优点成为通孔制造的最常用方法；虽然 激光打孔速率更高，但因为热损伤将导致精度降低，所以现行并未常用)。第二个主要工艺及难点是：相关特殊晶片的制作。如果不用于3D封装，目前0.30.4mm的晶片厚度

7、没有问题。但如果晶片用于3D封装则需要减薄，以保证形成通孔的孔径与厚度比例 在合理范围，并且最终封装的厚度可以接受。即使不考虑层堆叠的要求，单是芯片间的通孔互连技术就要求上层芯片的 厚度在20-30 m,这是现有等离子开孔及金属沉积技术比较适用的厚度。晶片减薄技术中需要解决磨削过程晶片始终保持平整状态，减薄后不发生 翘曲、下垂、表面损伤扩大、晶片破裂等问题。第三个主要工艺及难点则为：通孔的金属化。目前TSV通孔金属化所用的主要还是Cuo在通常芯片制造中，金属导体层通常使用物理气象沉淀法（PVD）制备。 与几十纳米的导线相比，若TSV通孔也使用PVD来制备，这将花费大量的时 间。所以，TSV的通

8、孔金属化，通常是以电镀的方法进行的。但又由于Si基板本身基体的导电性较差，不能直接进行电沉淀；所以，其 金属化将首先使用PVD沉淀出厚度为数个纳米的电子层，使得Si基板有导电性 之后，再进行电镀。（类似于大马士革电镀1）最后一个主要工艺就是：TSV键合。完成通孔金属化和连接端子的晶片之间的互连通常称为TSV键合技术。这种技术采用的工艺有金属一金属键合技术和高分子黏结键合等，而目前 以金属一金属键合技术为主要方式，因为这种技术可以同时实现机械和电学的 接触界面。例如铜铜键合在3504000C温度下施加一定压力并保持一段时间，接着 在氮气退火炉中经过一定时间退火而完成TSV键合。讲到这，我们也应该

9、也对TSV技术有了一定的了解。摩尔定律受到质疑在大环境下我们也可以看到：随着摩尔定律的失效，许多半导体IC专家认 为半导体行业正处于选择2D （平面）和3D设计的十字路口。这也将承接着TSV技术的先进封装，推上了时代的浪尖。3.介绍使用无切口硅蚀刻和第一金属层的湿法清洗的最后通孔TSV工艺使用无切 口硅蚀刻和第一金属层的湿法清洗的最后通孔TSV工艺的流程图。在这项研究 中，最初的晶圆是8英寸。采用0.22微米CMoS技术制造的三层Al-CU布线 硅片。首先，8英寸的切边。(Dwp Si tctng stop)(SKettfxng(CVD t ewod铝铜裁射脱的XPS九诸G同法清洗前，(b)海

10、法清洗行和(C应离f清洗兀。进行了湿法清洗。这是因为漫在青:先过程是在空气气氛中进行的。这种氧-瞰遣皿通逅真主申的&L离子清洗去除。使用116个TSV链模式来评估TSV产量.每个TSV链模式包括20,000个TSVo数字13示出了 TSV链图案中TSV的数量和电阻之间的关系的示例。TSV链成功连接到20,000个TSV,并且TSV链图案中每个节点的平均电阻较低。作为第6页共7页20,000个TSV的平均值获得的TSV链电阻的可接受质量水平被设置为低于0.2 /节点。在8英寸的情况下，TSV产量被确定为83%。即使每个芯片使用20,000 个TSV。这一数值高于之前的一项研究。4.结论在这项工作中，开发了具有无切口硅蚀刻和第一金属层湿法清洗的最后通 孔TSV工艺。硅和二氧化硅之间的界面上的缺口是通过优化深硅蚀刻条件来抑 制。用有机碱性溶液湿法清洗第一金属层，以去除第一金属层上的污染物。一 些小型TSVS直径：6米；TSV深度：22米；TSV的数量：20,000个/芯片)。发 现TSV具有良好的电特性，在8英寸上具有高产量(83%)。威化。因此，这种最后通孔TSV工艺在促进具有许多小TSV的高性能3D系统的 开发方面显示出巨大的潜力。