A tecnoloxía de envases é un dos procesos máis importantes na industria de semicondutores. Segundo a forma do paquete, pódese dividir en paquete de socket, paquete de montaxe en superficie, paquete BGA, paquete de tamaño de chip (CSP), paquete de módulo de chip único (SCM, o espazo entre o cableado da placa de circuíto impreso (PCB) e as coincidencias de placas de circuíto integrado (IC), paquete de módulos multi-chip (MCM, que pode integrar chips heteroxéneos), paquete de nivel de obleas (WLP, incluíndo o paquete de nivel de obleas fan-out (FOWLP), compoñentes de montaxe en superficie micro (microSMD), etc.), paquete tridimensional (paquete de interconexión microbump, paquete de interconexión TSV, etc.), paquete de sistema (SIP), sistema de chip (SOC).
As formas de embalaxe 3D divídense principalmente en tres categorías: tipo enterrado (enterrando o dispositivo en cableado multicapa ou enterrado no substrato), tipo de substrato activo (integración de obleas de silicio: primeiro integre os compoñentes e o substrato da oblea para formar un substrato activo). A continuación, dispoña liñas de interconexión multicapa e ensambla outros chips ou compoñentes na capa superior) e tipo apilado (obleas de silicio apiladas con obleas de silicio, chips apilados con obleas de silicio e chips apilados con chips).
Os métodos de interconexión 3D inclúen unión de fíos (WB), chip flip (FC), a través de silicio (TSV), condutor de película, etc.
TSV realiza a interconexión vertical entre chips. Dado que a liña de interconexión vertical ten a distancia máis curta e maior resistencia, é máis fácil realizar a miniaturización, a alta densidade, o alto rendemento e o envasado de estrutura heteroxénea multifuncional. Ao mesmo tempo, tamén pode interconectar chips de diferentes materiais;
actualmente, existen dous tipos de tecnoloxías de fabricación de microelectrónica que utilizan o proceso TSV: envasado de circuítos tridimensionais (integración 3D IC) e envasado tridimensional de silicio (integración 3D Si).
A diferenza entre as dúas formas é que:
(1) O envasado de circuítos 3D require que os electrodos de chip estean preparados en protuberancias e as protuberancias estean interconectadas (unidas mediante unión, fusión, soldadura, etc.), mentres que o envasado de silicio 3D é unha interconexión directa entre chips (unión entre óxidos e Cu). -Enlace Cu).
(2) A tecnoloxía de integración de circuítos 3D pódese conseguir mediante a unión entre obleas (envases de circuítos 3D, envases de silicio 3D), mentres que a unión de chip a chip e a unión de chip a oblea só se poden conseguir mediante o envasado de circuítos 3D.
(3) Hai ocos entre os chips integrados polo proceso de envasado do circuíto 3D e hai que cubrir os materiais dieléctricos para axustar a condutividade térmica e o coeficiente de expansión térmica do sistema para garantir a estabilidade das propiedades mecánicas e eléctricas do sistema; non hai espazos entre os chips integrados polo proceso de envasado de silicio 3D, o consumo de enerxía, o volume e o peso do chip son pequenos e o rendemento eléctrico é excelente.
O proceso TSV pode construír un camiño de sinal vertical a través do substrato e conectar o RDL na parte superior e inferior do substrato para formar un camiño condutor tridimensional. Polo tanto, o proceso TSV é unha das pedras angulares importantes para construír unha estrutura de dispositivo pasivo tridimensional.
Segundo a orde entre o extremo frontal da liña (FEOL) e o final da liña posterior (BEOL), o proceso TSV pódese dividir en tres procesos de fabricación principais, a saber, a través de primeiro (ViaFirst), a través do medio (Via Middle) e a través do último proceso (Via Last), como se mostra na figura.
1. A través do proceso de gravado
O proceso de grabado vía é a clave para fabricar a estrutura de TSV. Escoller un proceso de gravado adecuado pode mellorar de forma efectiva a resistencia mecánica e as propiedades eléctricas do TSV, ademais de relacionarse coa fiabilidade global dos dispositivos tridimensionais TSV.
Actualmente, existen catro TSV principais mediante procesos de gravado: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), gravado húmido, gravado electroquímico fotoasistido (PAECE) e perforación con láser.
(1) Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
O gravado de ións reactivos profundos, tamén coñecido como proceso DRIE, é o proceso de gravado TSV máis usado, que se usa principalmente para realizar TSV mediante estruturas con alta relación de aspecto. Os procesos tradicionais de gravado por plasma xeralmente só poden acadar unha profundidade de gravado de varias micras, cunha baixa taxa de gravado e falta de selectividade da máscara de gravado. Bosch realizou as correspondentes melloras de proceso sobre esta base. Usando SF6 como gas reactivo e liberando gas C4F8 durante o proceso de gravado como protección de pasivación para as paredes laterais, o proceso DRIE mellorado é axeitado para gravar vías de alta relación de aspecto. Polo tanto, tamén se lle chama proceso Bosch polo seu inventor.
A figura de abaixo é unha foto dunha relación de aspecto alta mediante o proceso de grabado DRIE.
Aínda que o proceso DRIE é moi utilizado no proceso TSV debido á súa boa controlabilidade, a súa desvantaxe é que a planitude da parede lateral é pobre e formaranse defectos de engurras en forma de vieira. Este defecto é máis significativo cando se gravan vías de alta relación de aspecto.
(2) Gravado húmido
O gravado húmido utiliza unha combinación de máscara e gravado químico para gravar a través dos buratos. A solución de gravado máis utilizada é KOH, que pode gravar as posicións do substrato de silicio que non están protexidas pola máscara, formando así a estrutura de orificio pasante desexada. O gravado en húmido é o proceso máis antigo de gravado por buraco que se desenvolveu. Dado que os seus pasos de proceso e equipos necesarios son relativamente sinxelos, é axeitado para a produción en masa de TSV a baixo custo. Non obstante, o seu mecanismo de gravado químico determina que o orificio pasante formado por este método se verá afectado pola orientación do cristal da oblea de silicio, facendo que o burato pasante gravado non sexa vertical, pero mostra un claro fenómeno de parte superior ancha e inferior estreita. Este defecto limita a aplicación do gravado húmido na fabricación de TSV.
(3) Grabado electroquímico fotoasistido (PAECE)
O principio básico do gravado electroquímico fotoasistido (PAECE) é utilizar luz ultravioleta para acelerar a xeración de pares electróns-buratos, acelerando así o proceso de gravado electroquímico. En comparación co proceso DRIE amplamente utilizado, o proceso PAECE é máis axeitado para gravar estruturas de buracos pasantes con relación de aspecto ultragrande superiores a 100:1, pero a súa desvantaxe é que a capacidade de control da profundidade de gravado é máis débil que o DRIE e a súa tecnoloxía pode requiren máis investigación e mellora de procesos.
(4) Perforación con láser
É diferente dos tres métodos anteriores. O método de perforación con láser é un método puramente físico. Utiliza principalmente a irradiación láser de alta enerxía para fundir e evaporar o material do substrato na área especificada para realizar fisicamente a construción do burato pasante de TSV.
O orificio pasante formado por perforación con láser ten unha relación de aspecto elevada e a parede lateral é basicamente vertical. Non obstante, dado que a perforación con láser realmente usa calefacción local para formar o orificio pasante, a parede do burato de TSV verase negativamente afectada polo dano térmico e reducirase a fiabilidade.
2. Proceso de deposición da capa de revestimento
Outra tecnoloxía clave para a fabricación de TSV é o proceso de deposición da capa de revestimento.
O proceso de deposición da capa de revestimento realízase despois de gravar o burato pasante. A capa de revestimento depositada é xeralmente un óxido como o SiO2. A capa de revestimento está situada entre o condutor interno do TSV e o substrato, e desempeña principalmente o papel de illar a fuga de corrente continua. Ademais de depositar óxido, tamén se necesitan capas de barreira e sementes para o recheo do condutor no seguinte proceso.
A capa de revestimento fabricada debe cumprir os dous requisitos básicos seguintes:
(1) a tensión de ruptura da capa illante debe cumprir os requisitos de traballo reais de TSV;
(2) as capas depositadas son moi consistentes e teñen unha boa adherencia entre si.
A seguinte figura mostra unha foto da capa de revestimento depositada pola deposición de vapor químico mellorada por plasma (PECVD).
O proceso de deposición debe axustarse en consecuencia para os diferentes procesos de fabricación de TSV. Para o proceso de buraco pasante frontal, pódese usar un proceso de deposición a alta temperatura para mellorar a calidade da capa de óxido.
A deposición típica a alta temperatura pódese basear en ortosilicato de tetraetilo (TEOS) combinado cun proceso de oxidación térmica para formar unha capa illante de SiO2 de alta calidade altamente consistente. Para o proceso de buraco medio e posterior, xa que o proceso BEOL completouse durante a deposición, é necesario un método a baixa temperatura para garantir a compatibilidade cos materiais BEOL.
Nesta condición, a temperatura de deposición debe limitarse a 450°, incluíndo o uso de PECVD para depositar SiO2 ou SiNx como capa illante.
Outro método común é utilizar a deposición en capa atómica (ALD) para depositar Al2O3 para obter unha capa illante máis densa.
3. Proceso de recheo de metal
O proceso de recheo de TSV realízase inmediatamente despois do proceso de deposición do revestimento, que é outra tecnoloxía clave que determina a calidade do TSV.
Os materiais que se poden encher inclúen polisilicio dopado, wolframio, nanotubos de carbono, etc. dependendo do proceso utilizado, pero o máis común segue sendo o cobre galvanizado, porque o seu proceso está maduro e a súa condutividade eléctrica e térmica é relativamente alta.
Segundo a diferenza de distribución da súa taxa de galvanoplastia no orificio pasante, pódese dividir principalmente en métodos subconformais, conformes, superconformes e de galvanoplastia ascendente, como se mostra na figura.
A galvanoplastia subconformal utilizouse principalmente na fase inicial da investigación do TSV. Como se mostra na figura (a), os ións de Cu proporcionados pola electrólise concéntranse na parte superior, mentres que a parte inferior non se complementa suficientemente, o que fai que a taxa de galvanoplastia na parte superior do orificio pasante sexa maior que a debaixo da parte superior. Polo tanto, a parte superior do orificio pasante pecharase con antelación antes de que se enche completamente e formarase un gran baleiro no seu interior.
O diagrama esquemático e a foto do método de galvanoplastia conforme móstranse na figura (b). Ao garantir a suplementación uniforme de ións Cu, a taxa de galvanoplastia en cada posición do orificio pasante é basicamente a mesma, polo que só quedará unha costura no interior e o volume baleiro é moito menor que o do método de galvanoplastia subconforme, polo que é moi utilizado.
Para conseguir aínda máis un efecto de recheo sen baleiros, propúxose o método de galvanoplastia superconformal para optimizar o método de galvanoplastia conforme. Como se mostra na figura (c), ao controlar a subministración de ións de Cu, a taxa de recheo na parte inferior é lixeiramente maior que a noutras posicións, optimizando así o gradiente de paso da taxa de recheo de abaixo cara arriba para eliminar completamente a costura esquerda. polo método de galvanoplastia conforme, para lograr un recheo de cobre metálico completamente libre de baleiros.
O método de galvanoplastia ascendente pode considerarse como un caso especial do método superconforme. Neste caso, a taxa de galvanoplastia, excepto a parte inferior, suprime a cero e só a galvanoplastia realízase gradualmente de abaixo cara arriba. Ademais da vantaxe sen baleiros do método de galvanoplastia conforme, este método tamén pode reducir eficazmente o tempo global de galvanoplastia, polo que foi amplamente estudado nos últimos anos.
4. Tecnoloxía do proceso RDL
O proceso RDL é unha tecnoloxía básica indispensable no proceso de envasado tridimensional. Mediante este proceso, pódense fabricar interconexións metálicas a ambos os dous lados do substrato para acadar o propósito de redistribución portuaria ou interconexión entre paquetes. Polo tanto, o proceso RDL úsase amplamente en sistemas de envasado fan-in-fan-out ou 2.5D/3D.
No proceso de construción de dispositivos tridimensionais, o proceso RDL adoita utilizarse para interconectar TSV para realizar unha variedade de estruturas de dispositivos tridimensionais.
Actualmente existen dous procesos principais de RDL. O primeiro baséase en polímeros fotosensibles e combínase con procesos de galvanoplastia e grabado de cobre; o outro implícase mediante o proceso de Cu Damasco combinado con PECVD e proceso de pulido mecánico químico (CMP).
A continuación presentaranse as rutas de proceso principais destes dous RDL respectivamente.
O proceso RDL baseado en polímero fotosensible móstrase na figura anterior.
En primeiro lugar, unha capa de cola PI ou BCB está recuberta na superficie da oblea por rotación e, despois de quentar e curar, utilízase un proceso de fotolitografía para abrir os buratos na posición desexada e, a continuación, realízase o gravado. A continuación, despois de eliminar o fotorresistente, Ti e Cu son pulverizados sobre a oblea mediante un proceso físico de deposición de vapor (PVD) como capa de barreira e capa de semente, respectivamente. A continuación, a primeira capa de RDL fábricase na capa de Ti/Cu exposta combinando procesos de fotolitografía e galvanoplastia de Cu, e despois elimínase a fotoresistencia e o exceso de Ti e Cu son gravados. Repita os pasos anteriores para formar unha estrutura RDL multicapa. Este método é actualmente máis utilizado na industria.
Outro método para fabricar RDL baséase principalmente no proceso Cu Damasco, que combina os procesos PECVD e CMP.
A diferenza entre este método e o proceso RDL baseado en polímero fotosensible é que no primeiro paso da fabricación de cada capa, utilízase PECVD para depositar SiO2 ou Si3N4 como capa illante, e despois fórmase unha xanela sobre a capa illante mediante fotolitografía e O gravado de ións reactivos, a capa de barreira de Ti/Cu/semente e o cobre conductor son pulverizados respectivamente, e despois a capa condutora é diluído ata o espesor requirido mediante o proceso CMP, é dicir, fórmase unha capa de RDL ou capa de orificio pasante.
A seguinte figura é un diagrama esquemático e unha foto da sección transversal dun RDL multicapa construído a partir do proceso Cu Damasco. Pódese observar que o TSV conéctase primeiro á capa de buraco pasante V01, e despois apilado de abaixo cara arriba na orde de RDL1, a capa de burato pasante V12 e RDL2.
Cada capa de RDL ou capa de orificio pasante faise en secuencia segundo o método anterior.Dado que o proceso RDL require o uso do proceso CMP, o seu custo de fabricación é superior ao do proceso RDL baseado en polímero fotosensible, polo que a súa aplicación é relativamente baixa.
5. Tecnoloxía do proceso IPD
Para a fabricación de dispositivos tridimensionais, ademais da integración directa no chip en MMIC, o proceso IPD proporciona outro camiño técnico máis flexible.
Os dispositivos pasivos integrados, tamén coñecidos como proceso IPD, integran calquera combinación de dispositivos pasivos, incluíndo indutores en chip, capacitores, resistencias, conversores balun, etc. nun substrato separado para formar unha biblioteca de dispositivos pasivos en forma de placa de transferencia que pode ser chamado de forma flexible segundo os requisitos de deseño.
Dado que no proceso IPD, os dispositivos pasivos son fabricados e integrados directamente na tarxeta de transferencia, o seu fluxo de proceso é máis sinxelo e menos custoso que a integración en chip de ICs, e pode ser producido en masa con antelación como unha biblioteca de dispositivos pasivos.
Para a fabricación de dispositivos pasivos tridimensionais de TSV, IPD pode compensar eficazmente o custo dos procesos de envasado tridimensionais, incluíndo TSV e RDL.
Ademais das vantaxes de custo, outra vantaxe do IPD é a súa alta flexibilidade. Unha das flexibilidades do IPD reflíctese nos diversos métodos de integración, como se mostra na seguinte figura. Ademais dos dous métodos básicos de integración directa de IPD no substrato do paquete mediante o proceso de flip-chip como se mostra na Figura (a) ou o proceso de unión como se mostra na Figura (b), pódese integrar outra capa de IPD nunha capa. de IPD como se mostra nas figuras (c)-(e) para conseguir unha gama máis ampla de combinacións de dispositivos pasivos.
Ao mesmo tempo, como se mostra na Figura (f), o IPD pódese usar aínda máis como placa adaptadora para enterrar directamente o chip integrado para construír directamente un sistema de envasado de alta densidade.
Cando se usa IPD para construír dispositivos pasivos tridimensionais, tamén se poden usar procesos TSV e RDL. O fluxo do proceso é basicamente o mesmo que o método de procesamento de integración no chip mencionado anteriormente e non se repetirá; a diferenza é que, dado que o obxecto da integración se cambia de chip a placa adaptadora, non hai que ter en conta o impacto do proceso de envasado tridimensional na área activa e na capa de interconexión. Isto leva ademais a outra flexibilidade clave do IPD: pódense seleccionar de forma flexible unha variedade de materiais de substrato segundo os requisitos de deseño dos dispositivos pasivos.
Os materiais de substrato dispoñibles para IPD non son só materiais de substrato de semicondutores comúns como Si e GaN, senón tamén cerámicas Al2O3, cerámicas cococidas a baixa/alta temperatura, substratos de vidro, etc. dispositivos integrados por IPD.
Por exemplo, a estrutura do indutor pasivo tridimensional integrada polo IPD pode usar un substrato de vidro para mellorar eficazmente o rendemento do indutor. En contraste co concepto de TSV, os orificios pasantes feitos no substrato de vidro tamén se denominan vías de vidro pasante (TGV). A foto do indutor tridimensional fabricado en base a procesos IPD e TGV móstrase na seguinte figura. Dado que a resistividade do substrato de vidro é moito maior que a dos materiais semicondutores convencionais como o Si, o indutor tridimensional TGV ten mellores propiedades de illamento e a perda de inserción causada polo efecto parasitario do substrato a altas frecuencias é moito menor que a do substrato. o indutor tridimensional convencional TSV.
Por outra banda, os capacitores de metal-illador-metal (MIM) tamén se poden fabricar no substrato de vidro IPD mediante un proceso de deposición de película fina e interconectados co indutor tridimensional TGV para formar unha estrutura de filtro pasivo tridimensional. Polo tanto, o proceso IPD ten un amplo potencial de aplicación para o desenvolvemento de novos dispositivos pasivos tridimensionais.
Hora de publicación: 12-nov-2024