Pakkausteknologia on yksi puolijohdeteollisuuden tärkeimmistä prosesseista. Pakkauksen muodon mukaan se voidaan jakaa pistorasiaan, pinta-asennuspakettiin, BGA-pakettiin, sirukokopakettiin (CSP), yhden sirun moduulipakettiin (SCM, painetun piirilevyn johtojen välinen rako (PCB)). ja integroitujen piirien (IC) levytyynyjen yhteensopivuus), monisiruinen moduulipaketti (MCM, joka voi integroida heterogeenisia siruja), kiekkotason paketti (WLP, mukaan lukien fan-out kiekkotason paketti (FOWLP), mikro pinta-asennuskomponentit (microSMD) jne.), kolmiulotteinen paketti (micro bump interconnect -paketti, TSV-yhdysliitäntäpaketti jne.), järjestelmäpaketti (SIP), sirujärjestelmä (SOC).
3D-pakkausten muodot jaetaan pääasiassa kolmeen luokkaan: haudattu tyyppi (laitteen hautaaminen monikerroksiseen johdotukseen tai substraattiin), aktiivinen substraattityyppi (piikiekon integrointi: integroi ensin komponentit ja kiekkosubstraatti aktiivisen substraatin muodostamiseksi Järjestä sitten monikerroksiset liitäntälinjat ja kokoa muita siruja tai komponentteja yläkerrokselle) ja pinottu tyyppi (piikiekot päällekkäin); piikiekkoja, piikiekoilla pinottuja siruja ja siruilla pinottuja siruja).
3D-liitäntämenetelmiä ovat johdinliitos (WB), flip chip (FC), piiläpivienti (TSV), kalvojohdin jne.
TSV toteuttaa sirujen välisen pystysuoran yhteenliittämisen. Koska pystysuoralla liitäntälinjalla on lyhin etäisyys ja suurempi lujuus, on helpompi toteuttaa miniatyrisointi, suuri tiheys, korkea suorituskyky ja monitoiminen heterogeeninen rakennepakkaus. Samalla se voi myös yhdistää eri materiaaleista valmistettuja siruja;
Tällä hetkellä on olemassa kahdenlaisia TSV-prosessia käyttäviä mikroelektroniikan valmistustekniikoita: kolmiulotteinen piiripakkaus (3D-IC-integraatio) ja kolmiulotteinen piipakkaus (3D Si-integraatio).
Ero näiden kahden muodon välillä on seuraava:
(1) 3D-piiripakkaus edellyttää, että siruelektrodit valmistetaan kohoumiksi, ja nystyrit on liitetty toisiinsa (sidottu liimaamalla, sulattamalla, hitsaamalla jne.), kun taas 3D-piipakkaus on suora liitos sirujen välillä (sidos oksidien ja Cu:n välillä). -Cu-sidos).
(2) 3D-piirien integrointitekniikka voidaan saavuttaa yhdistämällä kiekkojen välillä (3D-piiripakkaus, 3D-piipakkaus), kun taas sirujen välinen sidos ja sirujen välinen sidos voidaan saavuttaa vain 3D-piiripakkauksella.
(3) 3D-piiripakkausprosessilla integroitujen sirujen välillä on aukkoja, ja eristemateriaalit on täytettävä järjestelmän lämmönjohtavuuden ja lämpölaajenemiskertoimen säätämiseksi järjestelmän mekaanisten ja sähköisten ominaisuuksien vakauden varmistamiseksi; 3D-piipakkausprosessilla integroitujen sirujen välillä ei ole aukkoja, ja sirun virrankulutus, tilavuus ja paino ovat pieniä ja sähköinen suorituskyky on erinomainen.
TSV-prosessi voi rakentaa pystysuoran signaalipolun substraatin läpi ja yhdistää substraatin ylä- ja alaosan RDL:n muodostamaan kolmiulotteisen johdinpolun. Siksi TSV-prosessi on yksi tärkeimmistä kulmakivistä kolmiulotteisen passiivisen laiterakenteen rakentamisessa.
Linjan etupään (FEOL) ja linjan takapään (BEOL) välisen järjestyksen mukaan TSV-prosessi voidaan jakaa kolmeen päävalmistusprosessiin, nimittäin ensin (ViaFirst), keskiosan kautta (Via Middle) ja viimeisen (Via Last) prosessin kautta, kuten kuvassa näkyy.
1. Etsausprosessin kautta
Viaetsausprosessi on avain TSV-rakenteen valmistukseen. Sopivan etsausprosessin valitseminen voi parantaa tehokkaasti TSV:n mekaanista lujuutta ja sähköisiä ominaisuuksia, ja lisäksi se liittyy TSV:n kolmiulotteisten laitteiden yleiseen luotettavuuteen.
Tällä hetkellä etsausprosessien kautta tapahtuvaa TSV:tä on neljä päävirtaa: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), märkäetsaus, valoavusteinen sähkökemiallinen syövytys (PAECE) ja laserporaus.
(1) Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
Syväreaktiivinen ionietsaus, joka tunnetaan myös nimellä DRIE-prosessi, on yleisimmin käytetty TSV-etsausprosessi, jota käytetään pääasiassa TSV:n toteuttamiseen korkean kuvasuhteen omaavien rakenteiden kautta. Perinteisillä plasmaetsausmenetelmillä voidaan yleensä saavuttaa vain useiden mikrometrien syövytyssyvyys alhaisella etsausnopeudella ja etsausmaskin selektiivisyyden puutteella. Bosch on tehnyt vastaavia prosessiparannuksia tällä perusteella. Käyttämällä SF6:ta reaktiivisena kaasuna ja vapauttamalla C4F8-kaasua etsausprosessin aikana sivuseinien passivointisuojana, parannettu DRIE-prosessi soveltuu korkean sivusuhteen läpivientien syövytykseen. Siksi sitä kutsutaan myös Bosch-prosessiksi sen keksijän mukaan.
Alla oleva kuva on valokuva korkeasta kuvasuhteesta, joka on muodostettu syövyttämällä DRIE-prosessia.
Vaikka DRIE-prosessia käytetään laajasti TSV-prosessissa sen hyvän hallittavuuden vuoksi, sen haittapuolena on, että sivuseinämien tasaisuus on huono ja muodostuu kampasimpukkamaisia ryppyjä. Tämä vika on merkittävämpi syövyttäessä korkean kuvasuhteen läpivientejä.
(2) Märkäsyövytys
Märkäetsaus käyttää naamion ja kemiallisen etsauksen yhdistelmää reikien etsaukseen. Yleisimmin käytetty etsausratkaisu on KOH, joka pystyy syövyttämään piisubstraatin kohdat, joita maski ei suojaa, jolloin muodostuu haluttu läpireikärakenne. Märkäetsaus on aikaisin kehitetty läpireiän etsausprosessi. Koska sen prosessivaiheet ja tarvittavat laitteet ovat suhteellisen yksinkertaisia, se soveltuu TSV:n massatuotantoon alhaisin kustannuksin. Kuitenkin sen kemiallinen syövytysmekanismi määrittää, että piikiekon kideorientaatio vaikuttaa tällä menetelmällä muodostettuun läpimenevään reikään, jolloin etsattu läpireikä ei ole pystysuora, mutta siinä näkyy selkeä leveän yläosan ja kapean pohjan ilmiö. Tämä vika rajoittaa märkäetsauksen käyttöä TSV:n valmistuksessa.
(3) Valoavusteinen sähkökemiallinen etsaus (PAECE)
Valoavusteisen sähkökemiallisen syövytyksen (PAECE) perusperiaate on käyttää ultraviolettivaloa nopeuttamaan elektroni-reikäparien muodostumista, mikä nopeuttaa sähkökemiallista etsausprosessia. Verrattuna laajalti käytettyyn DRIE-prosessiin PAECE-prosessi soveltuu paremmin yli 100:1 ylittävien reikärakenteiden etsaukseen, mutta sen haittana on, että syövytyksen syvyyden säädettävyys on heikompi kuin DRIE, ja sen tekniikka saattaa vaativat lisätutkimusta ja prosessien parantamista.
(4) Laserporaus
Eroaa edellä mainituista kolmesta menetelmästä. Laserporausmenetelmä on puhtaasti fysikaalinen menetelmä. Se käyttää pääasiassa korkeaenergistä lasersäteilyä substraattimateriaalin sulattamiseen ja haihduttamiseen määritellyllä alueella TSV:n läpimenevän reiän rakenteen toteuttamiseksi.
Laserporauksella muodostetun läpimenevän reiän kuvasuhde on korkea ja sivuseinä on periaatteessa pystysuora. Koska laserporauksessa kuitenkin käytetään paikallista lämmitystä läpimenevän reiän muodostamiseen, lämpövauriot vaikuttavat negatiivisesti TSV:n reiän seinämään ja heikentävät luotettavuutta.
2. Liner-kerroksen kerrostusprosessi
Toinen avainteknologia TSV:n valmistuksessa on vuorauskerrospinnoitusprosessi.
Vuorauksen kerrospinnoitusprosessi suoritetaan sen jälkeen, kun läpimenevä reikä on syövytetty. Saostettu vuorauskerros on yleensä oksidia, kuten Si02. Vuorauskerros sijaitsee TSV:n sisäisen johtimen ja substraatin välissä, ja sillä on pääasiassa tasavirtavuotojen eristäjä. Oksidin kerrostamisen lisäksi tarvitaan sulku- ja siemenkerroksia myös johtimen täyttöön seuraavassa prosessissa.
Valmistetun vuorauskerroksen on täytettävä seuraavat kaksi perusvaatimusta:
(1) eristävän kerroksen läpilyöntijännitteen tulee vastata TSV:n todellisia käyttövaatimuksia;
(2) kerrostetut kerrokset ovat erittäin yhtenäisiä ja niillä on hyvä tarttuvuus toisiinsa.
Seuraavassa kuvassa on valokuva vuorauskerroksesta, joka on kerrostettu plasman tehostetulla kemiallisella höyrypinnoituksella (PECVD).
Päällystysprosessia on säädettävä vastaavasti eri TSV-valmistusprosesseja varten. Edessä läpivientireiän prosessissa voidaan käyttää korkean lämpötilan saostusprosessia parantamaan oksidikerroksen laatua.
Tyypillinen korkean lämpötilan pinnoitus voi perustua tetraetyyliortosilikaattiin (TEOS) yhdistettynä lämpöhapetusprosessiin erittäin yhtenäisen ja korkealaatuisen SiO2-eristyskerroksen muodostamiseksi. Koska BEOL-prosessi on saatu päätökseen keskimmäisen läpireiän ja takareiän läpivientiprosessissa, vaaditaan matalan lämpötilan menetelmää yhteensopivuuden varmistamiseksi BEOL-materiaalien kanssa.
Tässä tilanteessa saostuslämpötila tulisi rajoittaa 450 asteeseen, mukaan lukien PECVD:n käyttö SiO2:n tai SiNx:n kerrostamiseen eristekerroksena.
Toinen yleinen menetelmä on käyttää atomikerrospinnoitusta (ALD) Al2O3:n kerrostamiseen tiheämmän eristävän kerroksen saamiseksi.
3. Metallin täyttöprosessi
TSV-täyttöprosessi suoritetaan välittömästi vuorauksen päällystysprosessin jälkeen, mikä on toinen avainteknologia, joka määrittää TSV:n laadun.
Täytettäviin materiaaleihin kuuluvat muun muassa seostettu polypii, volframi, hiilinanoputket jne. käytetystä prosessista riippuen, mutta yleisin on silti galvanoitu kupari, koska sen prosessi on kypsä ja sen sähkö- ja lämmönjohtavuus ovat suhteellisen korkeat.
Sen sähköpinnoitusnopeuden jakautumiseron mukaan läpimenevässä reiässä se voidaan jakaa pääasiassa subkonformaalisiin, konformisiin, superkonformisiin ja alhaalta ylös -sähköpinnoitusmenetelmiin, kuten kuvassa näkyy.
Subkonformaalista galvanointia käytettiin pääasiassa TSV-tutkimuksen alkuvaiheessa. Kuten kuvasta (a) näkyy, elektrolyysin tuottamat Cu-ionit ovat keskittyneet yläosaan, kun taas pohjaa ei ole riittävästi täydennetty, minkä vuoksi galvanointinopeus läpimenevän reiän yläosassa on suurempi kuin yläosan alapuolella. Siksi läpimenevän reiän yläosa suljetaan etukäteen ennen kuin se on täysin täytetty, ja sisään muodostuu suuri tyhjiö.
Kaavamainen kaavio ja valokuva konformisesta galvanointimenetelmästä on esitetty kuvassa (b). Kun varmistetaan Cu-ionien tasainen lisäys, sähköpinnoitusnopeus läpimenevän reiän jokaisessa kohdassa on periaatteessa sama, joten sisään jää vain sauma ja tyhjä tila on paljon pienempi kuin subkonformaalisella galvanointimenetelmällä, joten sitä käytetään laajalti.
Tyhjiöttömän täyttövaikutuksen saavuttamiseksi edelleen ehdotettiin superkonformaalista galvanointimenetelmää konformisen galvanointimenetelmän optimoimiseksi. Kuten kuvasta (c) näkyy, Cu-ionien syöttöä säätelemällä pohjan täyttöaste on hieman korkeampi kuin muissa asennoissa, mikä optimoi täyttönopeuden askelgradientin alhaalta ylös poistaen kokonaan vasemman sauman. konformisella galvanointimenetelmällä, jotta saavutetaan täysin aukoton metallikuparitäyte.
Alhaalta ylös -sähköpinnoitusmenetelmää voidaan pitää superkonformaalisen menetelmän erikoistapauksena. Tässä tapauksessa galvanointinopeus pohjaa lukuun ottamatta tukahdutetaan nollaan, ja vain galvanointi suoritetaan vähitellen alhaalta ylös. Konformaalisen galvanointimenetelmän huokosvapaan edun lisäksi tämä menetelmä voi myös tehokkaasti lyhentää galvanoinnin kokonaisaikaa, joten sitä on tutkittu laajasti viime vuosina.
4. RDL-prosessitekniikka
RDL-prosessi on välttämätön perustekniikka kolmiulotteisessa pakkausprosessissa. Tämän prosessin avulla voidaan valmistaa metalliliitoksia substraatin molemmille puolille porttien uudelleenjakamisen tai pakettien välisen yhteenliittämisen tarkoituksen saavuttamiseksi. Siksi RDL-prosessia käytetään laajasti fan-in-fan-out- tai 2,5D/3D-pakkausjärjestelmissä.
Kolmiulotteisten laitteiden rakennusprosessissa RDL-prosessia käytetään yleensä TSV:n yhdistämiseen erilaisten kolmiulotteisten laiterakenteiden toteuttamiseksi.
Tällä hetkellä on olemassa kaksi valtavirran RDL-prosessia. Ensimmäinen perustuu valoherkkiin polymeereihin ja yhdistetty kuparin galvanointi- ja syövytysprosesseihin; toinen toteutetaan käyttämällä Cu Damascus -prosessia yhdistettynä PECVD:hen ja kemialliseen mekaaniseen kiillotusprosessiin (CMP).
Seuraavassa esitellään näiden kahden RDL:n valtavirran prosessipolut.
RDL-prosessi, joka perustuu valoherkkään polymeeriin, on esitetty yllä olevassa kuvassa.
Ensin kiekon pinnalle päällystetään PI- tai BCB-liimakerros pyörittämällä, ja kuumennuksen ja kovetuksen jälkeen fotolitografiaprosessilla avataan reikiä haluttuun kohtaan, minkä jälkeen suoritetaan etsaus. Seuraavaksi fotoresistin poistamisen jälkeen Ti ja Cu ruiskutetaan kiekolle fysikaalisen höyrypinnoitusprosessin (PVD) kautta sulkukerroksena ja siemenkerroksena, vastaavasti. Seuraavaksi ensimmäinen RDL-kerros valmistetaan valotetulle Ti/Cu-kerrokselle yhdistämällä fotolitografia- ja galvanointi Cu-prosessit, minkä jälkeen fotoresisti poistetaan ja ylimääräinen Ti ja Cu syövytetään pois. Toista yllä olevat vaiheet luodaksesi monikerroksisen RDL-rakenteen. Tätä menetelmää käytetään nykyään laajemmin teollisuudessa.
Toinen menetelmä RDL:n valmistamiseksi perustuu pääasiassa Cu Damascus -prosessiin, jossa yhdistyvät PECVD- ja CMP-prosessit.
Ero tämän menetelmän ja valoherkkään polymeeriin perustuvan RDL-prosessin välillä on se, että kunkin kerroksen valmistuksen ensimmäisessä vaiheessa PECVD:llä kerrostetaan SiO2 tai Si3N4 eristekerroksena, minkä jälkeen eristekerrokseen muodostetaan ikkuna valolitografialla ja reaktiivinen ionisyövytys ja Ti/Cu-sulku/siemenkerros ja johdinkupari sputteroidaan vastaavasti, minkä jälkeen johdinkerros ohennetaan vaadittuun paksuuteen CMP:llä prosessi, eli muodostuu kerros RDL- tai läpimenevä kerros.
Seuraava kuva on kaavio ja valokuva Cu Damascus -prosessin perusteella rakennetun monikerroksisen RDL:n poikkileikkauksesta. Voidaan havaita, että TSV liitetään ensin läpireikäkerrokseen V01 ja pinotaan sitten alhaalta ylös järjestyksessä RDL1, läpireikäkerros V12 ja RDL2.
Jokainen RDL- tai läpimenevä kerros valmistetaan peräkkäin yllä olevan menetelmän mukaisesti.Koska RDL-prosessi edellyttää CMP-prosessin käyttöä, sen valmistuskustannukset ovat korkeammat kuin valoherkkään polymeeriin perustuvan RDL-prosessin, joten sen käyttö on suhteellisen alhainen.
5. IPD-prosessitekniikka
Kolmiulotteisten laitteiden valmistukseen MMIC:n suoran siruintegroinnin lisäksi IPD-prosessi tarjoaa toisen joustavamman teknisen polun.
Integroidut passiiviset laitteet, jotka tunnetaan myös nimellä IPD-prosessi, integroivat minkä tahansa passiivisten laitteiden yhdistelmän, mukaan lukien sirulla olevat induktorit, kondensaattorit, vastukset, balun-muuntimet jne. erilliselle substraatille passiivisen laitekirjaston muodostamiseksi siirtolevyn muodossa, joka voi voidaan kutsua joustavasti suunnitteluvaatimusten mukaan.
Koska IPD-prosessissa passiiviset laitteet valmistetaan ja integroidaan suoraan siirtokortille, sen prosessikulku on yksinkertaisempaa ja halvempaa kuin IC:ien integrointi sirulla, ja se voidaan valmistaa massatuotantona etukäteen passiivisena laitekirjastona.
TSV:n kolmiulotteisten passiivisten laitteiden valmistuksessa IPD voi tehokkaasti kompensoida kolmiulotteisten pakkausprosessien, mukaan lukien TSV:n ja RDL:n, kustannustaakkaa.
Kustannusetujen lisäksi IPD:n toinen etu on sen suuri joustavuus. Yksi IPD:n joustavuus heijastuu erilaisissa integrointimenetelmissä, kuten alla olevasta kuvasta näkyy. Kahden perusmenetelmän lisäksi IPD:n integroimiseksi suoraan pakkauksen substraattiin flip-chip-prosessin avulla, kuten kuvassa (a) on esitetty, tai liitosprosessin avulla, kuten kuvassa (b), toinen IPD-kerros voidaan integroida yhdelle kerrokselle. IPD:n kuvioissa (c)-(e) esitetyllä tavalla, jotta saadaan aikaan laajempi valikoima passiivisten laiteyhdistelmiä.
Samanaikaisesti, kuten kuvassa (f) esitetään, IPD:tä voidaan edelleen käyttää sovitinlevynä integroidun sirun hautaamiseksi suoraan siihen suuren tiheyden pakkausjärjestelmän rakentamiseksi.
Käytettäessä IPD:tä kolmiulotteisten passiivisten laitteiden rakentamiseen, voidaan käyttää myös TSV-prosessia ja RDL-prosessia. Prosessikulku on pohjimmiltaan sama kuin edellä mainitussa on-chip-integroinnin käsittelymenetelmässä, eikä sitä toisteta; Erona on se, että koska integroinnin kohde on vaihdettu sirusta sovitinlevyyn, ei tarvitse ottaa huomioon kolmiulotteisen pakkausprosessin vaikutusta aktiiviseen alueeseen ja kytkentäkerrokseen. Tämä johtaa edelleen toiseen keskeiseen IPD:n joustavuuteen: erilaisia substraattimateriaaleja voidaan valita joustavasti passiivisten laitteiden suunnitteluvaatimusten mukaan.
IPD:tä varten saatavilla olevat substraattimateriaalit eivät ole vain yleisiä puolijohdesubstraattimateriaaleja, kuten Si ja GaN, vaan myös Al2O3-keramiikkaa, matalan/korkean lämpötilan yhteispoltettua keramiikkaa, lasisubstraatteja jne. Tämä ominaisuus laajentaa tehokkaasti passiivisen suunnittelun joustavuutta. IPD:n integroidut laitteet.
Esimerkiksi IPD:n integroitu kolmiulotteinen passiivinen induktorirakenne voi käyttää lasisubstraattia parantamaan tehokkaasti induktorin suorituskykyä. Toisin kuin TSV:n konseptissa, lasialustaan tehtyjä läpimeneviä reikiä kutsutaan myös lasin läpivienneiksi (TGV). Kuva IPD- ja TGV-prosessien perusteella valmistetusta kolmiulotteisesta kelasta on esitetty alla olevassa kuvassa. Koska lasisubstraatin resistiivisyys on paljon suurempi kuin tavanomaisten puolijohdemateriaalien, kuten Si, resistiivisyys, TGV kolmiulotteisella kelalla on paremmat eristysominaisuudet ja substraatin loisvaikutuksen aiheuttama lisäyshäviö korkeilla taajuuksilla on paljon pienempi kuin perinteinen kolmiulotteinen TSV-induktori.
Toisaalta metalli-eriste-metalli (MIM) kondensaattoreita voidaan valmistaa myös lasisubstraatille IPD ohutkalvopinnoitusprosessilla ja yhdistää TGV-kolmiulotteisen induktorin kanssa kolmiulotteisen passiivisen suodatinrakenteen muodostamiseksi. Siksi IPD-prosessilla on laaja sovelluspotentiaali uusien kolmiulotteisten passiivisten laitteiden kehittämiseen.
Postitusaika: 12.11.2024