TSV folyamat

TSVProcessOveview

A 2.5D/3D-s csomagolási technológia, mint a jelenlegi élvonalbeli csomagolási technológia, sokféle megoldással rendelkezik, és dinamikusan beállítja a különféle alkalmazási igények és a technológiai fejlesztés szerint, lefedi a forgácsvékonyságot, a chipkötést, a huzalkötéseket, a flip kötés, a TSV, a műanyag csomagolás, a szubsztrát, az ólomkeret, a hordozószalag, a hullámhullám-lista-lelet-lista-lista-folyamat. Néhány folyamatot tovább kell fejleszteni a 2,5D/3D csomagolás speciális követelményei szerint, például a vezetékkötési technológiát a 3D -s csomagolásban, amelynek magasabb a huzal ívmagasságának és a forrasztási ízület méretének szabványa, amely megköveteli a folyamatjavítást és az innovációt. A TSV folyamaton kívül ez a könyv bevezette a legtöbb kapcsolódó technológiát, és a hely korlátozása miatt ez a fejezet csak a TSV folyamattechnológiára összpontosít.

A huzalkötéssel összehasonlítva a TSV jelentősen lerövidítheti az összekapcsolási vezetékek hosszát, csökkentheti a jelátvitel késleltetését és veszteségét, növeli a jelátviteli sebességet és a sávszélességet, csökkentheti az energiafogyasztást és csökkentheti a csomagméret méretét, és ez az egyik tényleges eszköz a multifunkcionális, nagy teljesítményű, nagy megbízhatóságú, és könnyebb, vékonyabb és kisebb rendszer-csomagok eléréséhez. Mivel a 2.5D/3D csomagolás alaptechnikája, a TSV különbözik a többi 3D -s csomagolástól, amely közvetítőket, például szubsztrátokat és filmvezetékeket használ, és a chipeket vezetőképes VIAS és forrasztási kötések kötik össze, kevésbé termikus eltéréssel és rövidebb összekapcsolási hosszúsággal.

0040-09094 Kamara 200 mm

A TSV kiváló 3D -s csomagolási teljesítményét és hatalmas fejlesztési potenciálját negyedik generációs csomagolási technológiának nevezzük. A 20. század 80-as évek közepén egyértelműen javasolták a vertikális TSV-kben a vezetők kitöltésének fogalmát, bár ezt akkoriban még nem valósították meg. A 20. századi 90-es évek közepén a Bosch mélyreaktív ionmaratás (DRIE) technológiát fejlesztett ki, amely lehetővé tette a függőleges mély lyukak retchjét a szilikon ostyákon. A 20. század végén sikeresen sikerült elérni a nagymértékben TSV -t volfrám- vagy poliszilikon vezetőkkel. 2000 óta a réz galvanizálása a mély lyukakban fokozatosan lett a fő módja annak, hogy kitöltse a magas Abyss arányt a TSV -t. Azóta az ostya kötésének, a dudorgyártás, az ostya vékonyodása és a kémiai-mechanikus polírozás fejlődése tovább elősegítette a TSV csomagolási technológiájának javulását.

0020-33806 Felső kamra DPS + poli

TSV folyamat

A TSV technológia lényegében ostya szintű folyamat, így termelése integrálható az integrált áramköri gyártási folyamat különböző aspektusaiba, amelyek négy típusra oszthatók: Front Front Via, Front Mide Via, az első hátsó rész és vissza.

Az előre néző VIA-k a ostya aktív áramköri felületén fúrási lyukakra utalnak. A technológián keresztüli front-front a VIAS kialakulása a kezdeti szilícium-szubsztráton, azaz az átmenő lyukú gyártás befejeződött, mielőtt a chip front-end gyártási folyamatának aktív rétege kialakulna, és a TSV-gyártás elvégezhető a fémcsatlakozás folyamatának a hullámfab elülső végén. Ennek a megoldásnak a jelentős előnye, hogy nem kell megváltoztatnia a meglévő integrált áramkörök folyamatát és tervezését, és csökkentheti a vetőmagrétegek lerakódásának költségeit, rövidítheti a bevonási időt és növeli a termelési kapacitást, és egyes gyártók ezt a technológiát alkalmazták a csúcskategóriás vaku és a DRAM területén. Amikor a TSV lyukakat készítik a CMOS és a vonal hátsó vége (Beol) között, akkor első-középső VIA-knak nevezzük, ahol a Beol a chipgyártás háttér-folyamatára utal, amely az egyetlen eszköz befejezése után az első fémkapcsolatréteggel kezdődik, és az ostyafab-ban befejeződik. A hátsó oldalsó átmeneti lyukú technológiát a hátsó oldalra fúrják, miután egy chipet vagy ostyát egy másik ostyához kötöttek.

A TSV -termelés folyamata a következő: (1) fúrjon mély lyukakat a szilícium ostyára, hogy meghaladja a TSV célvastagságát; (2) üledékes közepes réteg; (3) gátrétegek, tapadási rétegek és magfémrétegek lerakódása a szilícium ostyák és a mély pórusok felületén; (4) Töltse fel a mély lyukat réz vagy más vezetőképes anyag galvanizálásával; (5) Használjon kémiai mechanikus polírozást a felületi simítás eléréséhez és a felesleges vetőmag fémréteg eltávolításához; (6) A rézréteg vagy az átmenő lyukú vezetőképes réteg csiszolással vagy maratással van kitéve.

A TSV technológia kulcsfontosságú folyamata

A TSV kulcsfontosságú folyamata a ostya elvékonyodása, a lyukú gyártás és a kötés.

1. Vékonyítás

A TSV folyamat szigorú követelményekkel rendelkezik a ostya vastagságára, amelyet 75 μm -en belül kell szabályozni; A TSV csomag sűrűségének növekedésével és a rekeszméret csökkentésével, az ostya vastagsága továbbra is csökken, így a ostya elvékonyodása a TSV folyamat egyik legfontosabb összeköttetése lett. A hagyományos csomagolás elvékonyodási folyamatának általában csak 200 ~ 350 μm -re kell csökkentenie az ostyát, és a speciális csomagolást csak 150 ~ 180 μm -re kell csökkenteni, amikor a szilícium -ostya még mindig elég vastag, hogy ellenálljon a vékonyodási folyamat során az őrlés által okozott sérüléseknek és belső feszültségnek, és a saját szigorúságának könnyen szállítható. A TSV -folyamat azonban az ostya megköveteli, hogy kevesebb, mint 50 μm, és hogyan lehet csökkenteni a vékonyodási károsodást és a rugalmas ostyák stabil szállítását, új kihívássá vált. A hagyományos vékonysági eljárás során a szilícium -ostya -törés fő oka a durva őrlés és a finom őrlés utáni felületi károsodás - az őrlés fizikailag káros folyamat, amely a szilícium anyagát fizikai nyomás, károsodás, repedés és eltávolítási folyamatok révén távolítja el. Az ilyen felületi károk és stressz kiküszöbölése érdekében az iparág különféle módszereket próbált ki, mint például a száraz polírozás, a nedves polírozás, a száraz maratás és a nedves maratás. Jelenleg az iparágban a mainstream megoldás az integrált berendezések használata, amelyek integrálják az őrlést, a polírozást, a védőfilm eltávolítását és a szilícium -ostyák beillesztését ugyanabban a berendezésben, és a szilícium ostyák teljes folyamatát a kotingfilm beillesztéséig a mechanikus kúpos rendszeren keresztül adszorbeálják, és mindig a lapos állapotban maradnak. Amikor a szilícium ostyát beillesztik a kockafilmre, még akkor is, ha a vastagság vékonyabb, mint a kockázati film, akkor a film alakja szerint lapos marad, és már nem fog vagy leereszkedni, így megoldja a szállítási problémát.

2. Lyukon keresztül

1) Fúrás

Az ostyafúrás a TSV folyamat alapvető része, és jelenleg két fő módszert alkalmaz: a száraz maratás (más néven Bosch maratás) és a lézer maratás. Az eredetileg a MEMS technológiához kifejlesztett BOSCH maratási folyamatot a gyors váltakozó szilícium eltávolítás (az SF₆ plazma maratás alkalmazásával) és az oldalfár passziválás (a CF₄ plazma lerakódásának felhasználásával) jellemzi. A hideg maratási sebesség elérheti az 50 μm/percet, a képarány elérheti az 1: 80-at, a pontosság pedig a szubmikron.

A lézermaratás kiküszöböli a maszkok szükségességét, kiküszöböli a fotoreziszták bevonatának, az expozíciónak, a fejlődésnek és a fokozódásnak a szükségességét. A dél -koreai Samsung ezt a technológiát alkalmazta a memóriacsomagolásra. A lézermaratás oldalaránya körülbelül 7: 1, ami gyengébb, mint a száraz maratás, és jobban alkalmas forgatókönyvekre, kevés VIA -val a chipen. Ha az átmenő lyukak száma meghaladja a 10 000-et, akkor a litográfia és a száraz maratás kombinációjának hatékonysága magasabb. Ezen túlmenően, ha az átmenő lyuk mérete kevesebb, mint 10 μm-re csökken, akkor továbbra is kihívást jelent a lyuk méretének további csökkentése a lézerfúrással.

2) lyuk szigetelésen keresztül

Az átmenő lyukú szigetelést általában a CVD-eljárás helyezi el egy oxid (SIO₂) szigetelő réteggel és szilán vagy TEO-kkal, mint nyersanyag. Ha a TSV szigetelést és a töltést a chip áramkör előállítása után hajtják végre, akkor a megfelelő lerakódási hőmérsékletet kell kiválasztani a kitöltött áramköri alkatrészek befolyásolása érdekében. A TEOS lerakódásának tipikus hőmérséklete 275 ~ 350 fok, és megfelelő teljesítményű funkcionális szigetelő réteg érhető el. Az olyan alkalmazásokhoz, mint a CMOS képérzékelők és a memória, alacsonyabb lerakódási hőmérsékletekre van szükség. Jelenleg egyes berendezésgyártók alacsony hőmérsékletű oxid-lerakódási technológiát fejlesztettek ki, hogy a vékony fóliákat szobahőmérsékleten helyezzék el rendkívül hatékony szerves szigetelő rétegként a TSV számára.

3) gátréteg, magréteg és töltőanyag

Az átmenő lyukú réz eljárás során az ón-adhéziót/gátréteget és a rézmagréteget általában a porlasztással helyezik el. Ugyanakkor a 4: 1-nél nagyobb mélység / szélességi arányú lyukak esetében a hagyományos PVD DC magnetron technológia lépcsőfedési hatása nem jó, míg az ionizált fémplazma (IMP) alapú PVD technológia a lyuk oldalfalának és az alsó rézmagrétegnek egységes lerakódását érheti el. Az galvanizált réz olcsó költsége miatt az átmeneti lyukakat általában galvanizált réztel töltik meg, miután a vetőmagréteg lerakódott. A TSV bevonása során azonban a nyílás több tápvezetéket fog összegyűjteni a csúcshatás miatt, ami sokkal nagyobb áram sűrűségét eredményezi, mint a lyukban. Adalékanyagok nélkül a nyílás lerakódási sebessége sokkal gyorsabb lesz, mint a lyukban, és a kút rézioncsere nehéz, és könnyű kitölteni a nyílást, és nem teljesen letétbe helyezhető a lyukba. Ezért be kell állítani az alsó, az oldalfal és a lyuk felületének borító lerakódási sebességét adalékanyagokkal (gátolja a nyílás lerakódását és fokozza az alsó lerakódást), vagy periodikus fordított impulzusos bevonatot használjon az átmenő lyuk teljes kitöltése érdekében. Az üreges réz töltelék hosszú időt vesz igénybe, és csökkenti a termelési hatékonyságot, amelyet a TSV réz töltelékkel szembesül.

3. TSV kötés

A TSV -kötésben alkalmazott folyamat magában foglalja az intermetalles kötési technológiát és a polimer kötés kötését. A kötés alapvető célja stabil mechanikai csatlakozások, elektromos csatlakozások és hővezetési csatornák kialakítása a chipek vagy az alkatrészek között, az eredetileg különálló chipeket és alkatrészeket egy teljes csomagolt termékbe integrálva.

A kötési folyamat jellemzőinek szempontjából az intermetall -kötés elsősorban két kategóriába sorolható: a termokompressziós kötés és az eutektikus kötés. Például a réz-réz kötés forró sajtolószerelést használ, míg a réz-tin, az aranytin stb. A kötés az eutektikus kötéshez tartozik. A réz-réz-forróprés-kötés elve: vákuumkörnyezetben vagy védő atmoszférában magas hőmérsékletet és magas nyomást gyakorol a két szorosan kötött rézfelületre, és elég hosszú ideig tartja azt, hogy a két kötőfelület réz atomjait teljesen diffundálják, és végül egy egészbe összeolvadnak, hogy a kötés elérése érdekében elérjék. Ez a kötési módszer azonban időigényes, és szigorúbb folyamatfeltételeket igényel.

Az utóbbi években az alacsony hőmérsékletű fémkötés kutatási hotspot lett a csomagolás területén. A kutatók remélik, hogy olyan kötési módszert találnak, amely alacsony hőmérsékleten jó elektromos és mechanikai kötéseket képezhet, és a reakciótermékek ellenállnak a magas hőmérsékleteknek. A réz-tin kötés előnyben részesítése kiváló elektromos és termikus tulajdonságai, valamint alacsony kötési hőmérséklete miatt (az ón olvadási pontja 232 fok). A réz-tin eutektikus kötési folyamat során a fém ón olvad, hogy alacsony hőmérsékleten folyékony állapotot képezzen, amely elősegíti a réz és az ón közötti teljes érintkezést, felgyorsítja a kettő közötti diffúziót, és gyorsan metastabil, magas olvadáspontú intermetallikus vegyületek cu₆sn₅ (olvadáspont 415 fok) és stabil vegyületet generál a Cu₃sn (olvadási pont), majd a kötvények), majd a kötéseket) és a stabil vegyületet. Ez a kötési módszer hatékonyan megakadályozhatja a kötött rész olvadását a hő miatt a későbbi kötési folyamat során, amikor több rétegre rakja, ami elengedhetetlen a 3D -s csomagolás megbízhatóságához. Ezenkívül az ónforrasztó jó deformációs képessége miatt a réz-itin kötés nem igényel magas síkosságot és a kötési felület tisztaságát, még akkor is, ha bizonyos hullámok vagy apró részecskék vannak a felületen, jó kötés alakulhat ki. Ugyanakkor a folyékony ón felgyorsíthatja a réz és az ón közötti diffúziót, így a kötési hatékonyság magasabb. Ahogy az összekapcsolási sűrűség növekszik, a hibrid kötési technológia legújabb fejleményei szintén fontos választássá válhatnak.

TSV alkalmazásfejlesztés

A TSV technológia lehetővé teszi a 2.5D és a 3D csomagolást, amelyek jelentős előnyöket kínálnak a csomagsűrűség és az összekapcsolási hossz szempontjából a jelenlegi 3D csomagolási megoldásokban. Ezért a TSV alkalmazásának előrehaladása tükrözi az élvonalbeli fejlődési tendenciát a 3D-s csomagolás területén.

1. CMOImágusSbeolvas

2006 -ban a Toshiba Corporation elindította a világ első termékét az integrált TSV technológiával, a CMOS képérzékelővel (CIS), és a tömegtermelést 2007 -ben értük el. A TSV-vel felszerelt 3D CMOS képérzékelők fejlődése egymás után átment az első oldali képalkotás (FSI), a hátsó képalkotás (BSI), majd a hibrid 3D-s halmozott BSI szakaszokon. Jelenleg a CIS a TSV technológia legnagyobb alkalmazási piaca.

2. MEMS Field Alkalmazások

A 20. század végén a mély ionmaratási technológiát alkalmazták a MEMS -en a poliszilicon TSV -k előállításához (például a mikrocantileVer gerendákban és a mikromechanikus ultrahangos transzducer -tömbökben alkalmazottak, valamint a monokristályos szilikon TSV -k (például szilícium -dioxid -izolációs struktúrák). A 21. században számos MEMS gyártó és öntödő forgalmazott inerciális érzékelőtermékeket és kapcsolódó gyártási szolgáltatásokat, ideértve a levegőben reteszelt szilícium TSV-ket az ostya szintű vákuumcsomagoláshoz (WLVP). Ugyanakkor a vékonyréteg-akusztikus rezonátorokat (FBARS) üreges fém TSV és WLVP technológiát használva szintén forgalmaztak és széles körben használják a vezeték nélküli kommunikációban. A TSV és a WLVP technológia MEMS -be történő integrálása a csomag méretét és költségeit az eredeti ár 1/10 -től 1/5 -ig csökkentheti, amely az elmúlt évtizedben jelentősen felgyorsította a MEMS elfogadását a fogyasztói és a mobil elektronikában. 2014-ben a Bosch kifejlesztett és elindított egy integrált MEMS-érzékelőt az előre néző középső lyukú TSV alapján, amely 10 μm × 100 μm átmenő lyukú TSV-t használ (10: 1 átmérőjű arány), amely réz-elektroszálási csomagolásból származik, amely jelentősen csökkenti a csomag felületét és vastagságát. Jelenleg a MEMS a TSV technológia fontos alkalmazási területévé vált.

3. Memória mező alkalmazások

A TSV technológia hatékonyan növeli a memória kapacitását és a sávszélességet - a nagy sűrűségű TSV függőleges összekapcsolási technológiával a több chip rakása jelentősen javíthatja a memória kapacitását és a teljesítményt. A fő memóriakészítők elfogadták a TSV 3D -es halmozási technológiát a kapcsolódó termékek fejlesztésére. 2009 -ben a Samsung 8 GB -os 3D DDR3 DRAM -ot indított a TSV 3D csomagolás alapján, amely 50% -kal, illetve 25% -kal csökkenti a készenléti energiafogyasztást, és az I/O sebességet több mint 1600 MB/s -ra növeli. 2014 -ben a cég 16 GB -os 3D DDR4 SDRAM -ot adott ki a TSV technológiával, I/O aránya 2,4 GB/s, és egy halom 4 chips.

A TSV technológiának fontos alkalmazásai is vannak a nagy sávszélességű memóriában (HBM). A HBM-verem nem fizikailag integrálódik a CPU-val vagy a GPU-val, hanem egy kis pályázatú, nagy sűrűségű TSV adapter táblán keresztül kapcsolódik össze. A HBM gyorsabb sebességgel és magasabb sávszélességgel rendelkezik, mivel jellemzői a chip-integrált RAM-hoz közel állnak, így alkalmas forgatókönyvekhez, amelyek magas memória sávszélességű igényei vannak. A nagy teljesítményű CPU/GPU alkalmazásokban a 2.5D TSV adapter táblák kulcsszerepet játszanak platformon alapuló technológiaként. A memória, különösen a HBM termékek, a TSV technológiának köszönhetően jelentősen megnövekedett a sávszélesség. 2014-ben a Hynix 1,2 V 8 GB-os, 8-csatornás nagy sávszélességű memóriát halmozott, 128 GB-os sávszélességgel, 29 nm-es folyamat és TSV technológia felhasználásával. Jelenleg a memória a TSV technológia egyik fő alkalmazáspiaca.

Samsung 3D DDR4 DRAM csomag

4. Alkalmazás más területeken

A Power Electronics, az analóg elektronika és a kommunikáció szintén a TSV technológia fontos alkalmazási pozíciói. 2021-ben a XIDIAN Egyetem és a Manchesteri Egyetem Fengjuan Wang csapata javasolta és fejlesztette ki és fejlesztette ki három öt sorrendű ultra-small hajpass-szűrőt a TSV technológia alapján a 6G mobil kommunikációs igények alapján.

A TSV technológiai kilátások
Ahogy a TSV technológia tovább fejlődik, az átmenő lyuk mérete továbbra is csökken, és a halomban lévő chipek mindenrétegének vastagsága szintén csökkent. A tanulmányok kimutatták, hogy ha az ostya vastagsága kevesebb, mint 5 μm -re csökken, az áramkör teljesítménye nem lesz szignifikánsan. Előreléphető, hogy a következő tíz évben a hagyományos eszközök fejlesztése fokozatosan megérinti a saját fizikai korlátait, és a későbbi áttörések nehézsége jelentősen növekedhet; Azonban az új eszközök, például az egydimenziós anyagkészülékek továbbra is a laboratóriumi szakaszban vannak, és nehéz elérni a nagyszabású forgalmazást. Ezért az integráció folyamatos fejlesztése a csomagolási szinten jelenleg kulcsfontosságúvá vált, és az átmenő-szilikon technológián keresztül továbbra is kutatási hotspot lesz a mikroelektronikai iparban az elkövetkező néhány évben. A TSV iránti kereslet a gyorsan fejlődő chip -alkalmazásokban, például a memória, a logikai áramkörök és a CMOS képérzékelők továbbra is elősegítik ennek a technológiának a fejlesztését és korszerűsítését.

Ezenkívül a TSV technológia elérheti a különféle típusú chipek heterogén integrációját is - például a mobiltelefon -erősítők többnyire GAAS -technológiát használnak, amelyen keresztül a GAAS áramköröket a CMOS áramkörökhöz köthetik, hogy teljes funkcionális áramkört képezzenek. A gyors fejlődés során azonban a 3D-s csomagolás továbbra is számos kihívással szembesül, és olyan kérdésekkel kell szembenézni, mint a megbízhatóság, a hőeloszlás, az anyagi illesztés és a chip-tesztelés, még mindig alaposan meg kell vizsgálni, hogy előmozdítsák az átmenő-szilikon technológián keresztüli forgalomba hozatalát.