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深度解读TSV 的工艺流程和关键技术

时间:2021-03-01 01:06:59

近几年,硅通孔(through-siliconvias,TSV)技术企业发展经济迅速,拥有着一种低功耗、小外形、高性能和高堆叠密度等优势的它得到工业界的广泛社会认可,具有中国延续摩尔定律进行发展的潜力。本文中通过作者主要介绍了TSV的工艺设计流程和关键信息技术,对蚀刻、分离、金属填充,以及铜暴露等重要生产工艺管理流程问题进行了系统详细分析描述。

1概述

三维集成电路具有低功耗、小体积、高性能、高堆叠密度等特点,被认为是突破摩尔定律限制的最有前途的代表。

TSV 技术已应用于许多产品,如 MEMS、手机、CMOS 图像传感器 (CIS)、生物应用设备和内存。因此,现在在 TSV 技术方面有更多的研究和成就。目前,由于成本较高,TSV技术在3D集成中的成果和先进包装技术的应用尚未得到推广。本文回顾了 TSV 的过程流程和关键技术,并详细介绍了深反应离子蚀刻 (DRIE) 通过孔、绝缘衬里、阻隔层和种子层、孔填充、化学机械抛光 (CMP) 和 Cu 暴露等重要工艺。

2TSV结构和TSV制造的工艺流程

2.1TSV结构

TSV结构如图1[1]所示。

2.2 tsv 制造工艺

TSV制造的工艺流程如图2[2]所示。依次:

(1)先使用以及光刻胶对待不同刻蚀区域发展进行分析标记,然后通过使用深反应发生离子刻蚀(DRIE)法在硅晶圆的一面刻蚀出盲孔。

(2)采用化学沉积法沉积二氧化硅(SiO_2)绝缘层,物理气相沉积法沉积钛(Ti)作为阻挡层,铜(Cu)作为种子层。

(3)选择一种电镀方法在盲孔中进行填充电镀铜。

(4)使用进行化学工程机械加工抛光(CMP)法将硅晶圆表面上没有多余的铜去除。

(5)在具有盲孔的硅片侧面制作电路层(rdl)。

(6)使用焊料将硅晶片的侧面与载体晶片上的电路层(RDL)结合。

(7)使用进行化学工程机械加工抛光(CMP)和背面磨削法将盲孔中电镀铜柱的另一端暴露自己出来。

(8)暴露镀铜硅片背面后,制作电路层和微凸点下方的铜垫(UBM)。

(9) 开始在硅晶圆背面制作微凸点。

(10)将制作了微凸点的晶圆从载体晶圆上取下自己然后进行清除晶圆正面的可溶胶[1]。

3TSV制作流程中关键技术

3.1TSV刻蚀

Tsv 刻蚀技术是三维集成的关键技术,目前较受欢迎的深硅刻蚀技术是干法刻蚀或波色刻蚀。采用 bosch 刻蚀工艺,刻蚀速率为5ー10m/min,光刻胶选择性为50ー100,氧化物掩模刻蚀速率为200。所述 bosch 工艺包括以下步骤: (1)使用六氟化硫作为蚀刻剂蚀刻所述硅; (2)填充所述八氟环丁烷气体以产生良好的钝化膜来保护所蚀刻的侧壁; (3)定向离子进一步蚀刻所述钝化层和所述六氟化硫等离子体中的所述硅层。然后用氧气和氩气等离子体清洗钝化层。然而,这一过程导致了一个粗糙的侧壁缺口,这可能导致误差,在随后的步骤,导致泄漏和可靠性问题。在深硅刻蚀中,侧壁粗糙度受刻蚀和钝化两种工艺的影响。侧墙的粗糙度会增大隔热层的间隙,影响隔热层、阻挡层和铜种子层的覆盖。因此,当 tsv 尺寸减小时,侧壁粗糙度应保持在最小值。

3.2TSV绝缘层

Tsv 的金属填充物需要一个绝缘层,以提供硅衬底足够的电绝缘。绝缘层的工艺要求包括良好的台阶覆盖、无泄漏电流、低应力、高击穿电压以及由于不同的 tsv 积分而导致的温度限制。二氧化硅或氮化硅(si3n4)是一种绝缘层,通常用于等离子体增强化学气相沉积或化学气相沉积。然而,当 tsv 直径小于3米时,绝缘材料更适用于原子层沉积。Ald 具有热预算低、台阶覆盖率高、无需表面处理等优点,并且由于保温层较薄,缩短了 tsv cmp 加工时间。

3.3TSV势垒和种子层

下一个过程是阻止层沉积,以防止铜原子在400摄氏度的温度下在脱火过程中的 TSV 中扩散。此外,屏障层还充当绝缘层和铜层之间的粘合层。常用作屏障层的材料为 Ti、Ta、TaN 和 TiN,物理蒸汽沉积 (PVD)、化学蒸汽沉积 (CVD) 或原子层沉积 (ALD) 是根据 TSV 的大小选择的。

金属阻挡层由物理气相沉积,如钽和钛。该方法的最大特点是低温要求,但步长覆盖率低,易于生成高纵横比(& gt; 10:1)的 tsv [6]。沉积厚金属阻挡层可以克服台阶覆盖率低的缺点,但会提高生产成本。锡或锡屏障层可以沉积化学气相沉积,这种方法的优点是均匀性好,但需要较高的加工温度。

在接下来的过程中,铜种子通常用物理气相沉积法沉积在 tsv 中。在金属陶瓷材料的研究中,以纳米氧化铝锡为阻挡层制备了均匀度为80% 左右、尺寸为230m 的金属陶瓷材料 tsv (纵横比 = 15)。成本和减少热预算的障碍和种子过程是在 tsv 应用的关键挑战。

后端流程互联后用于设备可靠性检测的温度是一个值得关注的问题。采用低温全湿法实现了高纵横比的TSV阻挡层和铜籽晶层的化学沉积,采用金纳米粒子(AuNPs)或钯纳米粒子(PdNPs)作为催化剂实现了钴钨和铜的阻挡层/籽晶层的化学沉积[8]。在室温下3小时后,吸附在TSV不同位置的钯纳米粒子的形态如图3所示。在TSV,钯纳米粒子沉积均匀分布,整体尺寸为2×24μm,没有观察到钯的团聚。虽然阻挡层和种子层在较低温度下具有良好的台阶覆盖,但其可靠性需要更多的实验来证明。

3.4TSV填充

TSV填充电镀铜有三种方式方法:共形电镀[9,10],自下而上的密封凸点电镀[11,12],和超共形电镀[13]。电镀技术方法主要是以企业各种信息三维数据集成应用为研究基础的。总的来说,TSV的结构是深度在10到200μm之前的典型的圆柱形孔。TSV的深度发展取决于一个芯片或晶圆键合时的所需材料厚度,而TSV纵横比的大小问题则由介电膜、阻挡层和种子层和填充教学过程可以决定的。

3.4.1共形电镀

共形铜类似于晶圆片级封装中的线镀铜。

3.4.2 密封凸起电镀从下到上

Tsv 型底-顶密封凸点镀层的优点之一是可以有效地避免通孔充填过程中产生的孔洞。另外,自下而上的充填方法也适用于后通孔工艺。通常需要在铜种子层底部进行临时粘接或粘贴技术来完成填充过程。去除载体晶圆会带来额外的成本和可靠性问题,因此图4显示了一种新的 tsv 自下而上密封凹凸镀铜填充方法。该工艺包括: (1) tsv 蚀刻、(2)稀释、(3)氧化隔离、(4)种子层沉积、(5)光刻胶标记、(6)密封凸点、(7) tsv 凸点电镀、(8)最终蚀刻。通过扫描电镜、光学显微镜和 x 射线分析可以观察到缺陷,自下而上的填充不会产生缺陷。如图5所示,(a)干蚀刻的25 mtsv 型材; (b)在填充 tsv 之前制造密封凸点; (c) x 射线下观察到的 tsv 无缝填充; (d)黑点为 tsv,白点为 sio2,灰色为金属线; (e) tsv 型材两侧有铜凸点; (f)最终 tsv 型材有铜凸点[12]。采用一步电镀法制备了 tsv 和凸点结构,简化了工艺,适用于三维积分中的后通孔法。

3.4.3超共形电镀

超适形镀铜填料的适用尺寸范围从嵌体尺寸到应用设备中使用的较大尺寸。X 射线观察表明,去除镀铜层和阻挡层后的 tsv 没有间隙。

图6[17]显示了TSV填充的原理,包括电镀方法的特点和有机添加剂[17]的性能。图中,(a) DC电镀未优化;附加程序;(c)PPR电流波形法。由于标准DC电镀中的夹断问题,电镀方法的选择是TSV填充的关键因素,如图6a所示。图6b显示了添加剂沉积的结果。电镀方法的定时使用四个重要参数,包括反向脉冲时间(TR)、电流暂停时间(TOFF)、正向脉冲时间(Tf)和相应的电流密度(JF,Jr)常数,如图6C [18,19】。

此外,三步PPR电流信号波形法减少了铜填充工作时间和TSV填充[20,21]的缺陷。然而,由于企业使用我们可以通过减少通孔侧壁铜离子的脉冲进行反向电流,填充高纵横比的TSV需要一个很长的时间。因此,三维信息集成中缩短TSV填充不同时间是很有发展必要的。提高我国充填技术效率的优化研究方法有多种,包括作为阳极位置以及优化,多级TSV填充,电镀电流密度不断优化[22]。

最后,使用CMP来去除晶片表面的铜覆盖层和阻挡层。总的来说,这项技术需要两个步骤。第一步是去除通孔填充后的厚的铜凹坑或凹槽,到阻挡层停止。第二步是去除阻挡层,到绝缘层停止。选择不同的浆料来实现隔离,避免凹陷和侵蚀[23]。

3.5TSV铜暴露

另一个关键步骤是铜材料与硅基板之间的热膨胀系数不匹配引起的 TSV 挤压或 TSV 凸起问题。铜的热膨胀系数为17.6ppm/C,高于硅,造成介电层开裂、分层等可靠性问题。通过对不同条件下的点火过程进行一系列实验,获得了点火过程的影响。Cu 从 350 摄氏度到 450 摄氏度的入门温度突出。铜这一突出现象有两种可能的机制。第一个机制是在点火过程中垂直膨胀的铜材料的塑料变形。第二个机制是 TSV 中应力分布不均导致的扩散蠕变。电镀工艺后对 TSV 进行适当的点火前处理,然后用 CMP 去除多余的铜,以减轻硅应力。

4结语

本文综述了三维集成中TSV的各种制造技术,包括工艺的发展、铜填充方法的各种应用,以及介质层、阻挡层和铜籽晶层的应用,以克服硅侧壁的粗糙,铜籽晶的不连续性通过高纵横比的TSV湿法工艺得到解决。TSV的铜填充有三种电镀方法:保形电镀、自下而上的密封凸块填充以实现无缝填充,以及适配板和设备应用的超保形电镀。此外,TSV的差距也可能导致电气故障和可靠性问题,并介绍了其根本原因。同时,对TSV三维集成的关键技术进行了展望,该技术具有体积小、密度高、成本低等诸多优点,具有非常广阔的应用前景。

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