基于质量保证前移的TSV硅转接板检验评价方法

TSV作为目前公认最先进的新型高密度封装工艺之一,其结构工艺极为复杂,当前国内鲜有大规模应用及工程适用的质量与可靠性评价方法,相关统一标准尚未完全建立。本文以目前相对成熟并已形成行业共识的2.5D封装中TSV硅转接板为对象,结合其工艺结构特点以及实际产品生产试验的一线数据,研究提出了基于保证前移TSV硅转接板质量检验及可靠性评价方法,为TSV工艺产品的工艺质量监控、检验评价、可靠性保证及相关标准规范制定提供了一套成熟的解决方案。

硅转接板制造与集成技术综述

集成电路制程发展放缓,具有高密度、高集成度以及高速互连优势的先进封装技术成为提升芯片性能的关键。硅转接板可实现三维方向的最短互连以及芯片间的高速互连,是高算力和人工智能应用的主流封装技术。从硅转接板设计、制造以及2.5D/3D集成等方面,系统阐述了硅转接板技术的发展现状和技术难点,并对相关关键工艺技术进行详细介绍。

硅通孔(TSV)转接板微组装技术研究进展

以硅通孔(TSV)为核心的三维集成技术是半导体工业界近几年的研发热点,特别是2.5D TSV转接板技术的出现,为实现低成本小尺寸芯片系统封装替代高成本系统芯片(So C)提供了解决方案。转接板作为中介层,实现芯片和芯片、芯片与基板之间的三维互连,降低了系统芯片制作成本和功耗。在基于TSV转接板的三维封装结构中,新型封装结构及封装材料的引入,大尺寸、高功率芯片和小尺寸、细节距微凸点的应用,都为转接板的微组装工艺及其可靠性带来了巨大挑战。综述了TSV转接板微组装的研究现状,及在转接板翘曲、芯片与转接板的精确对准、微组装相关材料、工艺选择等方面面临的关键问题和研究进展。

博世扇贝纹对亚微米硅通孔中应力的影响

硅通孔(TSV)是三维(3D)集成中的关键互连技术。采用博世(Bosch)工艺刻蚀TSV,尤其是亚微米直径的TSV时,侧壁产生的扇贝纹会引起TSV中的应力集中。利用有限元单元生死技术分析亚微米TSV制备过程中的应力变化,并对应力的影响因素进行了分析。研究了TSV节距、扇贝纹高度和宽度、阻挡层材料参数、工艺温度和工作温度等因素对TSV内部应力的影响,并选择了4个主要因素进行正交实验分析。研究结果表明,减小扇贝纹宽度、增大扇贝纹高度、降低工艺温度均能有效缓解扇贝纹附近的应力波动幅度,其中扇贝纹宽度对应力波动的影响最大。通过上述分析,对影响亚微米TSV应力的主要因素进行了排序,从而为TSV制备过程中的参数优化提供了指导。

硅通孔转接板关键工艺技术研究——TSV成孔及其填充技术

硅通孔(TSV)转接板的2.5D封装是目前产业界和学术界研究的热点技术,而TSV技术是TSV转接板制造的关键。本文研究了TSV转接板制备工艺,设计了工艺试验并进行了试验研究,对TSV孔刻蚀、阻挡层沉积、电镀填孔、CMP等关键工艺进行了试验研究和讨论,将所有工艺流程整合,完成了TSV转接板样品制备。

基于双面TSV互连技术的超厚硅转接板制备

为了满足异质集成应用中对转接板机械性能方面的需求,提出了一种基于双面硅通孔(TSV)互连技术的超厚硅转接板的制备工艺方案。该方案采用Bosch工艺在转接板正面形成300μm深的TSV,通过结合保型性电镀工艺和底部填充电镀工艺进行TSV填充。在转接板背面工艺中首先通过光刻将双面TSV的重叠部分控制在一个理想的范围内,然后经深反应离子刻蚀(DRIE)工艺形成深度为20μm的TSV并完成绝缘层开窗,最后使用保型性电镀完成TSV互连。通过解决TSV刻蚀中侧壁形貌粗糙、TSV底部金属层过薄和光刻胶显影不洁等关键问题,最终得到了双面互连电阻约为20Ω、厚度约为323μm的硅转接板。

基于TSV技术的硅光转接板器件的研究

基于硅通孔(Through silicon via,TSV)技术的硅光转接板是实现2.5D/3D光电混合集成方案之一,TSV和再分布层(Redistribution layer,RDL)是集成系统中信号传输的关键组件。对基于硅光转接板的光电混合集成技术进行了介绍,研究了接地TSV排布对基于SOI衬底的TSVRDL链路传输性能的影响,并展示了带有TSVRDL链路结构的光电探测器的高频特性。该探测器3 dB带宽可以达到31 GHz,为基于硅光转接板的2.5D/3D光电混合集成的实现奠定了基础。

一种多链式结构的3D-SIC过硅通孔(TSV)容错方案

三维(3-Dimensional,3D)电路由于其更高的密度、更高的传输速率及低功耗的优点逐渐受到人们的重视和研究,而硅通孔(Through Silicon Via,TSV)技术是三维电路中互联上下层不同模块的主要方法之一。然而由于制造工艺水平的限制,在芯片制作完成后会出现一些失效TSV,这些失效TSV会导致由其互联的模块失效甚至整个芯片的失效。提出了一种多链式的硅通孔容错方案,通过将多个TSV划分为一个TSV链,多个TSV链复用冗余TSV的方法修复失效TSV。通过相关实验显示,该方案在整体修复率达到90%以上的情况下可以较大地减少冗余TSV增加的个数和面积开销。

2.5D硅转接板关键电参数测试技术研究

硅转接板是3D IC中实现高密度集成的关键模块,获取其技术参数对微系统的设计至关重要。以实际研制的一种2.5D硅转接板为研究对象,对大马士革铜布线(Cu-RDL)、硅通孔(TSV)关键电参数的测试结构与测试方法进行了研究,并对TSV电参数测试结构的寄生电容进行了分析。研究结果表明,研制的2.5D硅转接板中10μm×80μm TSV的单孔电阻为26 mΩ,1.7μm厚度的Cu-RDL的方块电阻为9.4 mΩ/,测试结果与理论计算值相吻合。本研究工作为2.5D/3D集成工艺的研发和建模提供了基础技术支撑。

3D IC集成与硅通孔(TSV)互连

介绍了3维封装及其互连技术的研究与开发现状,重点讨论了垂直互连的硅通孔(TSV)互连工艺的关键技术及其加工设备面临的挑战,提出了工艺和设备开发商的应对措施并探讨了3DTSV封装技术的应用前景。

应用于微波/毫米波领域的集成无源器件硅基转接板技术

展示了一种应用于射频微系统领域的可以集成射频无源器件的硅基转接板结构。该结构将电感、电容、电阻、传输线和TSV等集成在适用于微波应用的高阻硅衬底上,可实现芯片级的CMOS、MMIC及MEMS多种不同材料器件集成。采用这种方法制备的传输线损耗在40 GHz为0.34 dB/mm,电容密度达到1.05 fF/μm^2,2.5圈8 n H电感最大Q值在1.5 GHz达到16。这项制造技术与CMOS制造工艺兼容,可为超高集成度的三维集成型化射频微系统提供有力支撑。

粗线条的2.5D硅转接板高速信号布线设计与仿真分析

硅转接板作为2.5D集成的核心结构,通过TSV(through silicon via)提供垂直互联大大缩短了连线长度;同时其热膨胀系数与芯片较好匹配,并兼容圆片级工艺,因此硅转接板拥有着广阔的应用与发展空间。然而由于现有的封装工艺条件的限制,以及半导体硅高损耗的特性,在实现高速信号的高密度集成时,会出现损耗、串扰等多方面的信号完整性问题。结合封装工艺,针对硅转接板10μm线宽的RDL(redistribution layer)传输线多种布线结构在ANSYS的全波电磁场仿真软件HFSS中建立模型。通过仿真,得出硅衬底对传输线电性能的影响;以及单端和差分传输线的合理布线方式,并且提出了高速传输线的高密度排布结构。通过20μm线宽RDL传输线的高频电测试与仿真的结果分析,得出转接板RDL制作工艺的可靠性以及仿真方法的准确性,同时得出RDL层间介质厚度对传输线高频电性能的影响。

TSV转接板空腔金属化与再布线层一体成型技术

为满足射频微波应用的需求并实现三维异质集成,提出了一种带有大尺寸空腔结构的硅通孔(TSV)转接板,研究了其空腔金属化与表面金属再布线层(RDL)一体成型技术。首先,刻蚀空腔并整面沉积一层2μm厚的SiO2;然后,在不损伤其他部分绝缘层的条件下,通过干法刻蚀完成TSV背面SiO2刻蚀;最后,通过整面电镀实现空腔金属化和RDL一体成型,并通过金属反向刻蚀形成RDL。重点研究了对TSV背面SiO2刻蚀时对空腔拐角的保护方法,以及在形成表面RDL时对空腔侧壁金属层的保护方法。最终获得了带有120μm深空腔的TSV转接板样品,其中空腔侧壁和表面RDL的金属层厚度均为8μm。

基于TSV转接板的3D SRAM单粒子多位翻转效应

为了研究硅通孔(TSV)转接板及重离子种类和能量对3D静态随机存储器(SRAM)单粒子多位翻转(MBU)效应的影响,建立了基于TSV转接板的2层堆叠3D封装SRAM模型,并选取6组相同线性能量传递(LET)值、不同能量的离子(^(11)B与^4He、^(28)Si与^(19)F、^(58)Ni与^(27)Si、^(86)Kr与^(40)Ca、^(107)Ag与^(74)Ge、^(181)Ta与^(132)Xe)进行蒙特卡洛仿真。结果表明,对于2层堆叠的TSV 3D封装SRAM,低能离子入射时,在Si路径下,下堆叠层SRAM多位翻转率比上堆叠层高,在TSV(Cu)路径下,下堆叠层SRAM多位翻转率比Si路径下更大;具有相同LET值的高能离子产生的影响较小。相比2D SRAM,在空间辐射环境中使用基于TSV转接板技术的3D封装SRAM时,需要进行更严格的评估。

集成无源器件和硅转接板集成方案设计

集成无源器件(IPD)和穿硅通孔(TSV)技术是目前封装发展的一大趋势。为了实现高性能集成无源器件和硅转接板集成的目的,本文采取了设计两套不同的集成方案,对比研究的方法。方案结合了深槽电容,液态金属填充等先进技术,从集成方式、通孔制作、通孔填充、IPD类型等多方面进行对比,全面的研究IPD和TSV的集成方案。

3D封装与硅通孔(TSV)技术

随着对芯片集成度以及对电性能要求越来越高,近些年来3D封装发展迅速。其中硅通孔技术(TSV)被认为是实现3D封装的最好选择之一。因此TSV工艺逐渐成为微电子领域的热门话题之一,并且促进着微电子行业进一步向前发展。本文分析了硅通孔技术的优点以及挑战,同时也简单介绍了硅通孔技术的应用。

基于两步刻蚀工艺的锥形TSV制备方法

以硅通孔(TSV)为核心的2.5D/3D封装技术可以实现芯片之间的高速、低功耗和高带宽的信号传输。常见的垂直TSV的制造工艺复杂,容易造成填充缺陷。锥形TSV的侧壁倾斜,开口较大,有利于膜层沉积和铜电镀填充,可降低工艺难度和提高填充质量。在相对易于实现的刻蚀条件下制备了锥形TSV,并通过增加第二步刻蚀来改善锥形TSV形貌。成功制备了直径为10~40μm、孔口为喇叭形的锥形TSV。通过溅射膜层和铜电镀填充,成功实现了直径为15μm、深度为60μm的锥形TSV的连续膜层沉积和完全填充,验证了两步刻蚀工艺的可行性和锥形TSV在提高膜层质量和填充效果方面的优势。为未来高密度封装领域提供了一种新的TSV制备工艺,在降低成本的同时提高了2.5D/3D封装技术的性能。

消除硅通孔侧壁刻蚀损伤的方法

硅通孔刻蚀是TSV技术的重要工序步骤,采用标准博世(Bosch)工艺刻蚀硅通孔(宽为150μm),发现硅通孔侧壁出现多处刻蚀损伤。通过优化Bosch工艺参数增加沉积保护,消除了硅通孔侧壁刻蚀损伤问题,通孔开口差值,即通孔下开口宽度与通孔上开口宽度的差,从原来的22μm减小到13μm。利用优化后的工艺配方对硅通孔和硅腔(宽为1 500μm)同时进行刻蚀时,发现硅腔刻蚀后会产生硅针,不能应用到实际生产。经过多轮次Bosch工艺参数调整,把Bosch工艺沉积步骤的偏置功率设置为10 W,同时解决了硅通孔侧壁刻蚀损伤和硅腔刻蚀出现硅针问题,最终成功应用到MEMS环形器系列产品当中。

基于倾斜旋转方法磁控溅射制备TSV阻挡层

硅通孔(TSV)是实现三维集成的关键技术,在TSV侧壁制备连续和均匀的阻挡层至关重要。提出了一种磁控溅射制备TSV侧壁阻挡层的方法,将溅射基台倾斜一定角度并水平匀速旋转,使溅射离子的掉落方向与TSV侧壁不平行,靶材离子更容易溅射沉积在TSV侧壁,使得TSV侧壁都能被溅射到,更有利于制备连续和均匀的阻挡层。使用Ti靶进行直流磁控溅射,优化溅射电流和溅射气压,通过扫描电子显微镜(SEM)对TSV侧壁阻挡层的形貌进行表征分析。随着溅射电流和溅射气压的增大,阻挡层的厚度会增加,但是溅射气压的增大使得溅射钛晶粒变得细长,从而导致阻挡层的均匀性和致密性变差。

同轴硅通孔热应力诱导界面分层失效研究

界面分层失效已成为同轴硅通孔(TSV)应用中重要的热可靠性问题之一。构建有限元分析模型对其热可靠性进行仿真,发现在TSV结构中铜屏蔽环/SiO_(2)界面顶端附近出现明显的热应力集中,可能更易在该界面发生分层失效。为研究结构参数对铜/SiO_(2)界面分层失效的影响,通过对中心铜导体半径、苯并环丁烯(BCB)厚度、铜屏蔽环厚度、SiO_(2)厚度、硅衬底厚度、TSV高度进行变参分析,计算了该界面分层裂纹尖端能量释放率。结果表明:铜屏蔽环厚度对界面能量释放率影响最大,中心铜导体半径次之,SiO_(2)厚度、硅衬底厚度和TSV高度的影响较小,因此减小铜屏蔽环厚度能够有效提高铜屏蔽环/SiO_(2)界面可靠性。