基于TSV技术的硅基高压电容器

以微机电系统(MEMS)工艺设计并制作了一种基于TSV技术的高压电容器。给出了电容器的结构形式,理论分析计算了电容器的容值参数,设计得到了容值为2 nF,芯片尺寸为2 mm×2 mm×0.3 mm的硅基电容器。提出一套MEMS工艺的硅基电容器的制作流程,实现了电容器的工艺制作及测试。测试结果表明,获得的高压电容器的容值与设计值基本一致,击穿电压可以达到280 V。硅基高压电容器具有电容密度高、一致性好、易生产的特点,适合高压电子系统的应用发展需求。

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。

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。

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。

Through-silicon-via crosstalk model and optimization design for three-dimensional integrated circuits

Through-silicon-via （TSV） to TSV crosstalk noise is one of the key factors affecting the signal integrity of three- dimensional integrated circuits （3D ICs）. Based on the frequency dependent equivalent electrical parameters for the TSV channel, an analytical crosstalk noise model is established to capture the TSV induced crosstalk noise. The impact of various design parameters including insulation dielectric, via pitch, via height, silicon conductivity, and terminal impedance on the crosstalk noise is analyzed with the proposed model. Two approaches are proposed to alleviate the TSV noise, namely, driver sizing and via shielding, and the SPICE results show 241 rnV and 379 mV reductions in the peak noise voltage, respectively.

基于TSV技术的Ka频段硅基天线设计

TSV(Through-Silicon Via硅通孔)技术是现代集成电路设计的新型工艺。基于此工艺,针对射频通信系统小型化、高集成度的要求分别设计了工作于Ka频段的硅基多端口天线和单端口集成天线。整体结构采用CPW(Co-Planar Waveguide共面波导)和TSV结合的方式实现了对天线的馈电。在此基础上,分别设计了中心频率为35GHz的2X2四端口天线阵和中心频率为35.5GHz的单端口集成天线。仿真结果表明,天线阵列的相对带宽分别为2.88%和6.56%,增益约为4.57dBi和4.06dBi。

退火对TSV电镀铜膜层性能影响研究

针对硅通孔(TSV)高深宽比微孔电镀填铜后结晶细小,后续制程经历高温过程可能导致晶界间缺陷的问题,对TSV电镀铜膜层退火后性能变化进行了研究。考察了退火温度和升温速率等退火条件对晶粒晶面取向、晶粒大小、晶界间空洞以及杂质含量等膜层性能的影响,确定了较优的退火工艺参数为升温速率10/min℃,400℃下保温2 h。结果表明:此较优的高温退火条件下,XRD显示主晶面择优取向为Cu(111);SIMS分析电镀铜膜层总杂质含量小于100 mg·kg^(–1);EBSD结果显示电镀铜平均粒径1.9μm,晶粒长大较充分,满足工业化应用需求,希望对工业化应用提供参考。

用于高密度三维集成的TSV设计

三维集成技术的发展需要高密度和高深宽比的硅通孔(TSV)阵列。由于TSV填充材料与TSV衬底材料之间的热膨胀系数不匹配,TSV在使用或加工过程中会出现严重的热应力问题,造成器件失效甚至是晶圆损坏。设计了一种具有低热应力和高深宽比的中空TSV。单个TSV呈现橄榄球形状,TSV中部直径最大,其次是顶部的直径,最小的是底部直径。采用金属钨进行空心填充,因为钨的热膨胀系数与硅衬底的更匹配。当出现热失配时,空心填充使得空心结构为填充金属与硅的热膨胀提供了缓冲空间,能够大幅度减小TSV衬底所受到的热应力。仿真结果表明沿着TSV轴向方向和径向方向,热应力分别减小了62.4%和60.5%。基于设计的TSV结构,开发了一套基于8英寸(1英寸=2.54 cm)硅晶圆的工艺流程,成功实现了1600/mm^(2)超高密度阵列的加工制作,能够应用于高密度三维集成。

3D-IC类同轴屏蔽型TSV的热力响应分析及结构优化

硅通孔(TSV)是解决三维集成电路(3D-IC)互连延迟问题的关键技术之一。TSV内部结构的变形失效,大多是由循环温度载荷产生的交变应力引起的。从信号完整性角度考虑,建立了接地TSV形状分别为圆柱形和椭圆柱形的类同轴屏蔽型TSV模型。基于最大Mises应力准则,对比分析了循环温度载荷对2种类同轴屏蔽型TSV热应力-应变的影响及最大应力点的主要失效形式。最后综合考虑TSV的几何参数对导体和凸块危险点Mises应力的影响,对椭圆柱形类同轴屏蔽型TSV结构进行多目标优化,将2种最优结构中2个危险点的Mises应力分别降低15.10%、17.18%和18.89%、6.74%。为提高TSV热可靠性的优化设计提供参考。

TSV铜抛光液的研究进展

对硅通孔技术(TSV)在3D堆叠封装领域的优势进行了简单阐述,同时指出化学机械抛光(CMP)技术作为具有高质量和高精度的全局平坦化工艺,是TSV制备过程中最重要的步骤之一。影响化学机械抛光质量以及效率的因素有很多,其中比较关键的是化学机械抛光液的组成成分及其性能。重点从抛光速率、抛光质量(抑制碟形坑、表面粗糙度等)和绿色环保几个方面对抛光液性能的影响进行了讨论,概述了近年来国内外铜抛光液的研究进展。最后,通过对比总结目前铜抛光液的研究成果,对TSV铜抛光液今后的研究重点和发展趋势进行了分析和预测,其应朝着抛光速率和抛光质量的优化、低成本及环境友好的方向发展。

ATMP对晶圆中TSV结构Ta基阻挡层的Ta和Cu去除速率选择比的影响

为了提高晶圆中硅通孔(TSV)阻挡层材料化学机械抛光(CMP)中Ta和Cu的去除速率选择比,在工作压力为3 psi(1 psi=6895 Pa)、抛光头转速为87 r/min、抛光盘转速为93 r/min、抛光液体积流量为300 m L/min的条件下,研究了氨基三甲叉膦酸(ATMP)作为络合剂对Ta和Cu的去除速率以及去除速率选择比的影响。通过电化学方法探究了ATMP对Ta和Cu的络合机制,利用原子力显微镜对比了抛光前后的表面质量。研究结果显示:在ATMP质量分数为1.5%时,Ta和Cu的去除速率分别为157.96和58.6 nm/min,验证了ATMP对提高Ta和Cu的去除速率选择比具有明显效果,Ta和Cu抛光前后的表面粗糙度分别由4.2 nm降低至0.284 nm以及由1.31 nm降低至0.51 nm,表面质量得到明显改善,证明了ATMP适合用于TSV晶圆阻挡层材料抛光。

超宽带硅基射频微系统设计

针对超宽带硅基射频模块的微系统化问题,采用硅基板作为转接板设计了一款具备收发功能的超宽带系统级封装(System in Package,SiP)射频微系统。各层硅基转接板之间的射频信号传输、控制和供电等均采用低损耗的硅通孔(Through Silicon Via,TSV)结构来实现。为了减小封装对射频性能的影响,整个超宽带射频微系统采用5层硅基封装结构,与传统二维封装结构相比,其体积减少95%以上。射频微系统封装完成后,对其电气性能指标进行了测试。在整个超宽带频带内,其接收噪声系数小于2.6 dB,增益大于35 dB,发射功率大于等于34 dBm,端口驻波小于2。该封装结构实现了硅基超宽带射频模块的微系统化,可广泛适用于各类超宽带射频系统。

基于硅基载板微系统封装的散热结构研究

基于硅基载板与芯片之间有良好的热膨胀系数匹配性能和硅通孔(TSV)有高密度的互联技术特性,硅基载板广泛应用于高集成度、高可靠微系统封装。然而射频链路中存在较大的发热,可能导致芯片高温时无法正常工作,同时在封装内部产生较大的热应力,可能引起分层、互联失效等可靠性问题,因此硅基载板封装系统的散热设计至关重要。文章以典型硅基载板封装为例,采用数值仿真方法,研究A型(PCB板)、B型(PCB+铜板)和C型(PCB+铜板+散热翅片)3种散热结构和不同对流工况对封装内部芯片散热的影响,并与原始封装散热效果作对比。研究结果表明,改变外流场速度从而增大封装与外流场的换热系数、增大封装散热面积、提高封装的导热系数均可改善硅基封装的散热效率;最佳散热结构和工况为强迫对流工况下的C型结构。

L波段硅基多层堆叠MEMS耦合器

基于射频传输理论设计并制备了一款Si基多层堆叠微电子机械系统(MEMS)耦合器。该耦合器以高阻硅作为衬底材料,采用高精度三维MEMS加工工艺制备而成。利用电磁仿真软件进行了建模仿真,并经过金属图形化、硅基通孔(TSV)、晶圆减薄、晶圆键合等MEMS工艺完成器件制备。采用三层硅片进行堆叠,信号传输时,通过上下两层金属的层间距离对耦合度进行调整,相比常规的平面耦合具有更小的横向尺寸。同时,为了减小信号传输过程中的辐射效应,在信号线周围设计了接地通孔,实现对耦合器的全屏蔽,使其免受外部电磁场的影响。所制备的硅基多层堆叠MEMS耦合器的频带范围为0.75~1.25 GHz,性能指标良好,尺寸仅为5.5 mm×6.0 mm×1 mm,相比常规的平面耦合结构缩小了50%,相比多层印制电路板(PCB)结构缩小了20%。

硅通孔三维堆叠芯片可靠性标准研究

针对硅通孔(TSV)三维堆叠芯片在微电子封装领域面临的可靠性挑战,阐述了TSV三维堆叠的工艺流程,分析了TSV孔的制造、芯片减薄、三维键合和组装等关键工艺环节对可靠性的影响,并探讨了TSV孔的质量和可靠性等问题。基于当前TSV三维堆叠芯片的可靠性标准,明确了可靠性应力试验条件与推荐的检测方法,为提升TSV三维堆叠芯片的可靠性和制造效率提供科学依据和实践策略,促进技术的优化与升级。

TSV结构热机械可靠性研究综述

硅通孔(TSV)结构是三维电路集成和器件封装的关键结构单元。TSV结构是由电镀铜填充的Cu-Si复合结构,该结构具有Cu/Ta/SiO2/Si多层界面,而且界面具有一定工艺粗糙度。TSV结构中,由于Cu和Si的热膨胀系数相差6倍,致使TSV器件热应力水平较高,引发严重的热机械可靠性问题。这些可靠性问题严重影响TSV技术的发展和应用,也制约了基于TSV技术封装产品的市场化进程。针对TSV结构的热机械可靠性问题,综述了国内外研究进展,提出了亟需解决的若干问题:电镀填充及退火工艺过程残余应力测量、TSV界面完整性的量化评价方法、热载荷和电流作用下TSV-Cu的胀出变形计算模型问题等。

碳纤维/氮化硅复合陶瓷的制备及其电磁屏蔽性能研究

优异的电磁屏蔽材料是保护人体健康和仪器设备正常工作必不可少的选择。通过放电等离子烧结制备含碳纤维的氮化硅基陶瓷,具备着良好电磁屏蔽性能的同时,也保持着一定的机械强度。首先,碳纤维的引入导致复合陶瓷的介电常数增加,样品表面阻抗失配增强,大部分电磁波被反射。其次,高含量碳纤维的加入,在氮化硅基体中形成完整的三维导电网络骨架,复合陶瓷的电导率最高达到2.15 S·m^(-1)。入射至样品内部的电磁波被导电骨架形成的介电损耗所吸收。最后,加入7 wt.%碳纤维后,复合陶瓷的维氏硬度、断裂韧性和电磁屏蔽效能分别达到11.90 GPa、6.05 MPa·m^(1/2)和46 dB。

应用于MEMS封装的TSV工艺研究

开展了应用于微机电系统(MEMS)封装的硅通孔(TSV)工艺研究,分析了典型TSV的工艺,使用Bosch工艺干法刻蚀形成通孔,气体SF6和气体C4F8的流量分别为450和190 cm3/min,一个刻蚀周期内的刻蚀和保护时长分别为8和3 s;热氧化形成绝缘层;溅射50 nm Ti黏附阻挡层和1μm Cu种子层;使用硫酸铜和甲基磺酸铜体系电镀液电镀填充通孔,比较了双面电镀和自下而上电镀工艺;最终获得了硅片厚度370μm、通孔直径60μm TSV加工工艺。测试结果证明:样品TSV无孔隙;其TSV电阻值小于0.01Ω;样品气密性良好。

微模具重复利用的高深宽比铜微结构微电铸复制技术

针对紫外线光刻、电铸成型和注塑(UV-LIGA)工艺的去胶难题,提出了一种以脱模代替去胶的改良工艺,用于批量制造高深宽比铜微结构。该工艺以可重复利用的硅橡胶软模具代替传统的SU-8光刻微模具,采用硅通孔(TSV)镀铜技术进行微电铸填充,然后通过直接脱模实现金属微结构的完全释放,既解决了去胶难题,又能够解决高深宽比微模具电铸因侧壁金属化导致的空洞包夹问题,同时可以大幅降低成套工艺成本。仿真和实验结果显示,热处理可以改善脱模效果,显著降低脱模损伤,支持微模具重复利用。采用初步优化的改良工艺已成功实现深宽比约3∶1的铜微结构的高精度复制。

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。