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。

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。

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。

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。

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。

TSV Cu CMP碱性抛光液及工艺

穿透硅通孔(through silicon via,TSV)技术采用铜作为互连材料,晶圆表面沉积了一层厚厚的铜膜,对铜去除速率提出了新要求。从化学机械平坦化(CMP)过程的机理出发,对影响铜去除速率的因素,如磨料、活性剂、氧化剂、螯合剂以及抛光工艺中抛头转速、转盘转速、抛光液流量、工作压力进行了单因素实验和规律分析。通过单因素实验得出,在磨料、活性剂、氧化剂和螯合剂的体积分数分别为50%,1.5%,0.5%和5%,抛头转速和转盘转速分别为105和100 r/min、抛光液流量为225 mL/min和工作压力为4 psi(1 psi=6 895 Pa)时,铜去除速率高达1.5μm/min。

TSV三维集成的缺陷检测技术

硅通孔(TSV)三维集成以其集成密度大、互连延时短以及潜在经济效益高等优势迅速成为了研究热点,三维集成的缺陷检测技术对于优化制造工艺、降低生产成本以及提高器件可靠性等方面均具有十分重要的意义。总结了TSV三维集成缺陷检测面临的巨大挑战,详细介绍了四类缺陷检测方法,包括电学检测方法、光学检测方法、声学检测方法以及X射线检测方法,讨论了这些方法应用于三维集成缺陷检测的原理、特性、不足以及需要解决的关键问题。未来三维集成缺陷将愈加复杂,需要不断加强缺陷的生成和演变机理研究,丰富缺陷检测方法,并持续改善各类方法的检测精度、稳定性以及检测效率。

三维片上网络TSV复用容错策略

三维片上网络结合了垂直互连技术所带来的优势和片上网络所具有的可扩展性的优点,大大提高了系统的性能,降低了功耗。但目前的制造工艺使得用于垂直互连的硅通孔(TSV)的产品良率仍然较低,严重影响三维片上网络系统通信的可靠性。以往处理TSV硬故障一般是通过添加一定数目的冗余链路来达到容错的目的,但这种方法会带来较大的面积和功耗的开销,并且只能处理数量有限的TSV故障。不添加冗余链路,通过对故障链路中功能良好TSV的复用,将数据微片多次传输,达到容TSV硬故障的目的。通过添加ECC编码解码模块来达到容瞬时故障的目的。实验分析表明,该设计方案在保证系统可靠性的基础上还具有较高的吞吐量与较低的延时。

用于3D封装的带TSV的超薄芯片新型制作方法

提出了一种应用于3D封装的带有硅通孔(TSV)的超薄芯片的制作方法。具体方法为通过刻蚀对硅晶圆打孔和局部减薄,然后进行表面微加工,最后从硅晶圆上分离出超薄芯片。利用两种不同的工艺实现了TSV的制作和硅晶圆局部减薄,一种是利用深反应离子刻蚀(DRIE)依次打孔和背面减薄,另一种是先利用KOH溶液湿法腐蚀局部减薄,再利用DRIE刻蚀打孔。通过实验优化了KOH和异丙醇(IPA)的质量分数分别为40%和10%。这种方法的优点在于制作出的超薄芯片翘曲度相较于CMP减薄的小,而且两个表面都可以进行表面微加工,使集成度提高。利用这种方法已经在实验室制作出了厚50μm的带TSV的超薄芯片,表面粗糙度达到0.02μm,并无孔洞地电镀填满TSV,然后在两面都制作了凸点,在表面进行了光刻、溅射和剥离等表面微加工工艺。实验结果证实了该方法的可行性。

含TSV结构的3D封装多层堆叠Cu/Sn键合技术

研究了利用Cu/Sn对含硅通孔(TSV)结构的多层芯片堆叠键合技术。采用刻蚀和电镀等工艺,制备出含TSV结构的待键合芯片,采用扫描电子显微镜(SEM)对TSV形貌和填充效果进行了分析。研究了Cu/Sn低温键合机理,对其工艺进行了优化,得到键合温度280℃、键合时间30 s、退火温度260℃和退火时间10 min的最佳工艺条件。最后重点分析了多层堆叠Cu/Sn键合技术,采用能谱仪(EDS)分析确定键合层中Cu和Sn的原子数比例。研究了Cu层和Sn层厚度对堆叠键合过程的影响,获得了10层芯片堆叠键合样品。采用拉力测试仪和四探针法分别测试了键合样品的力学和电学性能,同时进行了高温测试和高温高湿测试,结果表明键合质量满足含TSV结构的三维封装要求。

TSV阻挡层碱性抛光液对Ti/Cu去除速率的影响

在硅通孔(through silicon via,TSV)的铜互连技术中,对于阻挡层的抛光,Ti和Cu去除速率非常重要。实验中采用的阻挡层材料为Ti,主要研究了pH值和氧化剂(H2O2)对Ti和Cu去除速率的影响。得到的实验结果表明pH值为10时,Ti的去除速率较高,Cu的去除速率很低;加入体积分数30%的氧化剂时,Ti的去除速率最高,Cu的去除速率较低。在pH值为10、加入氧化剂的体积分数为30%的条件下,对TSV阻挡层的修正能力为100～130 nm/min。可知,pH值和氧化剂对Ti/Cu的化学机械抛光(CMP)有很大的影响。

氧化剂在TSV铜膜CMP中钝化机理

为实现TSV硅衬底表面铜去除速率的优化,对影响TSV铜去除速率的最主要因素抛光液组分(如磨料、螯合剂、活性剂和氧化剂)中的氧化剂进行分析。通过对不同体积分数的氧化剂电化学实验进行钝化机理的研究,从而得到最佳的氧化剂体积分数,再进行铜的静态腐蚀实验和抛光实验对铜的去除速率进行验证。实验结果表明,氧化剂体积分数为0.5%时铜具有较高的去除速率,能够满足工业需要。最后,对CMP过程机理和钝化机理进行分析,进一步验证了氧化剂在TSV铜化学机械平坦化中的作用。

TSV封装中互连结构的差分串扰建模研究

为了研究TSV封装中互连结构之间的串扰对差分信号传输特性的影响;针对硅通孔结构提出了一种改进型的"近邻硅通孔差分串扰"RLCG寄生参数模型,进而提出了一种适用于描述接地硅通孔对近邻硅通孔串扰影响的"接地硅通孔"RLCG寄生参数模型;针对层间互连线结构提出了一种改进型的"近邻平行互连线差分串扰"RLCG寄生参数模型,进而提出了一种"近邻垂直互连线差分串扰"RLCG寄生参数模型.在此基础之上,采用HFSS三维全波仿真方法对硅通孔和层间互连线的各种实际串扰状态进行了三维电磁场建模和分析.将RLCG模型的单端-单端串扰以及单端-差分串扰与HFSS模型的分析结果进行了对比,对比结果证明在0.1~30GHz宽频段内本文提出的上述4种RLCG电路模型能够较为准确的描述TSV封装内互连结构之间的串扰特性.

TSV硅衬底CMP后表面微粗糙度分析与优化

为实现TSV硅衬底表面微粗糙度及去除速率的优化,对影响TSV硅衬底精抛后表面微粗糙度的关键因素——抛光液组分的作用进行分析。采用正交实验方法进行精抛液组分(包括有机胺碱、螯合剂、磨料和活性剂)配比控制的组合实验。实验结果表明,抛光液组分中活性剂体积分数对CMP过程中硅衬底片表面微粗糙度及去除速率的影响最为显著。优化抛光液组分配比条件下,CMP后硅衬底表面微粗糙度可有效降到0.272 nm(10μm×10μm),去除速率仍可达到0.538μm/min。将优化后的抛光液与生产线上普遍采用的某国际商用抛光液进行对比,在抛光速率基本一致的条件下,粗糙度有效降低50%。

TSV封装通孔形态参数对焊点热疲劳寿命的影响

使用ANSYS有限元软件建立简化的基于硅通孔技术互连的二维结构模型,用粘塑性本构Anand方程来描述Sn Pb钎料焊点的力学行为,针对模型中的焊球进行热力耦合计算,研究热循环过程中的热失效问题。根据模拟的温度场、应力应变场找到危险焊点位置,利用修正Coffin-Manson经验方程估算危险焊点的热疲劳寿命,并且讨论了模型中通孔直径、深度和间距等参数对焊点热疲劳寿命的影响。结果表明,在只改变单一参数的情况下,焊点疲劳失效周期通孔各参量值的增加均呈现出下降的趋势,其中通孔直径和通孔间距的大小对焊点的使用寿命影响较大。

TSV结构的几种SPICE模型仿真

硅通孔(TSV)结构是2.5D/3D系统级封装(SiP)的关键电学互连单元,对TSV结构的准确建模是保证电学仿真精确程度的重要因素。基于传输线理论,对TSV结构进行了电气描述,提取结构中集总参数元件,并针对这些集总参数元件进行组合,得到几种不同的SPICE模型。对上述SPICE模型进行S参数仿真,作为比较,建立TSV结构的全波模型并通过有限元方法计算得到S参数。仿真结果表明,TSV结构主体主导了整个TSV结构的电性能,当信号频率在10 GHz以下时,由各个SPICE模型仿真得到的S参数和由有限元方法计算所得结果差别较小。对SPICE模型中的TSV与硅衬底间电容C TSV不同的处理方式对仿真结果影响明显。