硅通孔发展现状讲解课件.ppt

1、硅通孔技术（硅通孔技术（TSVTSV）的发展现状）的发展现状汇报人：张恒汇报人：张恒组员：杨祖华，韦启钦，韦华宏组员：杨祖华，韦启钦，韦华宏 赵必鑫，吴天宇，徐宇丰，肖瑶赵必鑫，吴天宇，徐宇丰，肖瑶。TSV专利技术的发展态势专利技术的发展态势 2007 年至年至2012年，年，TSV 专利数量持专利数量持续稳步增长，续稳步增长，TSV 越来越受到关注。越来越受到关注。注：美国（注：美国（US）、中国（、中国（CN）、中国）、中国台湾（台湾（TW）、韩国（、韩国（KR）、日本（）、日本（JP）、欧洲联盟（、欧洲联盟（EP）、新加坡（、新加坡（SG）、德）、德国（国（DE）、英国（）、英国（GB）

2、。）。硅通孔（TSV）技术的发展现状v 硅通孔技术硅通孔技术(Through-Silicon Via)：通过在芯片之间、晶圆之：通过在芯片之间、晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的技术间制作垂直导通，实现芯片之间互连的技术。v 优点：优点：使芯片在使芯片在z轴方向堆叠的密度最大；轴方向堆叠的密度最大；芯片之间的互连线最短；芯片之间的互连线最短；外形尺寸最小；外形尺寸最小；并具有缩小封装尺寸；并具有缩小封装尺寸；高频特性出色；高频特性出色；降低芯片功耗；降低芯片功耗；热膨胀可靠性高等。热膨胀可靠性高等。硅通孔（TSV）技术的发展现状减薄（减薄（thinning）、键合（）、键合（bondin

3、g）、孔的形）、孔的形成（成（TSV Formation）、填孔材料（）、填孔材料（via filing）和工艺都是目前工艺研究的主要热点。和工艺都是目前工艺研究的主要热点。TSV互连尚待解决的关键互连尚待解决的关键技术难题和挑战：技术难题和挑战：通孔的刻蚀通孔的刻蚀通孔的填充通孔的填充通孔的工艺流程（先通孔和通孔的工艺流程（先通孔和 后通孔）后通孔）晶圆减薄晶圆减薄堆叠形式堆叠形式键合方式键合方式通孔热应力通孔热应力硅通孔（TSV）技术的发展现状通孔的刻蚀技术通孔的刻蚀技术通孔的材料填充技术通孔的材料填充技术通孔热应力分析通孔热应力分析目目录录硅通孔（TSV）技术的发展现状通孔制造技术通孔制

4、造技术刻蚀刻蚀 硅通孔技术中孔的形成通常是由刻蚀工艺来完成。孔质量的好坏直接决硅通孔技术中孔的形成通常是由刻蚀工艺来完成。孔质量的好坏直接决定了封装的效果。定了封装的效果。半导体行业中大量使用刻蚀技术来制作集成电路，目前己经发展了诸多半导体行业中大量使用刻蚀技术来制作集成电路，目前己经发展了诸多刻蚀技术刻蚀技术，比如，比如：湿法刻蚀，干法刻蚀，：湿法刻蚀，干法刻蚀，深反应离子刻蚀，激光刻蚀深反应离子刻蚀，激光刻蚀。反应离子刻蚀反应离子刻蚀(RIE,Reactive Ion Etching)工艺，是通过活性离子对衬底的物理轰击和化工艺，是通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用的一种刻蚀方

5、式，同时兼有各学反应双重作用的一种刻蚀方式，同时兼有各向异性和选择性好的优点。向异性和选择性好的优点。2011东电电子东电电子(TEL)一举投产了一举投产了5款用于三维封装的款用于三维封装的TSV(硅通孔，硅通孔，throughsiliconvia)制造装置，投产的制造装置，投产的5款三维款三维TSV装置分别是装置分别是硅深刻蚀装置硅深刻蚀装置、聚酰亚胺、聚酰亚胺成膜装置以及成膜装置以及3款晶圆键合关联装置。款晶圆键合关联装置。硅通孔（TSV）技术的发展现状 激光刻蚀激光刻蚀是选择一种单频率或多频率的光波，利用高能量的激光束进行刻蚀是选择一种单频率或多频率的光波，利用高能量的激光束进行刻蚀钻孔

6、，是近年来发展起来的一项新技术。钻孔，是近年来发展起来的一项新技术。如下图所示。该芯片由如下图所示。该芯片由8张晶圆叠层而成，芯片厚度仅为张晶圆叠层而成，芯片厚度仅为560um。三星公司宣称三星公司宣称TSV的制作是由激光钻孔完成的制作是由激光钻孔完成。硅通孔（TSV）技术的发展现状 2010年年12月，应用材料公司发布了基于月，应用材料公司发布了基于Applied Centura Silvia 刻蚀系刻蚀系统的统的最新硅通孔刻蚀技术。新的等离子源可将硅刻蚀速率提高最新硅通孔刻蚀技术。新的等离子源可将硅刻蚀速率提高40%，快速，快速形成平滑、垂直且具有高深宽比的通孔结构。新系统首次将每片硅片的

7、通形成平滑、垂直且具有高深宽比的通孔结构。新系统首次将每片硅片的通孔刻蚀成本降低到孔刻蚀成本降低到10美元以下，同时保持系统标志性的精确轮廓控制和平美元以下，同时保持系统标志性的精确轮廓控制和平滑垂直的通孔侧壁。滑垂直的通孔侧壁。2012年年3月，中微半导体设备公司月，中微半导体设备公司生产的生产的8英寸硅通孔（英寸硅通孔（TSV）刻蚀设备）刻蚀设备Primo TSV200E具有极高的生产率，它具有极高的生产率，它拥有双反应台的反应器，最多可以同时拥有双反应台的反应器，最多可以同时加工两个晶圆片。此刻蚀设备的单位投加工两个晶圆片。此刻蚀设备的单位投资产出率比市场上其他同类设备提高了资产出率比市

8、场上其他同类设备提高了30%。（如下图）。（如下图）2012年年10月，新设备月，新设备Primo SSC AD-RIE（“单反应器甚高频去耦合反单反应器甚高频去耦合反应离子介质刻蚀机应离子介质刻蚀机”）是中微公司用）是中微公司用于流程前端（于流程前端（FEOL）及后端（）及后端（BEOL）关键刻蚀应用的第二代电介质刻蚀设备，关键刻蚀应用的第二代电介质刻蚀设备，主要用于主要用于22纳米及以下的芯片刻蚀加工。纳米及以下的芯片刻蚀加工。（如下图）（如下图）硅通孔（TSV）技术的发展现状填充材料填充材料硅通孔硅通孔填充技术填充技术填充方法填充方法硅通孔填充材料：铜，多晶硅，钨。主要是硅通孔填充材料：

9、铜，多晶硅，钨。主要是铜铜。目前影响铜填充的主要问题包括：硅通孔内侧壁种子层的覆盖、目前影响铜填充的主要问题包括：硅通孔内侧壁种子层的覆盖、硅通孔内硅通孔内 气泡的排除气泡的排除、电镀液质量以及电镀电流密度等、电镀液质量以及电镀电流密度等.主要的填充方法：主要的填充方法：电镀电镀 化学气相沉积化学气相沉积 高分子涂布高分子涂布Cu电镀填充工艺流程电镀填充工艺流程 2010诺发系统宣布开发出一套全新先进的铜阻障底层物理气相沉积（诺发系统宣布开发出一套全新先进的铜阻障底层物理气相沉积（PVD）制程，）制程，其将用于新兴的贯穿硅晶硅通孔（其将用于新兴的贯穿硅晶硅通孔（TSV）封装市场，该制程使用诺发

10、）封装市场，该制程使用诺发INOVA平台，并平台，并搭配特有的中空阴极电磁管（搭配特有的中空阴极电磁管（HCM）技术制造出高贴附性的铜底层，该）技术制造出高贴附性的铜底层，该HCMTSV制程制程提供卓越的侧壁及底部覆盖，能使后续的提供卓越的侧壁及底部覆盖，能使后续的TSV电镀达成无洞填铜。电镀达成无洞填铜。硅通孔（TSV）技术的发展现状 2011年年,飞利浦公司研发人员利用自制电镀药水实现了三维互连中宽飞利浦公司研发人员利用自制电镀药水实现了三维互连中宽5 um,深宽比为深宽比为8的的TSV铜柱无空洞填充铜柱无空洞填充,效果良好。效果良好。2012年年,电化学协会电化学协会D.Josell等人

11、针对其实验室研究人员在仅含抑制剂的等人针对其实验室研究人员在仅含抑制剂的条件下实现条件下实现TSVU型自底向上的电镀铜填充情况型自底向上的电镀铜填充情况,建立了建立了 TSV电镀铜仿真模型电镀铜仿真模型。硅通孔（TSV）技术的发展现状硅通孔热应力分析 微系统封装中，封装后产品的可靠性是其关键考核因素。而对于三维封装硅通孔技术，工艺过程中应力直接影响产品寿命，硅通孔的填充材料以及硅通孔相邻材料的热不匹配性等都会造成通孔上的热应力，导致通孔界面的开裂、分层现象、失效等情况。因此，对硅通孔应力的分析，可以有效的提高产品的可靠性。硅通孔（TSV）技术的发展现状硅通孔相邻材料界面的力学分析硅通孔相邻材料

12、界面的力学分析 刻蚀后的扇贝形通孔界面刻蚀后的扇贝形通孔界面 单个孔分析单个孔分析完全粘接界面模型有限元分析完全粘接界面模型有限元分析 完全粘接界面：理想界面，面上的面力和位移都连续。可以看到通孔边界上应力明显大于通孔内部应力，每个扇贝形小弧段可以看到通孔边界上应力明显大于通孔内部应力，每个扇贝形小弧段边界的下部分应力较大，在每个扇贝形状的末端部位会发生塑性应变边界的下部分应力较大，在每个扇贝形状的末端部位会发生塑性应变。硅通孔（TSV）技术的发展现状硅通孔填充材料的应力分析硅通孔填充材料的应力分析 完全填充完全填充 Cu的的TSV 和和填充聚合物填充聚合物 的的TSV两种结构模型的研究分析两

13、种结构模型的研究分析 两种两种 TSV 结构可能出现失效区域结构可能出现失效区域均集中在均集中在 Cu 材料与其它材料端部界面材料与其它材料端部界面处，热应力将超过铜的屈服强度，出现处，热应力将超过铜的屈服强度，出现屈服变形屈服变形.而在填充聚合物而在填充聚合物 TSV 结构中，结构中，Cu 层在层在 Polymer/Cu 界面中间区域也将出界面中间区域也将出现塑性变形现塑性变形.综合考虑，完全填充综合考虑，完全填充Cu的的TSV可靠可靠性更好。性更好。硅通孔（硅通孔（TSV）技术的发展现状）技术的发展现状 上海交通大学上海交通大学学者用常用材料的组合进行了学者用常用材料的组合进行了仿真分析仿

14、真分析,发现发现以二氧化硅为隔离层，以二氧化硅为隔离层，钨为填充金属，锡为键合层的模型具有最理想的热应力特性钨为填充金属，锡为键合层的模型具有最理想的热应力特性，铜、以及锡的组，铜、以及锡的组合也表现出良好的热应力特性。合也表现出良好的热应力特性。(袁琰红，高立明，吴昊袁琰红，高立明，吴昊,李明李明硅通孔尺寸与材料对硅通孔尺寸与材料对热应力的影响热应力的影响年月年月)中国科学院微电子研究所学者，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院中国科学院微电子研究所学者，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院及复旦大学材料系及复旦大学材料系学者共同对硅通孔学者共同对硅通孔全部填充全部填充Cu（圆柱）和部分

15、填充（圆柱）和部分填充Cu（圆柱环）（圆柱环）带来的应力进行了解析法分析带来的应力进行了解析法分析，得出随着镀铜层的减薄，得出随着镀铜层的减薄，硅中径向正应力和环向正应硅中径向正应力和环向正应力均减小，铜中径向正应力减小，力均减小，铜中径向正应力减小，而环向正应力始终大于完全填充铜情况，因此应综而环向正应力始终大于完全填充铜情况，因此应综合各方面因素谨慎选择合理的镀铜厚度。（安合各方面因素谨慎选择合理的镀铜厚度。（安 彤，秦彤，秦 飞，武飞，武 伟，于大全，万里兮，伟，于大全，万里兮，王王 珺，珺，TSV 转接板硅通孔的热应力分析转接板硅通孔的热应力分析，2013 年年 7 月。）月。）硅通孔

16、（硅通孔（TSV）技术的发展现状）技术的发展现状 上海交通大学上海交通大学学者采用学者采用有限元分析单个圆柱型硅通孔有限元分析单个圆柱型硅通孔和和单个圆台型硅通孔应力单个圆台型硅通孔应力，在通孔深度逐渐变大的过程中，圆柱型与圆台型硅通孔的应力变化趋势相反，圆台在通孔深度逐渐变大的过程中，圆柱型与圆台型硅通孔的应力变化趋势相反，圆台型硅通孔更适用于高深宽比，且上下直径差较大的模型中。（袁琰红，型硅通孔更适用于高深宽比，且上下直径差较大的模型中。（袁琰红，硅通孔三硅通孔三维封装的热力学分析维封装的热力学分析，2013年年1月）月）南昌航空大学南昌航空大学学者建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，

17、并通过用户子学者建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，并通过用户子程序程序 UMAT嵌入到嵌入到 ABAQUS 中进行互连结构的热应力分析。得出在中进行互连结构的热应力分析。得出在不同通孔半径不同通孔半径和通孔结构整体缩小的条件下，铜互连中心和顶部界面处均出现显著的尺寸效应和通孔结构整体缩小的条件下，铜互连中心和顶部界面处均出现显著的尺寸效应，即在互连尺寸接近亚微米时，即在互连尺寸接近亚微米时，热应力随着半径减小而急剧增加的现象热应力随着半径减小而急剧增加的现象。(徐徐 成成,硅硅通孔互连热应力的数值模拟及仿真试验设计通孔互连热应力的数值模拟及仿真试验设计，2012 年年 5 月月)硅通孔（

18、硅通孔（TSV）技术的发展现状）技术的发展现状 2010年半导体龙头大厂联华电子，尔必达，力成科技宣布共同开发硅年半导体龙头大厂联华电子，尔必达，力成科技宣布共同开发硅通孔（通孔（TSV）3D IC制造。制造。2011年三星电子宣布推出一款全新的年三星电子宣布推出一款全新的单条单条8GB容量容量DDR3 RDIMM 服务服务器专用内存，这款产品率先采用三维芯片堆叠技术器专用内存，这款产品率先采用三维芯片堆叠技术TSV，而且这款产品已经，而且这款产品已经成功通过客户的测试成功通过客户的测试。通过三维。通过三维TSV封装技术，封装技术，这类这类8GB RDIMM内存可以内存可以比传统产品节省比传统

19、产品节省40的能耗，而且利用这种技术，可以大幅度提升内存芯片的能耗，而且利用这种技术，可以大幅度提升内存芯片的容量密度的容量密度，正如这次采用的，正如这次采用的Green DDR3 DRAM芯片一样，它的密度提升芯片一样，它的密度提升有望突破有望突破50。TSV是解决服务器既需要大容量内存。是解决服务器既需要大容量内存。2011高通已经设计出一款高通已经设计出一款28nmTSV元件的原型元件的原型.硅通孔技术在各公司发展现状：硅通孔技术在各公司发展现状：硅通孔（硅通孔（TSV）技术的发展现状）技术的发展现状 2011年台积电年台积电(TSMC)该年度在该年度在VLSISymposium上报告已

20、建构出上报告已建构出一种更好的一种更好的TSV介电质衬底介电质衬底(dielectricliner)。工程师展示了高度深宽比。工程师展示了高度深宽比(aspectratios)为为10：l的试制过孔，并减轻了外部铜材料挤压过孔的问题。的试制过孔，并减轻了外部铜材料挤压过孔的问题。2012年联华电子与新加坡科技研究局旗下的微电子研究院宣布，合年联华电子与新加坡科技研究局旗下的微电子研究院宣布，合作进行应用在背面照度式作进行应用在背面照度式CMOS影像感测器的影像感测器的TSV技术开发。通过这项技术开发。通过这项技术，包括智能手机、数码相机与个人平板电脑等移动电子产品，里面技术，包括智能手机、数码

21、相机与个人平板电脑等移动电子产品，里面所采用的数百万像素影像感测器，都可大幅提升产品效能、降低成本、所采用的数百万像素影像感测器，都可大幅提升产品效能、降低成本、减少体积。减少体积。2012年东芝的年东芝的TSV相机模块已用在诺基亚的一些最新款手机当中。相机模块已用在诺基亚的一些最新款手机当中。图像传感器和微机电系统图像传感器和微机电系统(MEMS)等应用已率先导入等应用已率先导入TSV工艺技术。工艺技术。硅通孔（硅通孔（TSV）技术的发展趋势）技术的发展趋势 TSV技术将在垂直方向堆叠层数、硅片减薄、硅通孔直径、填充材技术将在垂直方向堆叠层数、硅片减薄、硅通孔直径、填充材料、通孔刻蚀等方面继

22、续向微细化方向发展。料、通孔刻蚀等方面继续向微细化方向发展。在垂直方向上堆叠层数将由在垂直方向上堆叠层数将由2007年的年的3-7层裸芯片发展到层裸芯片发展到 2015年的年的514层裸芯片的堆叠。层裸芯片的堆叠。为使堆叠为使堆叠14层裸芯片的封装仍能符合封装总厚度小于层裸芯片的封装仍能符合封装总厚度小于lmm的要求，在硅片减薄上，将由的要求，在硅片减薄上，将由2007年的年的20um50um的厚度减低的厚度减低至至2015年的年的8um厚度。厚度。在硅通孔的直径上，将由在硅通孔的直径上，将由2007年的年的4.0um缩小至缩小至2015年的年的1.6um。TSV技术发展重点还包括工艺开发、三维技术发展重点还包括工艺开发、三维Ic设计测试、多尺寸通孔技设计测试、多尺寸通孔技术以及静电保护等。术以及静电保护等。