TSV關(guān)鍵工藝設(shè)備及特點(diǎn)

摘要

TSV 是目前半導(dǎo)體制造業(yè)中最為先進(jìn)的技術(shù)之一，已經(jīng)應(yīng)用于很多產(chǎn)品生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)其制程的關(guān)鍵設(shè)備選擇與工藝選擇息息相關(guān)， 在某種程度上直接決定了 TSV 的性能優(yōu)劣。本文筆者在綜述 TSV 的工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上 , 對其中深孔刻蝕、氣相沉積、通孔填充、 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)等幾種關(guān)鍵工藝設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對在確保滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下不同設(shè)備的選型應(yīng)用及對設(shè)備安裝的廠 務(wù)需求提出了相關(guān)建議，同時(shí)對 TSV 設(shè)備做出國產(chǎn)化展望。

硅通孔(TSV)是目前半導(dǎo)體制造業(yè)中最為先進(jìn)的技 術(shù)之一，因其具有更好的電性能、更低的功耗、更寬的 帶寬、更高的密度、更小的外形尺寸、更輕的質(zhì)量等優(yōu)勢， 已逐步成為未來發(fā)展的熱點(diǎn)與方向，是實(shí)現(xiàn)電路小型化、 高密度、多功能化的首選解決方案，其在國內(nèi)應(yīng)用正方 興未艾。具備該技術(shù)生產(chǎn)能力，對國內(nèi)微電子加工制造 發(fā)展具有重大意義。

TSV 技術(shù)主要涉及以下幾個(gè)關(guān)鍵工藝：深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)制作 TSV 孔，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD) 制作介電層，物理氣相沉積(PVD)制作阻擋層和種子層， 電鍍銅(Cu)填孔，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)去除多余的金屬;另外由于芯片堆疊集成的需要，對于 3D IC/Si 集成而言， 還有晶圓的減薄和薄晶鍵合等關(guān)鍵工藝。每一步工藝都 有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。而這些關(guān)鍵工藝涉及的設(shè)備選擇與 工藝選擇息息相關(guān)，在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中起著關(guān)鍵的作用， 在某種程度上直接決定了 TSV 的性能優(yōu)劣。

1 TSV制造關(guān)鍵工藝流程

TSV 制造的主要工藝流程依次為：深反應(yīng)離子刻蝕 (DRIE)法行成通孔;使用化學(xué)沉積的方法沉積制作絕 緣層、使用物理氣相沉積的方法沉積制作阻擋層和種子 層;選擇一種電鍍方法在盲孔中進(jìn)行銅填充;使用化學(xué) 和機(jī)械拋光(CMP)法去除多余的銅。而一旦完成了銅填充， 則需要對晶圓進(jìn)行減薄;最后是進(jìn)行晶圓鍵合。整體工 藝路線會(huì)根據(jù)特定需求對典型工藝進(jìn)行變動(dòng)。

2 TSV關(guān)鍵工藝設(shè)備及特點(diǎn)

對應(yīng) TSV 生 產(chǎn) 流 程， 會(huì) 涉 及 到 深 孔 刻 蝕、PVD、 CVD、銅填充、微凸點(diǎn)及電鍍、清洗、減薄、鍵合等二十 余種設(shè)備，其中深孔刻蝕、氣相沉積、銅填充、CMP 去除 多余的金屬、晶圓減薄、晶圓鍵合等工序涉及的設(shè)備最 為關(guān)鍵。

2.1 深孔刻蝕設(shè)備

深孔刻蝕是 TSV 的關(guān)鍵工藝，目前首選技術(shù)是基于 Bosch 工藝的干法刻蝕。深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備就是感應(yīng) 耦合高密度等離子體干法刻蝕機(jī)(Inductively Coupled Plasma Etcher)，它采用半導(dǎo)體刻蝕機(jī)的成熟技術(shù)，獨(dú) 特設(shè)計(jì)的雙等離子體源，實(shí)現(xiàn)了對腔室內(nèi)等離子體密度 的均勻控制，滿足硅高深寬比刻蝕工藝的要求。具有穩(wěn) 定可靠的工藝性能、寬闊的工藝窗口和良好的工藝兼容 性，用于晶片的高深寬比刻蝕。

2.2 氣相沉積設(shè)備

氣相沉積設(shè)備主要用于薄膜電路表面的高低頻低應(yīng) 力氧化硅等薄膜淀積。設(shè)備具有低溫 TEOS 工藝沉積氧化 硅薄膜，應(yīng)力易調(diào)控，適用于薄膜電路制造中保護(hù)膜層 的沉積。設(shè)備應(yīng)具有預(yù)真空室、基片傳送模塊以及工藝 模塊等，傳片及工藝過程自動(dòng)化。

絕緣層做好后，通過物理氣相沉積法(PVD)沉積金 屬擴(kuò)散阻擋層和種子層，為后續(xù)的銅填充做好準(zhǔn)備。后 續(xù)的電鍍銅填充要求 TSV 側(cè)壁和底部具有連續(xù)的阻擋層 和種子層。種子層的連續(xù)性和均勻性被認(rèn)為是 TSV 銅填 充最重要的影響因素。根據(jù)硅通孔的形狀、深寬比及沉 積方法不同，種子層的特點(diǎn)也各有不同，種子層沉積的 厚度、均勻性和粘合強(qiáng)度是很重要的指標(biāo)。

2.3 銅填充設(shè)備

深孔金屬化電鍍設(shè)備用于新一代高頻組件高深寬比 通孔填孔電鍍銅工藝，解決高深寬比微孔內(nèi)的金屬化問 題，提高互聯(lián)孔的可靠性。TSV 填孔鍍銅工序是整個(gè) TSV 工藝?yán)镒詈诵?、難度最大的工藝，對設(shè)備的要求比較高， 成熟的用于 TSV 填孔鍍銅的設(shè)備價(jià)格昂貴。

2.4 減薄拋光設(shè)備

一旦完成了銅填充，則需要對晶圓進(jìn)行減薄拋光。TSV 要求晶圓減薄至 50μm 甚至更薄，要使硅孔底部的銅 暴露出來，為下一步的互連做準(zhǔn)備。目前晶圓減薄可以 通過機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光、濕法及干法化學(xué)處理等 不同的加工工序來實(shí)現(xiàn)。但晶圓很難容忍減薄過程中的 磨削對晶圓的損傷及內(nèi)在應(yīng)力，其剛性也難以使晶圓保 持原有的平整狀態(tài)，同時(shí)后續(xù)工藝的晶圓傳遞、搬送也遇到了很大的問題。目前業(yè)界的多采用一體機(jī)的思路， 將晶圓的磨削、拋光、貼片等工序集合在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)。

3 TSV關(guān)鍵設(shè)備具體應(yīng)用

TSV 關(guān)鍵工藝設(shè)備精密復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不同設(shè)備供 應(yīng)商所采用不同的工藝方法，對附屬設(shè)備選擇、廠務(wù)條 件配套、安全環(huán)境管理等都有很大的影響?，F(xiàn)根據(jù)實(shí)際 的工藝需求、技術(shù)條件，以一套成熟 TSV 生產(chǎn)線設(shè)備為 案例，推薦適宜的 TSV 設(shè)備。國內(nèi)外設(shè)備價(jià)格差距較大， 由于此類同時(shí)考慮到國外禁運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，在遇到國內(nèi)有可提 供工藝設(shè)備生產(chǎn)商時(shí)，我們應(yīng)該對國內(nèi)設(shè)備的工藝方法、 可靠性、服務(wù)保障、用戶評價(jià)等方面進(jìn)行特別考察，在 確保滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下優(yōu)先推薦選擇國產(chǎn)設(shè)備。

3.1 深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備選型應(yīng)用

本案例實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的深孔刻蝕設(shè)備是用于新一 代高密度封裝基板的微納加工，目的是解決現(xiàn)有濕法刻 蝕的精度和成品率問題，使用深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備完 成精細(xì)深槽、高深寬比微納通孔的高精度干法刻蝕。具 體要求支持晶圓尺寸最大 8 英寸向下兼容，在一般指標(biāo) 基礎(chǔ)上要求刻蝕孔徑≤ 20μm，精度優(yōu)于 ±5%，刻蝕深 度≥ 200μm。

目前國外主流深硅刻蝕設(shè)備主要由美國應(yīng)用材料、 泛林半導(dǎo)體等設(shè)備廠商控制。但近年來，國內(nèi)微電子設(shè) 備廠家進(jìn)步驚人，中微半導(dǎo)體設(shè)備有限公司、北方華創(chuàng) 微電子裝備有限公司等推出的等離子刻蝕機(jī)，均可實(shí)現(xiàn) 高深寬比刻蝕，滿足絕大多數(shù)生產(chǎn)工藝需求，具有實(shí)現(xiàn) 優(yōu)良的側(cè)壁形貌控制、穩(wěn)定的均勻性、極高的刻蝕選擇 比。在后續(xù)的設(shè)備采購調(diào)研中，通過試片驗(yàn)證，北方華 創(chuàng)生產(chǎn)的深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備可以滿足產(chǎn)品加工需求。它采用模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)包括工藝模塊(PM:Process Module)和傳輸模塊(TM:Transfer Module)。傳輸模 塊裝有機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)晶片在其和工藝模塊之間的傳輸。設(shè)備具備智能化的軟件操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單片晶圓的自動(dòng) 刻蝕工藝。

3.2 PECVD 氣相沉積設(shè)備選型應(yīng)用

國內(nèi)外有諸多公司均有各類成熟產(chǎn)品。比如英國的 SPTS 公司，為國內(nèi) MEMS、先進(jìn)封裝、LED 等產(chǎn)業(yè)提供晶 圓刻蝕、PVD、CVD 等設(shè)備，目前綜合技術(shù)實(shí)力處于行業(yè) 領(lǐng)先地位。其 PECVD 設(shè)備主要用于低溫單面淀積低應(yīng)力 氮化硅、氧化硅薄膜。傳送手臂會(huì)自動(dòng)把基片轉(zhuǎn)送到工 藝腔模塊。傳片及工藝過程自動(dòng)化;國內(nèi)的沈陽拓荊科 技有限公司，具有 100% 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的化學(xué)氣相沉積設(shè) 備，可搭配高低頻電源可快速沉積低應(yīng)力、高均勻性的 氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等多種膜層，支持低溫 TEOS 工藝應(yīng)用于 TSV 等領(lǐng)域。設(shè)備配備 EFEM、loadlock、傳 送模塊、工藝模塊等。英國 SPTS 對要求較高的膜層需要 使用 H2 做后處理去除膜層中的水分，提高膜層長期穩(wěn)定 性，如膜層應(yīng)力、擊穿電壓、漏電流等指標(biāo);沈陽拓荊 在沉積時(shí)采用很高的能量，針對不同的狀態(tài)把過程中的 水進(jìn)行電離成活性基團(tuán)，消除膜層吸水的影響，保證膜 層的連續(xù)性和穩(wěn)定性，不需要 H2。

本案例實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的主要需求是用于薄膜電路 表面的高低頻低應(yīng)力氧化硅等薄膜淀積。設(shè)備需要具有 低溫 TEOS 工藝沉積氧化硅薄膜，應(yīng)力易調(diào)控，適用于薄 膜電路制造中保護(hù)膜層的沉積。設(shè)備具有預(yù)真空室、基 片傳送模塊以及工藝模塊等，傳片及工藝過程自動(dòng)化。故采購的設(shè)備具有適用于氧化硅膜層沉積;具備高均勻 性和低應(yīng)力沉積能力;菜單式沉積工藝;具備腔體清洗 功能;工藝過程溫度可控;軟件可對工藝和模塊狀態(tài)實(shí) 時(shí)跟蹤監(jiān)控;具備保存歷史工藝和狀態(tài)等主要功能。

3.3 PVD 設(shè)備選型應(yīng)用

沉積設(shè)備領(lǐng)域，傳統(tǒng)的英國 SPTS 設(shè)備全球市場占有 率較高，其前身為深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備的兩家領(lǐng)導(dǎo)企業(yè) Aviza 和 STS 合并而成，目前綜合技術(shù)實(shí)力處于行業(yè)領(lǐng)先 地位，全球 MEMS 領(lǐng)域市場占有率達(dá) 90%，公司的 Sigma fxP 磁控濺射設(shè)備用于 8 英寸基片物理氣相沉積。配置手 動(dòng)上片盒，傳片及工藝過程自動(dòng)化。配置 1 個(gè)預(yù)熱模塊 用于除氣功能，1 個(gè)表面刻蝕模塊用于基片表面預(yù)清洗。另外還有 2 個(gè)沉積不同金屬材料沉積模塊(Ti&Cu)，沉 積速率快、均勻性好、應(yīng)力調(diào)控佳。設(shè)備應(yīng)用于制造不 同 TSV 和 MEMS 器件。

近年來北方華創(chuàng)公司憑借自身實(shí)力，越來越多的占領(lǐng) 國內(nèi)市場。因此在實(shí)際的設(shè)備選型調(diào)研中，除了在 SPTS 進(jìn)行樣片試驗(yàn)以外，同時(shí)在北方華創(chuàng)公司也進(jìn)行了樣片 生產(chǎn)。因?yàn)樵?PVD 設(shè)備在實(shí)際高密度封裝基板的微納加 工生產(chǎn)中，是用來解決高深寬比微納通孔內(nèi)側(cè)壁難以沉 積阻擋層 / 種子層問題，提高金屬化微納通孔互聯(lián)可靠性。故在選擇 PVD 設(shè)備時(shí)，除滿足 20*200μm、20*100μm 等 高深寬比孔的側(cè)壁金屬薄膜沉積的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，還關(guān) 注設(shè)備是否具有基板的除氣、預(yù)清洗和通孔側(cè)壁磁控濺 射鍍膜工藝，智能化操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)功能。華 創(chuàng)公司生產(chǎn)的 Polaris T620 設(shè)備具備除氣(degas)、 預(yù)清洗(preclean)、高腔 Ti 濺射沉積、高腔 Cu 濺射 沉積 4 個(gè)工藝模塊，以及自動(dòng)傳輸模塊和 Facility 模塊， 完成 8 英寸及以下基板的除氣、預(yù)清洗和通孔側(cè)壁磁控 濺射鍍膜工藝，具備智能化操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)， 故而成為最終的選擇。

3.4 電鍍銅填充設(shè)備選型應(yīng)用

為進(jìn)一步確認(rèn) TSV 填孔鍍銅設(shè)備的性能和針對特異的 TSV孔型結(jié)構(gòu)需求，建議在選購時(shí)，除考慮正常采購原則外， 需在廠家相應(yīng)設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)所需的 TSV 孔型結(jié)構(gòu)的樣品 打樣，根據(jù)打樣要求需保證孔內(nèi)填充致密、無孔隙，鍍層 厚度均勻性好等基本需求，再確定最終采購的設(shè)備。根據(jù) 本案例實(shí)際生產(chǎn)中的具體需求，要求設(shè)備具有高深寬比填 孔電鍍功能;基片清洗甩干功能;鍍槽具備溫度控制、液 位控制、PH 測試、溫度過保護(hù)、加熱器防干燒、氮?dú)獗Ｗo(hù) 等功能;鍍槽采用旋轉(zhuǎn)陰極，速度可調(diào);工藝控制系統(tǒng)具 備工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份等主要功能。

3.5 減薄拋光設(shè)備選型應(yīng)用

近年來，國產(chǎn)化超薄晶圓減薄拋光設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了量 產(chǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了國際同類設(shè)備的高性能水平。因本案例實(shí)際生產(chǎn)中，主要用于 HTCC 氮化鋁基板的貼片減薄拋光 工藝加工，加工幅面 φ305mm。除價(jià)格因素以外，考慮到 廠房安裝、多工序并行加工、實(shí)際生產(chǎn)需求等，希望設(shè) 備可以由減薄、拋光、貼片多臺(tái)相關(guān)設(shè)備按實(shí)現(xiàn)順序相 近放置，以實(shí)現(xiàn)基板貼片、減薄、拋光和厚度測試等功 能。北京特思迪半導(dǎo)體設(shè)備有限公司是生產(chǎn)減薄拋光 CMP 專業(yè)設(shè)備廠家，可以提供的基板減薄拋光系統(tǒng)，由 1 臺(tái) 減薄設(shè)備、1 臺(tái)拋光設(shè)備、1 臺(tái)貼片設(shè)備組成，用于 HTCC 氮化鋁基板的減薄拋光貼片工藝加工，其中減薄設(shè)備通 過快速減薄及在線厚度測量系統(tǒng)將基板加工至目標(biāo)厚度;拋光設(shè)備通過拋光墊和拋光液的作用對減薄后的表面進(jìn) 行拋光，以降低基板表面粗糙度;貼片設(shè)備適用于將基 板粘接到陶瓷載盤上，以作為減薄拋光的載體。經(jīng)實(shí)際 測試，符合該案例實(shí)際生產(chǎn)需求。

3.6 TSV 設(shè)備安裝廠務(wù)需求

TSV 設(shè)備對水、風(fēng)、電、氣等廠務(wù)配套條件要求較高， 并且不同廠家提供的同類設(shè)備由于其采用的工藝方法不 同所需要的廠務(wù)條件差別很大，如所購買的等離子刻蝕 設(shè)備、氣相沉積設(shè)備等用到多種特種氣體、液體有機(jī)物 作為工藝介質(zhì)，有的供應(yīng)商提供的設(shè)備還需要用到氫氣、 硅烷等易燃易爆氣體，反應(yīng)結(jié)束后的廢氣需要經(jīng)過專門 的燃燒裝置進(jìn)行處理后才可以進(jìn)入廠房主排風(fēng)系統(tǒng)，同 時(shí)設(shè)備對冷卻水的壓力、流量等均有較高的要求。

由于涉及到特氣使用且部分屬于易燃易爆危險(xiǎn)氣體， 所以必須通過對現(xiàn)有廠房條件、各個(gè)設(shè)備廠務(wù)需求的梳 理對比，對整個(gè) TSV 生產(chǎn)進(jìn)行系統(tǒng)考慮，在充分考慮到 安全環(huán)保、運(yùn)營維護(hù)、實(shí)施成本的基礎(chǔ)上，從附屬設(shè)備 采購以及放置、工藝布局、界面劃分、設(shè)備安裝等方面 入手，全面進(jìn)行規(guī)劃，在確保安全環(huán)保的前提下，以最 合理的價(jià)格為各個(gè)設(shè)備正常使用的提供廠務(wù)保障。

4 結(jié)語

隨著 TSV 技術(shù)的發(fā)展，大量的傳統(tǒng)微電子設(shè)備即將 淘汰。通過近幾年的 TSV 設(shè)備的逐步大量使用，國內(nèi)在 使用深刻蝕、PVD/CVD、銅(Cu)填孔、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP) 等用于 TSV 制程的關(guān)鍵設(shè)備領(lǐng)域積累了一定經(jīng)驗(yàn)。長期 以來，該類設(shè)備依賴國外企業(yè)，存在成本高、交貨周期長、 應(yīng)對市場變化反應(yīng)較慢的情況。近年，國內(nèi)設(shè)備廠商設(shè) 備有了很大突破，盡管與國外最高水平相比還有一定差 距，但在確保滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，國產(chǎn)設(shè)備各 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如能達(dá)到國外設(shè)備同等或更高的水平， 將會(huì)被優(yōu)先采用，市場前景廣闊。

來源：中國設(shè)備工程 作者：褚曉虹，陳峰，胡旭，沈祥國(南京電子技術(shù)研究所)

審核編輯：湯梓紅