芯片先進(jìn)封裝硅通孔(TSV)技術(shù)說明

高性能計(jì)算機(jī)中日益廣泛采用“處理器+存儲(chǔ)器”體系架構(gòu)，近兩年來Intel、AMD、 Nvidia都相繼推出了基于該構(gòu)架的計(jì)算處理單元產(chǎn)品，將多個(gè)存儲(chǔ)器與處理器集成在一個(gè)TSV硅轉(zhuǎn)接基板上，以提高計(jì)算處理單元的整體性能。

2015年，AMD推出新一代旗艦級(jí)顯卡“Fiji”，下圖為“Fiji”計(jì)算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。

在TSV 硅轉(zhuǎn)接板上4顆高帶寬存儲(chǔ)器顯存（High Bandwidth Memory，HBM）依靠在臺(tái)積電的28nm工藝節(jié)點(diǎn)制造的GPU芯片兩側(cè)，TSV硅轉(zhuǎn)接基板采用UMC的65nm工藝，尺寸28mm×35mm。

HBM是一種封裝存儲(chǔ)器，可通過同一封裝內(nèi)的硅中介層與SoC集成在一起。通過這種方法，便可以克服傳統(tǒng)片外封裝存在的數(shù)據(jù)I/O封裝引腳限制的最大數(shù)量。

DRAM通過堆疊的方式，疊在一起，Die之間用TVS方式連接；DRAM下面是DRAM邏輯控制單元，對DRAM進(jìn)行控制；

GPU和DRAM通過uBump和Interposer(起互聯(lián)功能的硅片)連通Interposer再通過Bump和 Substrate(封裝基板)連通到BALL；最后BGA BALL 連接到PCB上。

該GPU芯片外接形式為銅柱焊錫帽的微凸點(diǎn)陣列，為提高硅轉(zhuǎn)接板TSV通孔的可靠性，采取了TSV 通孔冗余設(shè)計(jì)。即多個(gè)TSV通孔對應(yīng)一個(gè)焊球凸點(diǎn)。

GPU和HBM顯存間的互連已經(jīng)在TSV 硅轉(zhuǎn)接板的RDL層上完成，使得 “GPU+4HBM”的對外引腳數(shù)遠(yuǎn)小于GPU本身的對外引腳數(shù)，TSV硅轉(zhuǎn)接板成功實(shí)現(xiàn)了GPU芯片的高密度窄節(jié)距的微凸點(diǎn)陣列到外接有機(jī)基板的低密度寬節(jié)距的焊球凸點(diǎn)間的轉(zhuǎn)換。

TSV制造工序主要包括以下幾個(gè)步驟：

首先，在芯片的硅襯底上采用DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反應(yīng)離子刻蝕)的方法刻孔，制造出直徑數(shù)微米、深度50-100μm的盲孔；

然后，依次采用CVD或者PVD方法在盲孔側(cè)壁制作出厚度幾十納米到幾百納米的絕緣層/阻擋層/種子層；

然后，將芯片放在硫酸銅溶液中，以種子層為陰極進(jìn)行電鍍，將盲孔填充滿；

最后，將背面多余的硅襯底去除，露出TSV填銅，形成芯片上表面下表面的垂直互連通道。

其詳細(xì)的工藝過程如下圖所示：

(1)晶圓通孔刻蝕工藝

通過TSV刻蝕工藝在硅襯底上制備高深寬比的TSV盲孔結(jié)構(gòu)，其形貌、尺寸甚至側(cè)壁粗糙程度都將對后續(xù)工藝產(chǎn)生影響。

TSV硅刻蝕工藝通常有電化學(xué)腐蝕技術(shù)、激光刻蝕和基于等離子體的反應(yīng)離子深刻蝕等幾種方法。

隨著TSV孔徑的減小、深寬比的增大，業(yè)界開發(fā)了基于深反應(yīng)離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）技術(shù)的Bosch工藝。

反應(yīng)離子刻蝕（ReactiveIon Etching，RIE）工藝，是采用物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用的刻蝕，使得它成為目前應(yīng)用范圍最為廣泛的干法刻蝕技術(shù)。

Bosch工藝通過刻蝕和保護(hù)兩個(gè)步驟交替進(jìn)行來提高TSV的各向異性，保證TSV通孔的垂直度。

在TSV通孔的Bosch工藝刻蝕過程中，首先向工藝腔室中通入SF6氣體，在射頻源的作用 在SF6電離成為等離子體，等離子體中的高活性的F原子基團(tuán)與未制備掩膜區(qū)域硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成可揮發(fā)的硅氟化合物。

而等離子體中的高能離子則在偏壓源下獲得能量發(fā)生物理轟擊，不僅能為硅氟化學(xué)反應(yīng)提供能量還能夠加速表面生成物的解吸附。

在TSV通孔的Bosch工藝保護(hù)過程中，停止通入SF6氣體，通入C4F8氣體，使C4F8電離形成等離子體，但并不會(huì)對硅進(jìn)行刻蝕，而是在所有暴露的硅表面形成一定厚度的碳氟聚合物層，充當(dāng)保護(hù)鈍化層。

最后物理轟擊使得TSV孔的底部聚合物被移除，從而裸露在SF6等離子體中，但已刻蝕的TSV孔側(cè)壁仍然被碳氟聚合物覆蓋，這樣就避免了高活性的F自由基與TSV孔側(cè)壁繼續(xù)反應(yīng)，從而能夠保證刻蝕的方向垂直向下。

通過不斷重復(fù)這一過程就能夠形成垂直的TSV孔。

下圖是30μm孔徑TSV刻蝕后截面圖，可以看出Bosch工藝制備TSV孔垂直取向性優(yōu)異，孔底尺寸和孔口尺寸差異微小?？涛g反應(yīng)和保護(hù)反應(yīng)交替進(jìn)行將會(huì)在TSV孔壁產(chǎn)生扇貝紋如圖所示，優(yōu)化扇貝紋的尺寸也是Bosch刻蝕工藝研究的重點(diǎn)之一。

(2)晶圓TSV側(cè)壁絕緣層工藝

TSV孔內(nèi)絕緣層用于實(shí)現(xiàn)硅襯底與孔內(nèi)傳輸通道的絕緣，防止TSV通孔之間漏電和TSV間的串?dāng)_。

TSV孔內(nèi)絕緣層的質(zhì)量將直接影響TSV硅轉(zhuǎn)接板的信號(hào)完整性和電源完整性，是保證2.5D TSV轉(zhuǎn)接板性能的關(guān)鍵工藝之一。

在TSV孔刻蝕和深孔清洗完畢后，在TSV孔壁沉積絕緣材料形成孔壁介質(zhì)絕緣層，孔壁絕緣介質(zhì)層需要完全覆蓋TSV孔的內(nèi)壁和TSV硅轉(zhuǎn)接基板表面以達(dá)到良好的絕緣性能。

TSV孔壁絕緣介質(zhì)材料選用無機(jī)介質(zhì)材料，如二氧化硅、氮化硅、或二氧化硅和氮化硅構(gòu)成的復(fù)合材料。

研究表明二氧化硅與硅界面的界面缺陷越少，對硅表面的鈍化性能越優(yōu)異，漏電流更低，所以優(yōu)先選用二氧化硅作為孔壁絕緣介質(zhì)層。

目前TSV孔壁無機(jī)絕緣介質(zhì)材料的常用制備方法包括PECVD、SACVD、ALD和熱氧化法。PECVD可以實(shí)現(xiàn)較低的沉積溫度，如200℃以下，但對于孔徑較小且深寬比較大的垂直TSV孔的孔壁臺(tái)階覆蓋率不足；

SACVD的孔壁臺(tái)階覆蓋率優(yōu)于PECVD，但沉積溫度較高，通常在400℃及以上；

ALD的孔壁臺(tái)階覆蓋率能達(dá)到80%以上，但沉積速度慢；

熱氧化法制備的二氧化硅層結(jié)構(gòu)致密、孔壁臺(tái)階覆蓋率高，但熱氧化工藝溫度通常都在1000℃以上，同時(shí)熱氧化工藝可以在一爐中同時(shí)氧化多片，成本較低。

在2.5DTSV轉(zhuǎn)接板工藝過程中，由于TSV深寬比較大，傳統(tǒng)的單一的絕緣介質(zhì)成膜技術(shù)無法滿足其臺(tái)階覆蓋要求，需開發(fā)新的孔壁絕緣層制備方法。

下圖為TSV孔內(nèi)制備SiO2介質(zhì)層SEM截面圖， 可知TSV孔頂部SiO2介質(zhì)層厚度較大，沿著孔內(nèi)壁向下孔壁沉積SiO2膜層后逐漸減小， 孔內(nèi)均已完全覆蓋SiO2介質(zhì)材料，無SiO2缺失區(qū)域。

(3)晶圓TSV側(cè)壁阻擋層/種子層工藝

在2.5DTSV轉(zhuǎn)接板工藝中，一般使用Cu作為TSV通孔內(nèi)部金屬互聯(lián)材料。在電鍍Cu填充TSV通孔前，需要在TSV孔內(nèi)制備電鍍阻擋/種子層，一般選用Ti、Ta、TiN、TaN等材料。

TSV電鍍種子層起著與電鍍電極電連接并實(shí)現(xiàn)TSV孔填充的作用。TSV深孔金屬濺射影響因素眾多，主要有濺射功率、基底溫度、濺射氣體純度、工藝壓力、設(shè)備結(jié)構(gòu)、靶材與后處理等，都對TSV深孔金屬濺射有一定的影響。

對于 TSV 工藝來說，最需要關(guān)注的就是TSV深孔金屬濺射的覆蓋率，因?yàn)榻饘俚呐_(tái)階覆 蓋率直接影響到后續(xù)TSV深孔電鍍工藝。若金屬濺射連續(xù)性差，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)深孔電鍍形成空洞，會(huì)嚴(yán)重影響到TSV通孔可靠性。因此，實(shí)現(xiàn)粗糙TSV側(cè)壁的高粘附全覆蓋PVD工藝是實(shí)現(xiàn)TSV孔內(nèi)完整電鍍填充的前置工藝。與其他阻擋層和種子層沉積工藝相比，磁控濺射工藝沉積Ti/Cu阻擋層/種子層的濺射效率和沉積效率以及對靶材的利用率更高。

優(yōu)化磁控濺射工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)TSV孔內(nèi)Ti/Cu阻擋層/種子層的全面覆蓋，為下一步電鍍填充提供基礎(chǔ)。

下圖為采用磁控濺射進(jìn)行孔徑30μm，深寬比為7:1的TSV孔內(nèi)Ti/Cu的濺射沉積結(jié)果，利用SEM觀察TSV孔內(nèi)濺射覆蓋情況。可知TSV孔內(nèi)均完整覆蓋了一層Ti/Cu金屬膜，TSV孔開口處膜層厚度最大，延孔壁向下膜層厚度迅速減小，孔底部過渡區(qū)域金屬膜層厚度最小，Ti/Cu阻擋層/種子層全部覆蓋TSV孔內(nèi)壁無缺失出現(xiàn)。

(4)晶圓TSV電鍍填充工藝

TSV 孔電鍍填充是實(shí)現(xiàn)TSV硅轉(zhuǎn)接基板正背面導(dǎo)通和形成垂直方向的電流、信號(hào)通路的關(guān)鍵工藝，填充效果的好壞將直接影響后續(xù)器件的電學(xué)性能和可靠性。

TSV電鍍填充共有四種工藝方法，分別為：不保形的，保形的，超保形的和自底向上生長的電鍍填充工藝，不同電鍍工藝填充效果如下圖所示。

四個(gè)階段進(jìn)程代表著對TSV深孔電鍍藥水和晶圓電鍍機(jī)設(shè)備研發(fā)的各個(gè)時(shí)期。隨著對TSV深孔電鍍藥水體系研發(fā)的認(rèn)識(shí)，以及配套設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)最理想的自底向上電鍍。這種方式，一方面實(shí)現(xiàn)了孔底的填充效果，同時(shí)抑制了通孔側(cè)面和頂部的電化學(xué)抑制作用，實(shí)現(xiàn)了高深寬比TSV通孔電鍍填充完整性。

從TSV深孔電鍍液角度考慮，影響TSV 填充的因素有主鹽濃度和各種添加劑濃度。主鹽濃度主要考慮銅離子濃度，確保了藥液的導(dǎo)電性。

添加劑主要包括整平劑、抑制劑、加速劑等，通過添加劑溶度調(diào)配保證了自底向上沉積，同時(shí)抑制了孔口沉積。

下圖為30μm孔徑TSV深孔電鍍填充Cu截面SEM圖，可見采用由下而上電鍍方法可以有效實(shí)現(xiàn)TSV孔內(nèi)銅電鍍填充。圖(b)為TSV電鍍后X-ary檢測結(jié)果，可見自上而下電鍍工藝穩(wěn)定性和均勻性良好，所有孔內(nèi)均鍍滿，無漏鍍現(xiàn)象存在，滿足量產(chǎn)需求。

(5)晶圓正面CMP工藝

化學(xué)機(jī)械平坦化(ChemicalMechanical Planarization，CMP)，是半導(dǎo)體前道中使材料表面實(shí)現(xiàn)全局平坦化的技術(shù)，主要應(yīng)用于130nm以下制程中多層互連工藝中，確保高密度器件穩(wěn)定性和可靠性。

下圖為多層互連工藝中無CMP 工藝和有CMP 工藝時(shí)的截面圖。

由于TSV轉(zhuǎn)接板中涉及了高密度多層再布線，將CMP技術(shù)引入到TSV制程中，用于去除硅表面的SiO2介質(zhì)層、阻擋層和種子層。

如下圖所示，通過CMP工藝去除表面電鍍的多余銅，要求銅的去除速率快，一致性高。其次去除阻擋層，要求拋光液的速率選擇性高，且盡量不出現(xiàn)缺陷；最后停止在介質(zhì)絕緣層上。

在CMP工藝過程中，當(dāng)Cu表面氧化物去掉時(shí)，拋光液中的化學(xué)成分就會(huì)氧化新露出的金屬表面，然后又被機(jī)械地磨除，這一過程重復(fù)進(jìn)行直到多余銅金屬全部去除，去除表面Cu的TSV 晶圓，如圖(b)所示。

在2.5DTSV轉(zhuǎn)接板Cu CMP過程中，一般要求晶圓表面非均勻性小于3%，銅的去除速率大于2μm/min，碟形坑尺寸控制在-1μm至+3μm以內(nèi)，且晶圓表面無劃傷出現(xiàn)。相反，在TSV阻擋層CMP中要求銅和隔離層的去除速率慢，阻擋層的去除速率快，只有這樣才能修正碟形坑且在不傷及下層介質(zhì)絕緣層的情況下實(shí)現(xiàn)平坦化。

下圖為去除表面電鍍Cu后，表面蝶形坑測試圖。

(6)晶圓TSV背面露頭工藝

TSV背面露頭技術(shù)是2.5D TSV轉(zhuǎn)接基板的關(guān)鍵工藝，包括晶圓減薄、干/濕法刻蝕工藝。在TSV立體集成工藝中，晶圓減薄工藝是需要極其關(guān)注的重要工藝。在TSV轉(zhuǎn)接板工藝中，需要晶圓厚度越來越小，一方面晶圓厚度越小其散熱特性越好，另一方面TSV深度也隨著越小，進(jìn)而相應(yīng)的互聯(lián)延遲和損耗也會(huì)減少。

一般晶圓厚度必須被減薄到100μm或者以下。但是當(dāng)硅晶圓的厚度小于一定數(shù)量值時(shí)，材料內(nèi)部生成的應(yīng)力會(huì)隨著后續(xù)減薄工序的進(jìn)行而增大使得硅片產(chǎn)生翹曲、粗糙和斷裂等缺陷，這些缺陷都會(huì)不同程度的影響后續(xù)工藝。

2.5D TSV轉(zhuǎn)接基板背面減薄之后，TSV柱子上面仍然覆蓋著一定厚度的殘余硅體，且表面會(huì)有一層硅損傷層，一般工藝上都是利用硅刻蝕工藝的高選擇性，從背面露出TSV銅柱。一般采用有兩種方法，干法工藝和濕法工藝。

濕法工藝為純化學(xué)腐蝕方法。

干法工藝為物理轟擊結(jié)合化學(xué)的刻蝕工藝。在2.5D TSV轉(zhuǎn)接板技術(shù)中，背面Cu露頭工藝關(guān)系到后續(xù)晶圓背面的電信號(hào)連接成功與否，要求露出的均勻性較高。考慮硅與二氧化硅的選擇比需要達(dá)到70:1，因此選擇采用干法工藝。

干法工藝不僅保證了TSV露頭部分具有足夠的高度，同時(shí)，露出來的導(dǎo)電銅柱外面還包覆著之前TSV工藝中所形成的絕緣層，避免了導(dǎo)電柱銅金屬與硅的直接接觸而造成對晶圓的污染（銅離子在硅中的擴(kuò)散速度較快，室溫下其擴(kuò)散系數(shù)可高達(dá)1.6×10E-9cm2/s），TSV轉(zhuǎn)接板背面干法露銅結(jié)果如圖所示。

(7)超薄晶圓臨時(shí)鍵合/解鍵合工藝

減薄后的TSV轉(zhuǎn)接板晶圓易碎，需要臨時(shí)粘接在一個(gè)堅(jiān)硬的載片上，完成后續(xù)的工藝以實(shí)現(xiàn)TSV轉(zhuǎn)接板背面工藝，該工藝過程為超薄晶圓臨時(shí)鍵合/解鍵合工藝。

經(jīng)過近年來的研究和發(fā)展，該技術(shù)能夠和現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝很好的融合在一起，技術(shù)難度和成本要求相對較低，逐漸獨(dú)立于其它技術(shù)，成為解決薄晶圓拿持問題的關(guān)鍵。

臨時(shí)鍵合和解鍵合技術(shù)主要是利用承載晶圓來為薄晶圓提供足夠的機(jī)械支撐力。

臨時(shí)鍵合和解鍵合的一般方法就是通過臨時(shí)鍵合膠的作用，將2.5D TSV轉(zhuǎn)接板固定在臨時(shí) 載片上，從而增加薄晶圓的機(jī)械韌性，在完成晶圓減薄及隨后的背面互連結(jié)構(gòu)的制備工步后，可從將TSV硅轉(zhuǎn)接基板從臨時(shí)載片上輕松剝離，清洗干凈后繼續(xù)加工直至封裝完成。

臨時(shí)鍵合和解鍵合的基本原理如下圖所示，具體步驟如下：

a.首先在臨時(shí)鍵合膠的作用下，將TSV轉(zhuǎn)接板和載片鍵合在一起；

b.在載片的機(jī)械支撐下，將TSV轉(zhuǎn)接板減薄到要求的厚度，完成背面工藝；

c.然后通過一定的方法再完整的將TSV轉(zhuǎn)接板與載片分離；

d.最后完成TSV轉(zhuǎn)接板表面鍵合膠的清洗。

采用激光臨時(shí)鍵合及解鍵合工藝對硅片進(jìn)行拿持并完成后續(xù)工藝支撐，如下圖所示為臨時(shí)鍵合拿持超薄晶圓的工藝流程。