晶圓級(jí)多層堆疊封裝技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2022-10-20作者來(lái)源：薩科微瀏覽：4110

隨著 5G 和人工智能等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，單純通過(guò)縮小工藝尺寸、增加單芯片面積等方式帶來(lái)的系統(tǒng)功能和性能提升已難以適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的需求。晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)作為能夠突破單層芯片限制的先進(jìn)集成技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能、帶寬和功耗等方面指標(biāo)提升的重要備選方案之一。對(duì)目前已有的晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)及其封裝過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹; 并對(duì)封裝過(guò)程中的兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝，硅通孔工藝和晶圓鍵合與解鍵合工藝進(jìn)行了分析; 結(jié)合實(shí)際封裝工藝對(duì)晶圓級(jí)多層堆疊過(guò)程中的可靠性管理進(jìn)行了論述。在集成電路由二維展開至三維的發(fā)展過(guò)程中，晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)將起到至關(guān)重要的作用。

引言

進(jìn)入 21 世紀(jì)后，集成電路按照尺寸微縮的技術(shù)路線遭遇了物理節(jié)點(diǎn)失效、經(jīng)濟(jì)學(xué)定律失效，以及性能、功耗、面積 ( performance power area，PPA)指標(biāo)難以達(dá)到等各種困難，單純依靠尺寸微縮的發(fā)展道路變得越來(lái)越窄，因此工業(yè)上開始逐漸意識(shí)到實(shí)現(xiàn)三維集成產(chǎn)業(yè)化的重要性。理想的技術(shù)方案是在 Si 片上生長(zhǎng)多層不同功能的器件，但該方法技術(shù)難度較高，當(dāng)前還處于基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段。目前已報(bào)道的三維芯片大多是芯片在垂直方向上的堆疊，該技術(shù)利用硅通孔 ( TSV) 將芯片打通，實(shí)現(xiàn)芯片之間和芯片內(nèi)部的垂直互連。三維芯片具有以下優(yōu)勢(shì): 性能方面，多顆芯片垂直互連，從而提高互連速度、減少響應(yīng)時(shí)間; 功耗方面，縮短全局連線，減少長(zhǎng)連線上中繼器的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)能耗降低; 面積方面，多層堆疊的芯片集成度提升巨大，單位面積上的晶體管數(shù)量成倍地增長(zhǎng)。另外，堆疊的芯片可以是異質(zhì)異構(gòu)的，可以使用不同的工藝，因此多層堆疊能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能，能夠很好地符合未來(lái) “新基建”對(duì)集成電路的要求。

1 多層堆疊技術(shù)

2. 5D 封裝和 3D 封裝是兩種常用的晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)。2. 5D 封裝是將芯片封裝到 Si 中介層上，并利用 Si 中介層上的高密度走線進(jìn)行互連。由于 Si 中介層上沒(méi)有有源器件，所以這種技術(shù)是通過(guò) Si 中介層使多顆芯片在同一平面上互連，沒(méi)有形成芯片之間的三維堆疊，因此被稱為 2. 5D 封裝。目前 2. 5D 封裝的代表性技術(shù)是臺(tái)積電的基底上晶圓上芯片 ( chip-on-wafer-on-substrate，CoWoS) 封裝和英特爾的嵌入式多芯片互連橋接( embedded multi-die interconnect bridge， EMIB )封裝。

CoWoS 封裝的過(guò)程如下: 首先，制備好需要進(jìn)行封裝的芯片，芯片的正面有微凸塊，背面磨薄，將已知良品芯片 ( known good die，KGD) 切割待用，無(wú)需封裝; 之后，在一片裸晶圓上進(jìn)行TSV、重布線層及微凸塊的布局，將晶圓背面減薄并制作好凸塊，制成無(wú)源 Si 中介層; 然后將 KGD倒裝、對(duì)準(zhǔn)，與 Si 中介層面對(duì)面鍵合，再將整體通過(guò)凸塊與封裝基板相連。CoWoS 封裝的具體過(guò)程如圖 1 所示。

EMIB 封裝是在封裝基板中嵌入一小塊 Si 橋作為多片芯片的互連結(jié)構(gòu)。與臺(tái)積電的 CoWoS封裝類似，首先仍是制備好需要進(jìn)行封裝的芯片，芯片背面磨薄，但正面有與封裝基板相連的凸塊，KGD 切割待用，無(wú)需封裝。同時(shí)，EMIB 封裝無(wú)需Si 中介層，而是直接在封裝基板中嵌入具有互連功能的 Si 橋。然后將 KGD 倒裝、對(duì)準(zhǔn)，直接與嵌有 Si 橋的封裝基板通過(guò)凸塊相連。EMIB 封裝的具體過(guò)程如圖 2 所示。與臺(tái)積電的 CoWoS 封裝相比，EMIB 封裝既不需要 TSV 工藝，也不需要 Si 中介層，因此其具有封裝良率高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本更低等優(yōu)點(diǎn)。

與 2. 5D 封裝技術(shù)不同，3D 封裝則真正做到了芯片之間的垂直互連。下面將對(duì)英特爾推出的兩種 3D 封裝技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，即用于邏輯芯片堆疊的 Foveros 技術(shù)以及由 EMIB 和 Foveros 封裝技術(shù)結(jié)合而成的 Co-EMIB 技術(shù)。

Foveros 的封裝過(guò)程與 CoWoS 較為類似，不同之處在于 CoWoS 的中介層是一片裸晶圓，因此它是無(wú)源中介層，但是 Foveros 的中介層是具有功能的芯片，屬于有源 Si 中介層。

Co-EMIB 則是英特爾綜合了 EMIB 和 Foveros兩種封裝技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新封裝技術(shù)，在 Foveros技術(shù)的水平物理層互連和垂直互連的同時(shí)，借由EMIB 封裝實(shí)現(xiàn) Foveros 3D 堆疊之間的水平互連，復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)對(duì)布線設(shè)計(jì)水平提出了極高的要求。Co-EMIB 的封裝過(guò)程是先利用 Foveros 的方法，將多塊芯片形成不同的組塊，再利用 EMIB 封裝的方法將這些組塊通過(guò) Si 橋連接起來(lái)。不管是 2D 水平互連還是 3D 堆疊互連，單片與單片之間都可以實(shí)現(xiàn)近乎 SOC 級(jí)高度整合的低功耗、高帶寬、高性能表現(xiàn)，為芯片封裝帶來(lái)[敏感詞]的靈活性。Co-EMIB 封裝的具體過(guò)程如圖 3 所示。

從以上介紹可以看出，TSV 工藝和晶圓鍵合與解鍵合工藝是晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)的兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝?；诖?，本文將對(duì)這兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝及晶圓級(jí)多層堆疊的可靠性管理進(jìn)行詳細(xì)介紹，為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的思路。

2 TSV關(guān)鍵工藝

TSV 是一種穿通 Si 晶圓或芯片的垂直互連結(jié)構(gòu)，可以完成連通上下層晶圓或芯片的功能，是晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)中有效提高系統(tǒng)整合度與效能的關(guān)鍵工藝。

TSV 工藝依據(jù)制程的先后可以分為先通孔、中通孔和后通孔 3 種技術(shù)方案。先通孔是指在沒(méi)有進(jìn)行任何 CMOS 工藝前，先在空白 Si 片上制作通孔。在該方案中，由于通孔需要經(jīng)歷后續(xù)所有CMOS 制造步驟，因此通孔的填充材料必須要能經(jīng)受住高于1 000 ℃的全部熱加工工藝。因此，在先通孔方案中，最常用的填充材料是多晶硅。先通孔方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要種子層，且絕緣層可以采用傳統(tǒng)的氧化工藝制作。

中通孔是指在 CMOS 器件即將完成和晶圓減薄工藝前進(jìn)行 TSV 的制作，一般是在器件結(jié)構(gòu)基本完成而全局互連尚未實(shí)現(xiàn)的階段進(jìn)行。該方案的優(yōu)點(diǎn)是在制作通孔時(shí)，CMOS 結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成并鈍化，此時(shí)，Si 片不會(huì)再經(jīng)歷高溫工藝，因此可以使用電性能和熱性能比多晶硅更優(yōu)良的 Cu 作為通孔填充材料。

后通孔是指在晶圓減薄后再進(jìn)行 TSV 的制作。在該方案中，晶圓在通孔形成前已經(jīng)減薄到其最終厚度，刻蝕 TSV 后不便進(jìn)行 Cu 的填充，因此后通孔方案是將 Si 片固定在載片或者底部晶圓上，進(jìn)行減薄后，再進(jìn)行 TSV 的刻蝕和填充。

由于 Cu 的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于 Si，因此通孔中填充過(guò)多的 Cu 容易導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。為了提高通孔可靠性，通孔的直徑越小越好，所以生成小孔徑高深寬比 TSV 的 DＲIE 成為 TSV 制作技術(shù)的[敏感詞]選擇。

2. 1 通孔的形成

晶圓上的 TSV 形成是 TSV 技術(shù)的核心，目前的通孔加工技術(shù)主要分為兩種: 一種是激光鉆孔;另一種是深反應(yīng) 離子刻蝕 ( deep reactive ionetching，DＲIE) 。表 1 列出了兩種不同通孔制作技術(shù)的對(duì)比。

激光鉆孔技術(shù)是利用激光的定向性和高功率密度使晶圓表面迅速被加熱至氣化溫度，蒸發(fā)形成孔洞。由于激光本身的性質(zhì)無(wú)法滿足小孔徑、高深寬比的 TSV 制作，因此激光鉆孔技術(shù)無(wú)法用于2. 5D/3D 封裝技術(shù)。

DＲIE 技術(shù)是將聚合物鈍化層的沉積和對(duì)單晶硅的刻蝕這兩種工藝過(guò)程組合在一起循環(huán)交替進(jìn)行，這樣可以避免沉積和刻蝕之間相互影響，保證了鈍化層的穩(wěn)定可靠，從而形成側(cè)壁陡直的高深寬比扇貝結(jié)構(gòu)。最典型的深反應(yīng)離子刻蝕方法是被稱為 “Bosch”工藝的方法，采用 SF6和 C4 F8在常溫下實(shí)現(xiàn)對(duì) Si 的刻蝕。SF6為刻蝕氣體，用于對(duì)溝槽側(cè)壁和底部的刻蝕， C4 F8為保護(hù)氣體，通過(guò)在側(cè)壁表面生長(zhǎng)一層 ( CF2 ) n有機(jī)聚合物保護(hù)膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)已刻蝕側(cè)壁的保護(hù)。具體過(guò)程是，先用 SF6刻蝕Si 表面，然后在側(cè)壁上沉積一層( CF2 ) n高分子鈍化膜，再通入 SF6刻蝕掉鈍化膜，接著進(jìn)行 Si 基材的刻蝕，如此反復(fù)，從而形成一個(gè)局部的各向異性刻蝕。

2. 2 絕緣層的沉積

在填充金屬之前，必須先進(jìn)行絕緣層的沉積，隔斷填充金屬與 Si 之間的電導(dǎo)通。通孔內(nèi)壁絕緣層材料包括硅氧化物、硅氮化物和聚合物等。不同絕緣層材料需要用不同的沉積技術(shù)，如表 2 所示。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 ( PECVD)技術(shù)的沉積速率高、工藝溫度低、均勻性好且臺(tái)階覆蓋率高，廣泛應(yīng)用于沉積 SiO2等絕緣層材料。真空氣相沉積聚對(duì)二甲苯的工藝溫度[敏感詞]，在要求更低沉積溫度的 TSV 工藝中應(yīng)用也比較廣泛。

2. 3 阻擋層和種子層的沉積

由于 Cu 具有優(yōu)秀的電性能和熱性能，且成本低廉，目前 TSV 大多采用 Cu 來(lái)填充。但 Cu 作為填充材料有以下缺點(diǎn): ①Cu 在 SiO2介質(zhì)中的擴(kuò)散速度很快，易使其介電性能嚴(yán)重退化; ②Cu 對(duì)半導(dǎo)體載流子具有很強(qiáng)的陷阱效應(yīng)，擴(kuò)散后將嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的電性特征; ③Cu 和 SiO2的黏附強(qiáng)度較差，容易對(duì)器件的可靠性產(chǎn)生影響。因此，在Cu 和半導(dǎo)體本體之間需要沉積一層阻擋層，既能阻擋 Cu 向 SiO2中擴(kuò)散，也能提高 Cu 在 SiO2表面的黏附強(qiáng)度。通常的阻擋層材料包括 Ta、TaN/Ta、TiN 等金屬或金屬化合物。常見阻擋層材料及其沉積方法如表 3 所示。

在阻擋層之后還會(huì)再生長(zhǎng)一層種子層，其作用有二: 一是生產(chǎn)中一般采用電鍍的方式來(lái)生長(zhǎng) Cu，電鍍時(shí)需要導(dǎo)電，因此在阻擋層表面覆蓋一層 Cu種子層用以導(dǎo)電，通電后，電鍍液中的 Cu 離子與電子結(jié)合形成鍍?cè)诜N子層表面的 Cu; 二是種子層可以提供 Cu 晶核，晶核越多，結(jié)晶越均勻，避免晶粒異常長(zhǎng)大。

2. 4 TSV的填充

Cu 的電阻率僅為 1. 75×10－8Ω·m，是良好的導(dǎo)電材料，加之其價(jià)格低廉，因此成為 TSV 填充材料的[敏感詞]。TSV 的 Cu 填充技術(shù)主要有電鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積等方法。由于電鍍的成本更低且沉積速率更快，工業(yè)上一般采用電鍍 Cu 工藝來(lái)填充 TSV。

電鍍 Cu 的填充效果與 TSV 的直徑有關(guān)，當(dāng)TSV 的直徑在 25 μm 以上時(shí)，Cu 的填充效果較好，但由于 Cu 的熱膨脹系數(shù)與 Si 材料不匹配，過(guò)多的Cu 填充可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)可靠性問(wèn)題，因此需要盡量減小 TSV 的尺寸。然而當(dāng)孔徑小于10 μm后，對(duì)于小孔徑、高深寬比的 TSV，底部未完成填充時(shí)，上層的開口可能已經(jīng)封閉，就會(huì)形成電鍍空洞，因此均勻電鍍銅工藝不適用于小孔徑 TSV 的填充。

為實(shí)現(xiàn)無(wú)空洞電鍍 Cu，開發(fā)了一種 “自底向上”的電鍍工藝。這種工藝通常利用特殊的電鍍促進(jìn)劑和抑制劑來(lái)加速通孔內(nèi)部的沉積速率和抑制通孔外表面的沉積速率，通過(guò)調(diào)整促進(jìn)劑和抑制劑的比例，使二者相互平衡，從而防止電鍍空洞的產(chǎn)生。

2. 5 晶圓表面的平坦化

完成電鍍 Cu 后，晶圓的表面沉積了一層較厚的不均勻 Cu 層，一般采用 CMP 技術(shù)將多余的 Cu去除并將晶圓表面平坦化。Cu 的研磨工藝一般分為三步: [敏感詞]步用較快的研磨速率去除晶圓表面大部分的 Cu; 第二步通過(guò)降低研磨速率研磨掉與阻擋層接觸的 Cu，使研磨停留在阻擋層上; 第三步研磨掉阻擋層和少量的氧化硅。其中第三步是Cu 的 CMP 工藝的難點(diǎn)，磨得太少可能形成碟形缺陷，磨得太多容易導(dǎo)致侵蝕，因此第三步的時(shí)間控制是 Cu CMP 工藝的重點(diǎn)。

2. 6 晶圓的減薄

在先通孔和中通孔工藝中，晶圓表面平坦化后，還需要進(jìn)行晶圓背面的減薄使 TSV 露出，而在后通孔工藝中，晶圓在進(jìn)行 Bosch 刻蝕工藝前就會(huì)進(jìn)行減薄。晶圓減薄的目的是使 TSV 露出，在晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)中，需要將多片晶圓進(jìn)行堆疊鍵合，同時(shí)總厚度還必須滿足封裝設(shè)備的要求，因此目前 0. 3～0. 4 mm 的晶圓厚度必須經(jīng)過(guò)減薄才能滿足要求。目前較為先進(jìn)的多層堆疊使用的芯片厚度均在 100 μm 以下。未來(lái)如果需要疊加更多層，芯片的厚度需減薄至 25 μm 甚至更小。傳統(tǒng)的晶圓減薄技術(shù) 包括機(jī) 械磨削、CMP 和濕法腐蝕等。對(duì)于晶圓級(jí)多層堆疊來(lái)說(shuō)，單一的晶圓減薄技術(shù)無(wú)法滿足工藝要求，需采用復(fù)合方法進(jìn)行晶圓的減薄，一般是先利用機(jī)械磨削將晶圓減薄到一定程度后，再利用 CMP 和濕法腐蝕等減薄工藝進(jìn)一步減薄至目標(biāo)厚度。

晶圓經(jīng)過(guò)減薄后通常容易產(chǎn)生變形或翹曲，給之后的工序帶來(lái)困難。目前業(yè)界主流的解決方案是采用一體機(jī)的思路，將晶圓的磨削、拋光、保護(hù)膜去除和劃片膜粘貼等工序集合在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)。晶圓從始至終都被吸在真空吸盤上，始終保持平整狀態(tài)，從而防止了晶圓在工序間搬運(yùn)時(shí)產(chǎn)生變形或翹曲。

3 晶圓鍵合與解鍵合關(guān)鍵工藝

晶圓鍵合與解鍵合工藝也是多層晶圓堆疊技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一，用于完成兩片器件晶圓的 “面對(duì)面”堆疊，或利用載片晶圓實(shí)現(xiàn)多片器件晶圓的 “背對(duì)面”堆疊。

根據(jù)鍵合材料的不同，晶圓的鍵合主要分為Si-Si 直接鍵合、金屬熱壓鍵合、共晶鍵合和聚合物鍵合等鍵合方法。根據(jù)鍵合的性質(zhì)，分為[敏感詞]鍵合與臨時(shí)鍵合。其中，Si-Si 直接鍵合對(duì)工藝的要求較高，但鍵合過(guò)程較為簡(jiǎn)單，鍵合強(qiáng)度大; 金屬熱壓鍵合和共晶鍵合主要用于芯片或晶圓的金屬鍵合環(huán)之間的鍵合; 聚合物鍵合熱穩(wěn)定性較差，不常用于器件晶圓之間的鍵合，但可以利用這一特點(diǎn)用于器件晶圓與載片晶圓之間的臨時(shí)鍵合，以方便其解鍵合過(guò)程。目前這 4 種鍵合方法，以及綜合多種鍵合技術(shù)形成的混合鍵合法在工業(yè)上均得到了廣泛使用。

對(duì)于兩片晶圓之間的鍵合，目前主流的方法有3 種: Si-Si [敏感詞]鍵合、聚合物臨時(shí)鍵合和 Si-Si 直接鍵合與金屬熱壓鍵合的混合鍵合。

Si-Si [敏感詞]鍵合采用的載片晶圓材料為 Si 片。將器件晶圓和載片晶圓的正面拋光并用表面活性劑處理，將器件晶圓倒裝與載片晶圓貼合，在室溫下進(jìn)行預(yù)鍵合。經(jīng)過(guò)拋光處理的 Si 或 SiO2表面會(huì)產(chǎn)生一些懸掛的 Si—O 鍵，這些 Si—O 鍵中的 O 原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，會(huì)從表面活性劑中吸附 H+離子形成羥基。兩片晶圓貼近后，一片晶圓上羥基中的 O 原子可以和另一片晶圓上羥基中的 H 原子形成氫鍵，使兩片晶圓緊密貼合。之后，對(duì)兩片晶圓進(jìn)行高溫退火處理，兩晶圓表面的羥基會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，脫去一個(gè) H2O 分子，于是兩邊的 Si 通過(guò)與O 形成堅(jiān)固的 Si—O 鍵而鍵合在一起。

由于兩片晶圓是通過(guò)范德華力預(yù)鍵合的，因此對(duì)表面平整度、清潔度的要求也較高; 而兩片晶圓的鍵合層是沒(méi)有明確界面的硅氧化物，因此這種鍵合是[敏感詞]性的，鍵合強(qiáng)度很高，載片晶圓的解鍵合只能通過(guò)完全磨削實(shí)現(xiàn)，所以 Si-Si [敏感詞]鍵合步驟較為簡(jiǎn)單，但載片消耗量大，成本相對(duì)較高。

聚合物臨時(shí)鍵合采用的載片晶圓材料為玻璃。奧地利的公司提供了一種聚合物臨時(shí)鍵合的方案。在該方案中，采用紫外固化液態(tài)黏合劑將器件晶圓和玻璃載片進(jìn)行臨時(shí)鍵合。如圖 4所示，經(jīng)過(guò)背面磨削后，利用光熱轉(zhuǎn)換 ( light to heat conversion，LTHC) 激光進(jìn)行解鍵合，然后清洗表面，將黏合劑從晶圓上除去，完成整個(gè)工藝流程。

EVG 公司采用的 UV 固化液態(tài)黏合劑是一種特殊的聚合物材料，可以在紫外光的照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，聚合物會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)晶圓鍵合。聚合物臨時(shí)鍵合法采用黏合劑將兩片晶圓進(jìn)行鍵合，因此對(duì)晶圓表面平整度、清潔度要求不高。雖然這種方法的鍵合強(qiáng)度較低、對(duì)熱不穩(wěn)定，但也使解鍵合工藝容易實(shí)現(xiàn)。清洗后的玻璃載片可以重復(fù)使用，有效地降低了鍵合成本。

混合鍵合主要用于兩片器件晶圓的鍵合，而非器件晶圓與載片晶圓的鍵合。法國(guó)原子能委員會(huì)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 ( CEA-LATI) 與 EVG 公司合作，于 2017 年率先實(shí) 現(xiàn) 12 英寸 ( 1 英寸 =2. 54 cm) 晶圓的混合鍵合，其混合鍵合中的金屬接觸塊的材料是 Cu，金屬接觸塊的間隔約為1 μm?；旌湘I合的工藝流程如圖 5所示。首先，在兩片晶圓上沉積硅氧化物－硅氮化物－硅氧化物 ( ONO) 絕緣層，然后用大馬士革工藝定義金屬接觸塊區(qū)域，沉積 TaN/Ta 阻擋層并沉積 Cu，再進(jìn)行特殊的表面處理使表面粗糙度小于 0. 5 nm，最后，將一片晶圓倒裝與另一片晶圓貼合，在400 ℃下退火，使兩片晶圓形成鍵合。混合鍵合不需要載片晶圓或黏合劑，同時(shí)不需要 TSV 即可使兩片器件晶圓鍵合，具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

4 晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)的可靠性管理

集成電路可靠性的定義是系統(tǒng)或元器件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃詼y(cè)試從集成電路誕生開始，就一直是芯片設(shè)計(jì)、制造的研究開發(fā)中的一個(gè)重要部分。當(dāng)芯片進(jìn)入多層堆疊時(shí)代后，多層芯片的垂直異構(gòu)堆疊互連結(jié)構(gòu)也對(duì)芯片可靠性的保障和提高帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

4. 1 2. 5D/3D 封裝中的力學(xué)管理

在 2. 5D/3D 封裝中，力學(xué)特性引起的可靠性問(wèn)題主要分為兩個(gè)方面: 一是 TSV 中填充的 Cu與 Si 之間的熱膨脹系數(shù)不同，因此在 TSV 結(jié)構(gòu)受熱或遇冷時(shí)可能導(dǎo)致 Cu 與 Si 之間的界面發(fā)生分層失效; 二是在晶圓減薄的過(guò)程中，如果使用不適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，可能會(huì)導(dǎo)致減薄過(guò)程中產(chǎn)生較大的磨削應(yīng)力導(dǎo)致晶圓碎片，也可能導(dǎo)致在磨削后晶圓表面殘余應(yīng)力增加，產(chǎn)生晶圓翹曲，不利于后續(xù)工藝的開展。因此，需針對(duì)這兩方面進(jìn)行力學(xué)的可靠性管理。

對(duì)于 TSV 而言，由于其中的黏附層比絕緣層薄很多，以下分析忽略黏附層產(chǎn)生的形變。Si、SiO2和 Cu 的熱膨脹系數(shù)分別約為3×10^－6、6×10^－7和 1. 8×10^－5℃^－1，當(dāng)溫度變化時(shí)，Cu 的形變量大約是 Si 的 6 倍，是 SiO2的 30 倍。因此，在溫度變化時(shí)，受力最強(qiáng)的點(diǎn)是通孔表面 Cu 與 SiO2的接觸點(diǎn)，可以將這個(gè)點(diǎn)的受力作為判斷 Cu 是否會(huì)發(fā)生分層和開裂的指標(biāo)。以升溫為例，當(dāng)孔徑較小時(shí)，若 TSV 越深，受熱后 Cu 膨脹的量就越多，因此通孔表面 Cu 與 SiO2的接觸點(diǎn)受到的應(yīng)力越大。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于無(wú)缺陷的 TSV 結(jié)構(gòu)，Cu 與 SiO2的界面附近單元中的應(yīng)變較小，不足以導(dǎo)致分層和開裂。因此，對(duì)于受應(yīng)力影響比較大的小孔徑 TSV，應(yīng)盡量避免工藝制程中可能出現(xiàn)的如表面粗糙等可以導(dǎo)致應(yīng)力集中的缺陷。

在晶圓減薄的過(guò)程中，晶圓表面由于砂輪的磨削會(huì)產(chǎn)生晶格缺陷，這些晶格缺陷會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力在晶圓表面產(chǎn)生。當(dāng)晶圓厚度大于 100 μm 時(shí)，殘余的應(yīng)力還不足以導(dǎo)致晶圓翹曲。但當(dāng)晶圓減薄到 100 μm 以下時(shí)，在殘余應(yīng)力的影響下，晶圓會(huì)發(fā)生明顯的形變。而在進(jìn)行晶圓減薄時(shí)，減小砂輪磨削的轉(zhuǎn)速可以加速殘余應(yīng)力的釋放，因此可以減小晶圓翹曲的程度。然而過(guò)小的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致晶圓減薄效率的降低，因此可以將減薄過(guò)程分成兩個(gè)步驟，首先將晶圓快速磨削至100 μm左右，再采用較小的磨削速率將晶圓減薄至目標(biāo)厚度，這樣可以盡量避免晶圓由于殘余應(yīng)力發(fā)生過(guò)大的形變。

4. 2 2. 5D/3D 封裝中的熱學(xué)管理

熱學(xué)管理是 2. 5D/3D 封裝中的重要問(wèn)題之一，其原因在于: ①多功能芯片的堆疊使單位面積上的總功耗增大，產(chǎn)生的熱量增高，且無(wú)有效的散熱通道; ②晶圓減薄后會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)生熱量聚集，產(chǎn)生過(guò)熱點(diǎn)。2. 5D/3D 封裝的散熱可以從封裝級(jí)熱設(shè)計(jì)和外部散熱措施兩方面來(lái)考慮。封裝級(jí)熱設(shè)計(jì)包括優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)和應(yīng)用封裝級(jí)冷卻技術(shù)，例如加裝銅散熱板、鋁封裝蓋等。外部散熱措施包括空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻等方式。液體冷卻和相變冷卻的效率較高，但需要加裝附加設(shè)備，增加了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜性，也提高了制造和維護(hù)的成本，而空氣冷卻由于其低成本、易維護(hù)和高可靠性的特點(diǎn)成為目前較為常用的 2. 5D/3D 封裝的熱學(xué)管理方式。

描述封裝熱性能的指標(biāo)是結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻，熱阻越高代表越難散熱，封裝的熱性能越差。顯然，Cu 的熱阻比 Si 和 SiO2的更小，而空氣的熱阻是[敏感詞]的。因此，增加 TSV 的數(shù)量、增大 TSV 的孔徑或減少填充 Cu 時(shí)產(chǎn)生的空氣空洞都可以減小芯片或晶圓的平均熱阻。而從厚度方面考慮，芯片或晶圓越薄，其[敏感詞]結(jié)溫和熱阻越高，熱點(diǎn)也就越集中，因此增加 Si 中介層的厚度可以有效提高整體的熱性能。對(duì)于芯片的堆疊而言，堆疊芯片的數(shù)目越多，整體的[敏感詞]結(jié)溫越高，因此堆疊芯片的數(shù)目受到允許結(jié)溫的限制，盡量采取交錯(cuò)排布熱源的方式進(jìn)行芯片堆疊，若熱源必須重疊布置，可適當(dāng)增加多個(gè)重疊熱源之間的距離，但不能過(guò)于靠近芯片邊緣。

外部散熱措施會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是可以極大地提高系統(tǒng)的散熱能力。目前工業(yè)上采取的方法是在芯片或晶圓上增加熱管理微通道，可以使流體在微通道中流通，提高散熱效率。并在流體通道周圍設(shè)置密封環(huán)，將流體與電互連隔絕開來(lái)。具體的工藝流程如圖 6所示。在刻蝕 TSV 通孔后，會(huì)刻蝕出比 TSV 淺的流體微通道，晶圓減薄后，TSV 中的金屬會(huì)露出，但流體微通道仍保持密閉。

4. 3 2. 5D/3D 封裝中的電磁學(xué)管理

2. 5D/3D 封裝作為一種異質(zhì)集成封裝，內(nèi)部包含有半導(dǎo)體材料、絕緣材料、金屬材料、合金材料等各種異質(zhì)材料，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的電磁環(huán)境比較惡劣。同時(shí)，不同的芯粒封裝在一起，產(chǎn)生了多種輻射源，各輻射源的外部輻射相互疊加，可使系統(tǒng)總體輻射強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)外部電路產(chǎn)生電磁干擾。因此，“封裝內(nèi)電磁干擾”和 “封裝外電磁輻射”也成為 2. 5D/3D 封裝可靠性管理中必須考量的問(wèn)題。

目前，常規(guī)的控制封裝內(nèi)電磁干擾的方法是增加去耦電容和增加接地。2. 5D/3D 封裝中起到去耦電容作用的通常是加裝在 TSV 附近的深溝道電容器 ( deep trench capacity，DTC) 。DTC 可以屏蔽噪聲，使動(dòng)態(tài)電壓變得平穩(wěn)，吸收來(lái)自其他區(qū)域的電磁干擾，對(duì) TSV 起到了良好的保護(hù)作用。但去耦電容的密度有時(shí)無(wú)法滿足抗電磁干擾和電磁輻射的需求，因此還需從設(shè)計(jì)的角度來(lái)減少電磁干擾和電磁輻射。

在 2. 5D/3D 封裝內(nèi)部，流過(guò)信號(hào) TSV 的電流會(huì)將電磁波引入具有半導(dǎo)體特性的 Si 襯底中，這些電磁波會(huì)引起 Si 襯底中載流子的運(yùn)動(dòng)及濃度的變化，從而對(duì)周圍的有源器件和其他 TSV ( 如接地TSV) 產(chǎn)生電磁干擾，這就是 “封裝內(nèi)電磁干擾”。以信號(hào) TSV 和接地 TSV 為例，二者可以構(gòu)成金屬－絕緣體－半導(dǎo)體－絕緣體－金屬結(jié)構(gòu)，且二者的電流方向相反。其等效的模型圖如圖 7 所示。圖中:ＲT和ＲSi分別為 TSV 和 Si 襯底的電阻; LT和 LS分別為 TSV 和串聯(lián)時(shí)等效的自感; M 為兩個(gè) TSV 之間的互感; CSi和 CSiO2分別為 Si 襯底和 SiO2絕緣層的電容。當(dāng)通過(guò)低頻電流時(shí)，電容起主導(dǎo)作用，因此決定信號(hào)傳輸速率的因素為兩個(gè) SiO2層的厚度及節(jié)距，當(dāng) SiO2 層的厚度較薄、節(jié)距較大時(shí)，電容增大，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)損耗。當(dāng)電流頻率逐漸增高時(shí)，電感逐漸成為主導(dǎo)因素，通孔高度、孔徑及節(jié)距等將對(duì)電感產(chǎn)生影響。各種寄生電阻、電容和電感是 TSV 之間產(chǎn)生電磁干擾的來(lái)源。在低頻段( ＜1 GHz) 時(shí)，電磁干擾會(huì)隨著絕緣層厚度的增加而減小; 在中頻段 ( 1 ～ 10 GHz) 時(shí)，電磁干擾會(huì)隨著通孔的孔徑增加而增大; 在高頻段( ＞10 GHz) 時(shí)，通孔孔徑對(duì)電磁干擾的影響減小，通孔高度和節(jié)距的影響增大，電磁干擾會(huì)隨著高度和節(jié)距的增加而增大。因此，對(duì)于不同工作頻率下的 2. 5D/3D 封裝芯片的 TSV，調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的影響較大的參數(shù)可以從設(shè)計(jì)上減小封裝內(nèi)電磁干擾的程度。

封裝外電磁輻射主要由系統(tǒng)內(nèi)部的電流產(chǎn)生，從芯片設(shè)計(jì)上較難減少系統(tǒng)向外的電磁輻射，目前工業(yè)上采取的辦法是涂覆金屬屏蔽層。電磁輻射接觸金屬表面時(shí)，大部分電磁輻射會(huì)被反射，未被反射的電磁輻射會(huì)在金屬材料中產(chǎn)生渦流轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，另外，金屬中的電子還會(huì)發(fā)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生反向的電磁場(chǎng)，抵消一部分電磁輻射。在涂覆了金屬屏蔽層后，絕大多數(shù)向外的電磁輻射都會(huì)被消耗，達(dá)到可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)的兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝———TSV 工藝和晶圓鍵合與解鍵合工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，對(duì)工藝過(guò)程中各項(xiàng)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了多方位的對(duì)比，并對(duì)晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)在2. 5D/3D 封裝中的可靠性管理進(jìn)行了分析。

采用無(wú)凸點(diǎn)的方法進(jìn)行晶圓到晶圓 ( W2W)的鍵合對(duì)芯片的良率要求較高。除此之外，無(wú)間隙鍵合的兩片晶圓/芯片也對(duì)堆疊芯片的熱管理以及鍵合環(huán)境等提出了更高的要求。將無(wú)凸點(diǎn)的方法應(yīng)用于晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化之前，降低成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)、W2W 鍵合對(duì)準(zhǔn)、晶圓翹曲等方面仍有大量的研究工作需要進(jìn)行。

當(dāng)前，晶圓級(jí)多層堆疊技術(shù)在工業(yè)中主流的產(chǎn)業(yè)化方向是利用 TSV 和微凸點(diǎn)技術(shù)將芯片堆疊起來(lái)，但無(wú)凸點(diǎn)工藝是一條更加有效的道路，其具有更好的電性能、更低的功耗，能制造出更輕薄的堆疊芯片，將會(huì)是未來(lái)三維堆疊芯片的主流發(fā)展方向。

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