硅通孔發(fā)展現(xiàn)狀

1、硅通孔技術（硅通孔技術（TSVTSV）的發(fā)展現(xiàn)狀）的發(fā)展現(xiàn)狀匯報人：張恒匯報人：張恒組員：楊祖華，韋啟欽，韋華宏組員：楊祖華，韋啟欽，韋華宏 趙必鑫，吳天宇，徐宇豐，肖瑤趙必鑫，吳天宇，徐宇豐，肖瑤 。TSV專利技術的發(fā)展態(tài)勢專利技術的發(fā)展態(tài)勢 2007 年至年至2012年，年，TSV 專利數(shù)量持專利數(shù)量持續(xù)穩(wěn)步增長，續(xù)穩(wěn)步增長，TSV 越來越受到關注。越來越受到關注。注：美國（注：美國（US） 、中國（、中國（CN）、中國）、中國臺灣（臺灣（TW） 、韓國（、韓國（KR）、日本（）、日本（JP）、歐洲聯(lián)盟（、歐洲聯(lián)盟（EP） 、新加坡（、新加坡（SG）、德）、德國（國（DE）、英國（）、英國

2、（GB）。）。 硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀v 硅通孔技術硅通孔技術(Through- Silicon Via)：通過在芯片之間、晶圓之：通過在芯片之間、晶圓之間制作垂直導通，實現(xiàn)芯片之間互連的技術間制作垂直導通，實現(xiàn)芯片之間互連的技術。v 優(yōu)點：優(yōu)點： 使芯片在使芯片在z軸方向堆疊的密度最大；軸方向堆疊的密度最大； 芯片之間的互連線最短；芯片之間的互連線最短； 外形尺寸最小；外形尺寸最小； 并具有縮小封裝尺寸；并具有縮小封裝尺寸； 高頻特性出色；高頻特性出色； 降低芯片功耗；降低芯片功耗； 熱膨脹可靠性高等。熱膨脹可靠性高等。硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀減薄（減?。╰hinning）、鍵

3、合（）、鍵合（bonding）、孔的形）、孔的形成（成（TSV Formation）、填孔材料（）、填孔材料（via filing）和工藝都是目前工藝研究的主要熱點。和工藝都是目前工藝研究的主要熱點。 TSV互連尚待解決的關鍵互連尚待解決的關鍵技術難題和挑戰(zhàn)：技術難題和挑戰(zhàn)：通孔的刻蝕通孔的刻蝕通孔的填充通孔的填充通孔的工藝流程（先通孔和通孔的工藝流程（先通孔和 后通孔）后通孔）晶圓減薄晶圓減薄堆疊形式堆疊形式鍵合方式鍵合方式通孔熱應力通孔熱應力硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀通孔的刻蝕技術通孔的刻蝕技術通孔的材料填充技術通孔的材料填充技術通孔熱應力分析通孔熱應力分析目目錄錄硅通孔（TSV）技術

4、的發(fā)展現(xiàn)狀通孔制造技術通孔制造技術刻蝕刻蝕 硅通孔技術中孔的形成通常是由刻蝕工藝來完成。孔質(zhì)量的好壞直接決硅通孔技術中孔的形成通常是由刻蝕工藝來完成。孔質(zhì)量的好壞直接決定了封裝的效果。定了封裝的效果。 半導體行業(yè)中大量使用刻蝕技術來制作集成電路，目前己經(jīng)發(fā)展了諸多半導體行業(yè)中大量使用刻蝕技術來制作集成電路，目前己經(jīng)發(fā)展了諸多刻蝕技術刻蝕技術，比如，比如：濕法刻蝕，干法刻蝕，：濕法刻蝕，干法刻蝕，深反應離子刻蝕，激光刻蝕深反應離子刻蝕，激光刻蝕。 反應離子刻蝕反應離子刻蝕(RIE, Reactive Ion Etching)工藝，是通過活性離子對襯底的物理轟擊和化工藝，是通過活性離子對襯底的物理

5、轟擊和化學反應雙重作用的一種刻蝕方式，同時兼有各學反應雙重作用的一種刻蝕方式，同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點。向異性和選擇性好的優(yōu)點。 2011東電電子東電電子(TEL)一舉投產(chǎn)了一舉投產(chǎn)了5款用于三維封裝的款用于三維封裝的TSV(硅通孔，硅通孔，throughsiliconvia)制造裝置，投產(chǎn)的制造裝置，投產(chǎn)的5款三維款三維TSV裝置分別是裝置分別是硅深刻蝕裝置硅深刻蝕裝置、聚酰亞胺、聚酰亞胺成膜裝置以及成膜裝置以及3款晶圓鍵合關聯(lián)裝置。款晶圓鍵合關聯(lián)裝置。硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀 激光刻蝕激光刻蝕是選擇一種單頻率或多頻率的光波，利用高能量的激光束進行刻蝕是選擇一種單頻率或多頻率的

6、光波，利用高能量的激光束進行刻蝕鉆孔，是近年來發(fā)展起來的一項新技術。鉆孔，是近年來發(fā)展起來的一項新技術。 如下圖所示。該芯片由如下圖所示。該芯片由8張晶圓疊層而成，芯片厚度僅為張晶圓疊層而成，芯片厚度僅為560um。三星公司宣稱三星公司宣稱TSV的制作是由激光鉆孔完成的制作是由激光鉆孔完成。硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀 2010年年12月，應用材料公司發(fā)布了基于月，應用材料公司發(fā)布了基于Applied Centura Silvia 刻蝕系刻蝕系統(tǒng)的統(tǒng)的最新硅通孔刻蝕技術。新的等離子源可將硅刻蝕速率提高最新硅通孔刻蝕技術。新的等離子源可將硅刻蝕速率提高40%，快速，快速形成平滑、垂直且具有高深

7、寬比的通孔結構。新系統(tǒng)首次將每片硅片的通形成平滑、垂直且具有高深寬比的通孔結構。新系統(tǒng)首次將每片硅片的通孔刻蝕成本降低到孔刻蝕成本降低到10美元以下，同時保持系統(tǒng)標志性的精確輪廓控制和平美元以下，同時保持系統(tǒng)標志性的精確輪廓控制和平滑垂直的通孔側壁。滑垂直的通孔側壁。 2012年年3月，中微半導體設備公司月，中微半導體設備公司生產(chǎn)的生產(chǎn)的8英寸硅通孔（英寸硅通孔（TSV）刻蝕設備）刻蝕設備Primo TSV200E具有極高的生產(chǎn)率，它具有極高的生產(chǎn)率，它擁有雙反應臺的反應器，最多可以同時擁有雙反應臺的反應器，最多可以同時加工兩個晶圓片。此刻蝕設備的單位投加工兩個晶圓片。此刻蝕設備的單位投資產(chǎn)出

8、率比市場上其他同類設備提高了資產(chǎn)出率比市場上其他同類設備提高了30%。（如下圖）。（如下圖） 2012年年10月，新設備月，新設備Primo SSC AD-RIE（“單反應器甚高頻去耦合反單反應器甚高頻去耦合反應離子介質(zhì)刻蝕機應離子介質(zhì)刻蝕機”）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）關鍵刻蝕應用的第二代電介質(zhì)刻蝕設備，關鍵刻蝕應用的第二代電介質(zhì)刻蝕設備，主要用于主要用于22納米及以下的芯片刻蝕加工。納米及以下的芯片刻蝕加工。（如下圖）（如下圖）硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀填充材料填充材料硅通孔硅通孔填充技術填充技術填充方法填充方法硅通孔填充材

9、料：銅，多晶硅，鎢。主要是硅通孔填充材料：銅，多晶硅，鎢。主要是銅銅。目前影響銅填充的主要問題包括：硅通孔內(nèi)側壁種子層的覆蓋、目前影響銅填充的主要問題包括：硅通孔內(nèi)側壁種子層的覆蓋、硅通孔內(nèi)硅通孔內(nèi) 氣泡的排除氣泡的排除、電鍍液質(zhì)量以及電鍍電流密度等、電鍍液質(zhì)量以及電鍍電流密度等.主要的填充方法：主要的填充方法：電鍍電鍍 化學氣相沉積化學氣相沉積 高分子涂布高分子涂布Cu電鍍填充工藝流程電鍍填充工藝流程 2010諾發(fā)系統(tǒng)宣布開發(fā)出一套全新先進的銅阻障底層物理氣相沉積（諾發(fā)系統(tǒng)宣布開發(fā)出一套全新先進的銅阻障底層物理氣相沉積（PVD）制程，）制程，其將用于新興的貫穿硅晶硅通孔（其將用于新興的貫穿硅

10、晶硅通孔（TSV）封裝市場，該制程使用諾發(fā)）封裝市場，該制程使用諾發(fā)INOVA平臺，并平臺，并搭配特有的中空陰極電磁管（搭配特有的中空陰極電磁管（HCM）技術制造出高貼附性的銅底層，該）技術制造出高貼附性的銅底層，該HCMTSV制程制程提供卓越的側壁及底部覆蓋，能使后續(xù)的提供卓越的側壁及底部覆蓋，能使后續(xù)的TSV電鍍達成無洞填銅。電鍍達成無洞填銅。硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀 2011年年,飛利浦公司研發(fā)人員利用自制電鍍藥水實現(xiàn)了三維互連中寬飛利浦公司研發(fā)人員利用自制電鍍藥水實現(xiàn)了三維互連中寬5 um,深寬比為深寬比為8的的TSV銅柱無空洞填充銅柱無空洞填充,效果良好。效果良好。 2012年

11、年, 電化學協(xié)會電化學協(xié)會D.Josell等人針對其實驗室研究人員在僅含抑制劑的等人針對其實驗室研究人員在僅含抑制劑的條件下實現(xiàn)條件下實現(xiàn)TSVU型自底向上的電鍍銅填充情況型自底向上的電鍍銅填充情況,建立了建立了 TSV電鍍銅仿真模型電鍍銅仿真模型 。硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀硅通孔熱應力分析 微系統(tǒng)封裝中，封裝后產(chǎn)品的可靠性是其關鍵考核因素。而對于三維封裝硅通孔技術，工藝過程中應力直接影響產(chǎn)品壽命，硅通孔的填充材料以及硅通孔相鄰材料的熱不匹配性等都會造成通孔上的熱應力，導致通孔界面的開裂、分層現(xiàn)象、失效等情況。因此，對硅通孔應力的分析，可以有效的提高產(chǎn)品的可靠性。硅通孔（TSV）技術的發(fā)

12、展現(xiàn)狀硅通孔相鄰材料界面的力學分析硅通孔相鄰材料界面的力學分析 刻蝕后的扇貝形通孔界面刻蝕后的扇貝形通孔界面 單個孔分析單個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連續(xù) 。 可以看到通孔邊界上應力明顯大于通孔內(nèi)部應力，每個扇貝形小弧段可以看到通孔邊界上應力明顯大于通孔內(nèi)部應力，每個扇貝形小弧段邊界的下部分應力較大，在每個扇貝形狀的末端部位會發(fā)生塑性應變邊界的下部分應力較大，在每個扇貝形狀的末端部位會發(fā)生塑性應變。硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀硅通孔填充材料的應力分析硅通孔填充材料的應力分析 完全填充完全填充 Cu的的TSV 和和填

13、充聚合物填充聚合物 的的TSV兩種結構模型的研究分析兩種結構模型的研究分析 兩種兩種 TSV 結構可能出現(xiàn)失效區(qū)域結構可能出現(xiàn)失效區(qū)域均集中在均集中在 Cu 材料與其它材料端部界面材料與其它材料端部界面處，熱應力將超過銅的屈服強度，出現(xiàn)處，熱應力將超過銅的屈服強度，出現(xiàn)屈服變形屈服變形 . 而在填充聚合物而在填充聚合物 TSV 結構中，結構中，Cu 層在層在 Polymer/Cu 界面中間區(qū)域也將出界面中間區(qū)域也將出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)塑性變形 . 綜合考慮，完全填充綜合考慮，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）技術的發(fā)展現(xiàn)狀）技術的發(fā)展現(xiàn)狀 上海交通大學上海交通大學

14、學者用常用材料的組合進行了學者用常用材料的組合進行了仿真分析仿真分析, 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)以二氧化硅為隔離層，以二氧化硅為隔離層，鎢為填充金屬，錫為鍵合層的模型具有最理想的熱應力特性鎢為填充金屬，錫為鍵合層的模型具有最理想的熱應力特性，銅、以及錫的組，銅、以及錫的組合也表現(xiàn)出良好的熱應力特性。合也表現(xiàn)出良好的熱應力特性。( 袁琰紅，高立明，吳昊袁琰紅，高立明，吳昊,李明李明硅通孔尺寸與材料對硅通孔尺寸與材料對熱應力的影響熱應力的影響年月年月) 中國科學院微電子研究所學者，北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院中國科學院微電子研究所學者，北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院及復旦大學材料系及復旦大學材料

15、系學者共同對硅通孔學者共同對硅通孔全部填充全部填充Cu（圓柱）和部分填充（圓柱）和部分填充Cu（圓柱環(huán)）（圓柱環(huán)）帶來的應力進行了解析法分析帶來的應力進行了解析法分析，得出隨著鍍銅層的減薄，得出隨著鍍銅層的減薄，硅中徑向正應力和環(huán)向正應硅中徑向正應力和環(huán)向正應力均減小，銅中徑向正應力減小，力均減小，銅中徑向正應力減小，而環(huán)向正應力始終大于完全填充銅情況，因此應綜而環(huán)向正應力始終大于完全填充銅情況，因此應綜合各方面因素謹慎選擇合理的鍍銅厚度。（安合各方面因素謹慎選擇合理的鍍銅厚度。（安 彤，秦彤，秦 飛，武飛，武 偉，于大全，萬里兮，偉，于大全，萬里兮，王王 珺，珺，TSV 轉(zhuǎn)接板硅通孔的熱應力

16、分析轉(zhuǎn)接板硅通孔的熱應力分析，2013 年年 7 月。）月。） 硅通孔（硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀）技術的發(fā)展現(xiàn)狀 上海交通大學上海交通大學學者采用學者采用有限元分析單個圓柱型硅通孔有限元分析單個圓柱型硅通孔和和單個圓臺型硅通孔應力單個圓臺型硅通孔應力，在通孔深度逐漸變大的過程中，圓柱型與圓臺型硅通孔的應力變化趨勢相反，圓臺在通孔深度逐漸變大的過程中，圓柱型與圓臺型硅通孔的應力變化趨勢相反，圓臺型硅通孔更適用于高深寬比，且上下直徑差較大的模型中。（袁琰紅，型硅通孔更適用于高深寬比，且上下直徑差較大的模型中。（袁琰紅，硅通孔三硅通孔三維封裝的熱力學分析維封裝的熱力學分析，2013年年1月）月

17、） 南昌航空大學南昌航空大學學者建立了熱力耦合的塑性應變梯度的本構關系，并通過用戶子學者建立了熱力耦合的塑性應變梯度的本構關系，并通過用戶子程序程序 UMAT嵌入到嵌入到 ABAQUS 中進行互連結構的熱應力分析。得出在中進行互連結構的熱應力分析。得出在不同通孔半徑不同通孔半徑和通孔結構整體縮小的條件下，銅互連中心和頂部界面處均出現(xiàn)顯著的尺寸效應和通孔結構整體縮小的條件下，銅互連中心和頂部界面處均出現(xiàn)顯著的尺寸效應，即在互連尺寸接近亞微米時，即在互連尺寸接近亞微米時，熱應力隨著半徑減小而急劇增加的現(xiàn)象熱應力隨著半徑減小而急劇增加的現(xiàn)象。 (徐徐 成成,硅硅通孔互連熱應力的數(shù)值模擬及仿真試驗設計

18、通孔互連熱應力的數(shù)值模擬及仿真試驗設計， 2012 年年 5 月月)硅通孔（硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀）技術的發(fā)展現(xiàn)狀 2010年半導體龍頭大廠聯(lián)華電子，爾必達，力成科技宣布共同開發(fā)硅年半導體龍頭大廠聯(lián)華電子，爾必達，力成科技宣布共同開發(fā)硅通孔（通孔（TSV）3D IC制造。制造。 2011年三星電子宣布推出一款全新的年三星電子宣布推出一款全新的單條單條8GB容量容量DDR3 RDIMM 服務服務器專用內(nèi)存，這款產(chǎn)品率先采用三維芯片堆疊技術器專用內(nèi)存，這款產(chǎn)品率先采用三維芯片堆疊技術TSV，而且這款產(chǎn)品已經(jīng)，而且這款產(chǎn)品已經(jīng)成功通過客戶的測試成功通過客戶的測試。通過三維。通過三維TSV封裝

19、技術，封裝技術，這類這類8GB RDIMM內(nèi)存可以內(nèi)存可以比傳統(tǒng)產(chǎn)品節(jié)省比傳統(tǒng)產(chǎn)品節(jié)省40的能耗，而且利用這種技術，可以大幅度提升內(nèi)存芯片的能耗，而且利用這種技術，可以大幅度提升內(nèi)存芯片的容量密度的容量密度，正如這次采用的，正如這次采用的Green DDR3 DRAM芯片一樣，它的密度提升芯片一樣，它的密度提升有望突破有望突破50。TSV是解決服務器既需要大容量內(nèi)存。是解決服務器既需要大容量內(nèi)存。2011高通已經(jīng)設計出一款高通已經(jīng)設計出一款28nmTSV元件的原型元件的原型.硅通孔技術在各公司發(fā)展現(xiàn)狀：硅通孔技術在各公司發(fā)展現(xiàn)狀：硅通孔（硅通孔（TSV）技術的發(fā)展現(xiàn)狀）技術的發(fā)展現(xiàn)狀 2011

20、年臺積電年臺積電(TSMC)該年度在該年度在VLSISymposium上報告已建構出上報告已建構出一種更好的一種更好的TSV介電質(zhì)襯底介電質(zhì)襯底(dielectricliner)。工程師展示了高度深寬比。工程師展示了高度深寬比(aspectratios)為為10：l的試制過孔，并減輕了外部銅材料擠壓過孔的問題。的試制過孔，并減輕了外部銅材料擠壓過孔的問題。 2012年聯(lián)華電子與新加坡科技研究局旗下的微電子研究院宣布，合年聯(lián)華電子與新加坡科技研究局旗下的微電子研究院宣布，合作進行應用在背面照度式作進行應用在背面照度式CMOS影像感測器的影像感測器的TSV技術開發(fā)。通過這項技術開發(fā)。通過這項技術，包括智能手機、數(shù)碼相機與個人平板電腦等移動電子產(chǎn)品，里面技術，