電子電路布線(xiàn)與構(gòu)裝1月作業(yè)ppt課件

1、電子電路佈線(xiàn)與構(gòu)裝電子電路佈線(xiàn)與構(gòu)裝 1月作業(yè)月作業(yè)通訊四甲B09622027李忠憲TSV製程技術(shù)整合分析製程技術(shù)整合分析International SEMATECH (ISMT)於公元2019年開(kāi)始，將三維導(dǎo)線(xiàn)互連技術(shù)(3D Interconnects)列為首要挑戰(zhàn)性技術(shù)之排名榜上。發(fā)展TSV技術(shù)之主要驅(qū)動(dòng)力在於導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度之縮短，以提升訊號(hào)與電力之傳輸速度，在晶片微縮趨勢(shì)下，這些都是最具關(guān)鍵性之性能要素。TSV製程技術(shù)可將晶片或晶圓進(jìn)行垂直堆疊，使導(dǎo)線(xiàn)連接長(zhǎng)度縮短到等於晶片厚度，目前導(dǎo)線(xiàn)連接長(zhǎng)度已減低到70m。而且可將異質(zhì)元件進(jìn)行整合(Heterogeneous Integration of

2、Different ICs)，例如將記憶體堆疊於處理器上方，由於TSV垂直導(dǎo)線(xiàn)連接可減低寄生效應(yīng)(Parasitic) (例如：雜散電容、藕合電感或電阻洩露等)，可提供高速與低損耗之記憶體與處理器界面。假設(shè)搭配面積矩陣(Area Array)之構(gòu)裝方式，則可提高垂直導(dǎo)線(xiàn)之連接密度。針對(duì)TSV主要關(guān)鍵製程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性探討，內(nèi)容包括：導(dǎo)孔的構(gòu)成(Via Formation)、導(dǎo)孔的填充(Via Filling)、晶圓接合(Wafer Bonding)、及各種TSV整合技術(shù)(Via Fist, Via Last)等。導(dǎo)孔的構(gòu)成導(dǎo)孔的構(gòu)成(Via Formation) TSV導(dǎo)孔的構(gòu)成可運(yùn)用Bosc

3、h深反應(yīng)性離子蝕刻(Bosch Deep Reactive Ion Etching; Bosch DRIE)、低溫型深反應(yīng)性離子蝕刻(Cryogenic DRIE)、雷射鑽孔(Laser Drilling)，或各種濕式蝕刻(等向性及非等向性蝕刻)技術(shù)。在導(dǎo)孔構(gòu)成製程上特別要求其輪廓尺寸之一致性，以及導(dǎo)孔不能有殘?jiān)嬖?，並且導(dǎo)孔的構(gòu)成必須能夠達(dá)到相當(dāng)高的速度需求。導(dǎo)孔(Via)規(guī)格則根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同而定，其直徑範(fàn)圍為5100um，深度範(fàn)圍為10100um，導(dǎo)孔密度為102到105 Vias / Chip雷射鑽孔雷射鑽孔(Laser Drill) 雷射鑽孔技術(shù)來(lái)源於1980年代中期，由於雷射鑽孔

4、對(duì)於矽會(huì)有溶解現(xiàn)像，所以會(huì)產(chǎn)生飛濺的矽殘?jiān)?。運(yùn)用雷射鑽孔來(lái)構(gòu)成TSV導(dǎo)孔時(shí)，兩個(gè)主動(dòng)元件(Active Devices)之間最小必須堅(jiān)持2m的距離，以防止元件特性遭到影響。針對(duì)直徑小於25m的導(dǎo)孔，則很難採(cǎi)用雷射鑽孔來(lái)構(gòu)成TSV導(dǎo)孔。普通雷射鑽孔所構(gòu)成導(dǎo)孔側(cè)壁(Sidewall)的斜率為1.3到1.6。Bosch深反應(yīng)性離子蝕刻深反應(yīng)性離子蝕刻(Bosch DRIE) 運(yùn)用Bosch DRIE會(huì)快速轉(zhuǎn)換SF6電漿蝕刻與聚合物氣體(C4F8)外表鈍化兩道步驟，在聚合物沉積與低RF Bias電壓條件下，其蝕刻對(duì)於光阻的選擇比很高，在一些情況下蝕刻選擇比甚至可高達(dá)100 : 1。Bosch DRIE

5、所構(gòu)成TSV的導(dǎo)孔側(cè)壁(Via Sidewall)非常平直，由於交替變換蝕刻(Etching)和鈍化(Passivation)兩道步驟，所以可確保導(dǎo)孔側(cè)壁幾乎呈平直狀態(tài)，圖1為Bosch DRIE製程步驟與其所構(gòu)成TSV導(dǎo)孔之SEM照片。圖一：Bosch DRIE製程步驟及其所構(gòu)成TSV導(dǎo)孔之SEM照片。導(dǎo)孔的填充導(dǎo)孔的填充(Via Filling)當(dāng)TSV導(dǎo)孔構(gòu)成後，接著進(jìn)行絕緣層(Insulation Layer)沉積，以作為矽和導(dǎo)體間的絕緣資料。沉積絕緣層的方式，包括：熱化學(xué)氣相沉積(Thermal CVD) 法、運(yùn)用Silane和Tetra-Ethoxysilane (TEOS)氧化物

6、之電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PE-CVD) 法，以及運(yùn)用低壓化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)法來(lái)沉積氮化物層(Nitride Layer)。 一旦構(gòu)成絕緣層後，緊接著進(jìn)行金屬化沉積，TSV導(dǎo)孔填充的導(dǎo)電資料，則包括：銅(Cu)、鎢(W)和多晶矽(Polysilicon)等。其中，銅具有優(yōu)良導(dǎo)電率，電鍍銅(Copper Electroplating)可作為T(mén)SV導(dǎo)孔之充填。假設(shè)TSV導(dǎo)孔深度較淺時(shí)，電鍍銅可完全充填導(dǎo)孔。然而，當(dāng)TSV導(dǎo)孔之深度較深時(shí)，由於矽熱膨脹係數(shù)( 3 ppm /)與銅熱膨脹係數(shù)( 16 ppm /)相差極大，運(yùn)用電鍍銅作導(dǎo)孔完全充填時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力(Thermo-Mechan

7、ical Stress)，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部介電層(Internal Dielectric Layer)與矽基材產(chǎn)生裂縫(Crack)。此外，在TSV導(dǎo)孔側(cè)壁(Sidewall)沉積絕緣層薄膜會(huì)有高電容產(chǎn)生，進(jìn)而影響電性。針對(duì)大直徑TSV導(dǎo)孔，由於運(yùn)用電鍍作充填之速度太慢，圖二為比利時(shí)IMEC改採(cǎi)用厚度為25m聚合物(Polymer)絕緣層來(lái)填補(bǔ)電鍍銅充填導(dǎo)孔所剩下的體積。由於厚度較厚之聚合物絕緣層為低介電資料，可以解決普通絕緣層薄膜之高電容問(wèn)題。運(yùn)用聚合物絕緣層可減少導(dǎo)孔內(nèi)銅的比例，進(jìn)而降低矽與銅因熱膨脹係數(shù)差距大所產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力，而且此聚合物薄膜製程與晶圓後段導(dǎo)線(xiàn)製程，彼此具有相容性。圖二：I

8、MEC採(cǎi)用厚度為25m聚合物絕緣層，來(lái)填補(bǔ)電鍍銅充填導(dǎo)孔所剩下的體積。鎢(W)與鉬(Mo)也可用來(lái)充填TSV導(dǎo)孔，雖然在導(dǎo)電性能上不如銅，但兩者之熱膨脹係數(shù)都低於銅(W: 4.5 ppm / ; Mo: 4.8 ppm / ；Cu: 16 ppm /)，而且與矽(Si: 3 ppm /)較接近。所以運(yùn)用鎢(W)與鉬(Mo)金屬來(lái)進(jìn)行導(dǎo)孔充填，可減少熱機(jī)械應(yīng)力。圖三為導(dǎo)孔充填這些金屬的各種方法4，其中物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition; PVD)或?yàn)R鍍(Sputtering)可用於較小直徑導(dǎo)孔之填充，但是PVD缺點(diǎn)就是沉積速度慢且覆蓋性不良。雷射輔助化學(xué)氣相沉積(L

9、aser-Assisted Chemical Vapor Deposition)，可快速沉積鎢(W)與鉬(Mo)金屬於深導(dǎo)孔內(nèi)。此外，還有許多不同的金屬-陶瓷複合資料，由於具備較低熱膨脹係數(shù)，亦可應(yīng)用於導(dǎo)孔填充，但針對(duì)深寬比大於5之深盲孔，則不易進(jìn)行導(dǎo)孔充填，必須運(yùn)用特殊製程以充填此種導(dǎo)孔。圖三：導(dǎo)孔充填金屬的各種方法聚合物接合聚合物接合(Polymer Bonding)聚合物之晶圓接合不需求特殊外表處理，例如：平坦化與過(guò)度清洗聚合物之晶圓接合不需求特殊外表處理，例如：平坦化與過(guò)度清洗(Excessive Cleaning)步步驟。聚合物接合對(duì)於晶圓外表之顆粒污染物較不敏感，普通常運(yùn)用於晶圓接

10、合的聚合物，則驟。聚合物接合對(duì)於晶圓外表之顆粒污染物較不敏感，普通常運(yùn)用於晶圓接合的聚合物，則包括：熱塑性聚合物包括：熱塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)及熱固性聚合物及熱固性聚合物(Thermosetting Polymers)兩種。欲接合之兩片晶圓外表，首先旋轉(zhuǎn)塗佈液態(tài)聚合物，然後進(jìn)行加熱以去除溶劑，以及兩種。欲接合之兩片晶圓外表，首先旋轉(zhuǎn)塗佈液態(tài)聚合物，然後進(jìn)行加熱以去除溶劑，以及構(gòu)成聚合物交鏈作用構(gòu)成聚合物交鏈作用(Cross-Linking)。然後將兩片晶圓於真空壓力下小心進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)及接合。然後將兩片晶圓於真空壓力下小心進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)及接合。接著在真空環(huán)境下烘烤，以構(gòu)

11、成強(qiáng)而可靠的接合界面。聚合物晶圓接合種類(lèi)，包括：負(fù)光阻接著在真空環(huán)境下烘烤，以構(gòu)成強(qiáng)而可靠的接合界面。聚合物晶圓接合種類(lèi)，包括：負(fù)光阻1011、BCB(Benzocyclobutene) 2, 1214、Parylene6及及Polyimide7, 15等，其中等，其中BCB具有傑出的晶圓接合才干、抗化學(xué)腐蝕性、以及具備良好接合強(qiáng)度。具有傑出的晶圓接合才干、抗化學(xué)腐蝕性、以及具備良好接合強(qiáng)度。晶圓接合前進(jìn)行部份烘烤晶圓接合前進(jìn)行部份烘烤(Partially Curing)，可減少，可減少BCB之迴焊之迴焊(Reflow)，並且促進(jìn)，並且促進(jìn)BCB層層均勻性，進(jìn)而防止接合所導(dǎo)致的對(duì)位不良均勻性，

12、進(jìn)而防止接合所導(dǎo)致的對(duì)位不良13。負(fù)光阻與。負(fù)光阻與Polyimide皆可運(yùn)用氧電漿皆可運(yùn)用氧電漿(Oxygen Plasma)進(jìn)行蝕刻，所以非常適合於犧牲性接合層進(jìn)行蝕刻，所以非常適合於犧牲性接合層(Sacrificial Bonding)，或，或3D整整合平臺(tái)合平臺(tái)(例如例如MEMS應(yīng)用應(yīng)用)之暫時(shí)性接合應(yīng)用上。圖四為運(yùn)用之暫時(shí)性接合應(yīng)用上。圖四為運(yùn)用BCB聚合物，將具有銅聚合物，將具有銅-氧化物互氧化物互連結(jié)構(gòu)之晶圓與玻璃進(jìn)行接合，然後經(jīng)由研磨、拋光、濕式蝕刻等步驟，以去除矽基板之照連結(jié)構(gòu)之晶圓與玻璃進(jìn)行接合，然後經(jīng)由研磨、拋光、濕式蝕刻等步驟，以去除矽基板之照片。運(yùn)用聚合物接合之優(yōu)點(diǎn)，包括：片。運(yùn)用聚合物接合之優(yōu)點(diǎn)，包括：(1)聚合物接合與聚合物接合與IC製程相容、製程相容、(2)接合溫度低、接合溫度低、(3)接合接合強(qiáng)度較不容易受內(nèi)層顆粒所影響。然而，在接合與烘烤製程上則容易產(chǎn)生對(duì)位不準(zhǔn)問(wèn)題，這強(qiáng)度較不容易受內(nèi)層顆粒所影響。然而，在接合與烘烤製程上則容易產(chǎn)生對(duì)位不準(zhǔn)問(wèn)題，這是聚合物接合尚待抑制之技術(shù)瓶頸。是聚合物接合尚待抑制之技術(shù)瓶頸。圖四：運(yùn)用聚合物進(jìn)行接合之照片結(jié)論結(jié)論全