Буып-түю технологиясы жартылай өткізгіш өнеркәсібіндегі маңызды процестердің бірі болып табылады. Қаптаманың пішіні бойынша оны розетка орамы, үстіңгі қондырма пакеті, BGA пакеті, чип өлшемі пакеті (CSP), бір чиптік модуль пакеті (SCM, баспа платасындағы сымдар арасындағы саңылау (PCB)) бөлуге болады. және интегралды схема (IC) тақтасының тақтасы сәйкес келеді), көп чипті модульдер пакеті (гетерогенді чиптерді біріктіре алатын MCM), вафли деңгейінің пакеті (WLP, оның ішінде желдеткіш пластиналар деңгейі) пакет (FOWLP), микро үстіңгі орнату компоненттері (microSMD) және т.б.), үш өлшемді пакет (micro bump interconnect пакеті, TSV interconnect пакеті және т.б.), жүйелік пакет (SIP), чип жүйесі (SOC).
3D қаптамасының нысандары негізінен үш санатқа бөлінеді: көмілген түрі (құрылғыны көп қабатты сымға көму немесе субстратқа көму), белсенді субстрат түрі (кремний пластинасын біріктіру: белсенді субстратты қалыптастыру үшін алдымен компоненттер мен вафли субстратын біріктіру. содан кейін көп қабатты біріктіру желілерін реттеңіз және үстіңгі қабатқа басқа чиптерді немесе құрамдастарды жинаңыз) және қабатталған түрі (кремний пластиналары); кремний пластиналарымен қабатталған, кремний пластиналарымен қабатталған чиптер және чиптермен қабатталған чиптер).
3D өзара байланыс әдістеріне сымды байланыстыру (WB), флип чип (FC), кремний арқылы (TSV), пленка өткізгіш және т.б.
TSV чиптер арасындағы тік өзара байланысты жүзеге асырады. Тік байланыс желісі ең қысқа қашықтыққа және жоғары беріктікке ие болғандықтан, миниатюризацияны, жоғары тығыздықты, жоғары өнімділікті және көп функциялы гетерогенді құрылымды қаптаманы жүзеге асыру оңайырақ. Сонымен қатар, ол әртүрлі материалдардың чиптерін біріктіре алады;
Қазіргі уақытта TSV процесін пайдаланатын микроэлектроника өндірісінің екі түрі бар: үш өлшемді схемалық орау (3D IC интеграциясы) және үш өлшемді кремний орау (3D Si интеграциясы).
Екі форманың айырмашылығы мынада:
(1) 3D тізбегінің қаптамасы чип электродтарын бұдырларға дайындауды талап етеді және бұдырлар бір-бірімен байланысты (байланыстыру, балқыту, дәнекерлеу және т.б. арқылы байланыстырылған), ал 3D кремний орамы чиптер арасындағы тікелей өзара байланыс (оксидтер мен Cu арасындағы байланыс) -Cu байланысы).
(2) 3D схемасын біріктіру технологиясына пластиналар арасындағы байланыстыру арқылы қол жеткізуге болады (3D схемасы, 3D кремний қаптамасы), ал чиптен чипке байланыстыру және чиптен пластинаға байланыстыруды тек 3D схемасы орау арқылы жүзеге асыруға болады.
(3) 3D схемасын орау процесі арқылы біріктірілген чиптер арасында бос орындар бар және жүйенің механикалық және электрлік қасиеттерінің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін жүйенің жылу өткізгіштігі мен жылу кеңею коэффициентін реттеу үшін диэлектрлік материалдарды толтыру қажет; 3D кремний орау процесі арқылы біріктірілген чиптер арасында бос орындар жоқ, ал қуат тұтынуы, көлемі және чиптің салмағы аз және электрлік өнімділігі тамаша.
TSV процесі субстрат арқылы тік сигнал жолын құра алады және үш өлшемді өткізгіш жолын қалыптастыру үшін субстраттың жоғарғы және төменгі жағындағы RDL-ді қоса алады. Сондықтан TSV процесі үш өлшемді пассивті құрылғы құрылымын құрудың маңызды іргетастарының бірі болып табылады.
Жолдың алдыңғы шеті (FEOL) мен жолдың артқы жағы (BEOL) арасындағы тәртіпке сәйкес, TSV процесін үш негізгі өндіріс процесіне бөлуге болады, атап айтқанда, бірінші арқылы (ViaFirst), орта арқылы (Via Middle) және суретте көрсетілгендей соңғы (Соңғы арқылы) процесс арқылы.
1. Ою процесі арқылы
Виртуалды өңдеу процесі TSV құрылымын өндірудің кілті болып табылады. Қолайлы өңдеу процесін таңдау TSV механикалық беріктігі мен электрлік қасиеттерін тиімді жақсартуға және одан әрі TSV үш өлшемді құрылғыларының жалпы сенімділігіне байланысты болуы мүмкін.
Қазіргі уақытта штамптау процестері арқылы төрт негізгі TSV бар: терең реактивті ионды өңдеу (DRIE), дымқыл ою, фотокөмектес электрохимиялық ою (PAECE) және лазерлік бұрғылау.
(1) Терең реактивті ионды ою (DRIE)
Терең реактивті ионды өңдеу, сонымен қатар DRIE процесі ретінде белгілі, ең жиі қолданылатын TSV өңдеу процесі, ол негізінен жоғары арақатынасы бар құрылымдар арқылы TSV жүзеге асыру үшін қолданылады. Дәстүрлі плазмалық ою-өрнек процестері әдетте төмен өңдеу жылдамдығымен және бетперде таңдағыштығының жоқтығымен бірнеше микронға созылу тереңдігіне ғана қол жеткізе алады. Осы негізде Bosch сәйкес процесті жақсартулар жасады. SF6 реактивті газ ретінде пайдалану және бүйірлік қабырғаларды пассивациядан қорғау ретінде ою процесі кезінде C4F8 газын шығару арқылы жақсартылған DRIE процесі жоғары арақатынастағы визуалды сызу үшін жарамды. Сондықтан оны өнертапқыштың атымен Bosch процесі деп те атайды.
Төмендегі суретте DRIE процесін ою арқылы жасалған жоғары арақатынасының фотосуреті берілген.
DRIE процесі жақсы бақыланатындықтан TSV процесінде кеңінен қолданылғанымен, оның кемшілігі бүйір қабырғаларының тегістігі нашар және тарақ тәрізді әжім ақаулары пайда болады. Бұл ақау жоғары арақатынастағы визуалды сызу кезінде маңыздырақ.
(2) Ылғалды ою
Ылғалды оюлау саңылаулар арқылы сырлау үшін маска мен химиялық оюдың комбинациясын пайдаланады. Ең жиі қолданылатын өрнек ерітіндісі KOH болып табылады, ол кремний субстратындағы маскамен қорғалмаған позицияларды оюы мүмкін, осылайша қалаған тесік құрылымын қалыптастырады. Ылғалды оюлау – ең ерте дамып келе жатқан саңылау арқылы өңдеу процесі. Оның технологиялық қадамдары мен қажетті жабдық салыстырмалы түрде қарапайым болғандықтан, ол төмен шығындармен TSV жаппай өндіруге жарамды. Дегенмен, оның химиялық өңдеу механизмі осы әдіс арқылы пайда болған тесікке кремний пластинкасының кристалдық бағыты әсер ететінін анықтайды, бұл оюланған тесікті тік емес етеді, бірақ кең үстіңгі және тар түбінің айқын құбылысын көрсетеді. Бұл ақау TSV өндірісінде дымқыл оюды қолдануды шектейді.
(3) Фотокөмектес электрохимиялық ою (PAECE)
Фото-көмекші электрохимиялық оюдың (PAECE) негізгі принципі - ультракүлгін сәулелерді электронды-тесік жұптарының генерациясын жеделдету үшін пайдалану, осылайша электрохимиялық ою процесін жеделдету. Кеңінен қолданылатын DRIE процесімен салыстырғанда, PAECE процесі 100:1-ден асатын ультра үлкен арақатынасы тесігі бар құрылымдарды ою үшін қолайлырақ, бірақ оның кемшілігі DRIE-ге қарағанда ою тереңдігін бақылау мүмкіндігінің әлсіздігі болып табылады және оның технологиясы қосымша зерттеулерді және процесті жетілдіруді талап етеді.
(4) Лазерлік бұрғылау
Жоғарыда аталған үш әдістен ерекшеленеді. Лазерлік бұрғылау әдісі таза физикалық әдіс болып табылады. Ол негізінен TSV тесігі арқылы құрылысын физикалық түрде жүзеге асыру үшін көрсетілген аймақта субстрат материалын балқыту және булану үшін жоғары энергиялы лазерлік сәулеленуді пайдаланады.
Лазерлік бұрғылау арқылы жасалған тесік жоғары пропорцияға ие және бүйір қабырғасы негізінен тік. Дегенмен, лазерлік бұрғылау саңылауды қалыптастыру үшін жергілікті қыздыруды қолданатындықтан, TSV тесік қабырғасына термиялық зақым теріс әсер етеді және сенімділікті төмендетеді.
2. Лайнер қабатының тұндыру процесі
TSV өндірудің тағы бір негізгі технологиясы - лайнер қабатын тұндыру процесі.
Лайнер қабатын тұндыру процесі саңылау оюдан кейін орындалады. Шөгілген төсеніш қабаты әдетте SiO2 сияқты оксид болып табылады. Лайнер қабаты TSV ішкі өткізгіші мен субстрат арасында орналасады және негізінен тұрақты токтың ағып кетуін оқшаулау рөлін атқарады. Келесі процесте өткізгіштерді толтыру үшін оксидті шөгуден басқа, тосқауыл және тұқымдық қабаттар да қажет.
Өндірілген лайнер қабаты келесі екі негізгі талапқа сай болуы керек:
(1) оқшаулағыш қабаттың бұзылу кернеуі TSV нақты жұмыс талаптарына сәйкес болуы керек;
(2) тұндырылған қабаттар өте дәйекті және бір-бірімен жақсы адгезиясы бар.
Келесі суретте плазмалық күшейтілген химиялық бу тұндыру (PECVD) арқылы тұндырылған лайнер қабатының фотосы көрсетілген.
Тұндыру процесі әртүрлі TSV өндіріс процестеріне сәйкес реттелуі керек. Алдыңғы саңылау процесі үшін оксид қабатының сапасын жақсарту үшін жоғары температурада тұндыру процесін қолдануға болады.
Әдеттегі жоғары температурада тұндыру жоғары сапалы SiO2 оқшаулағыш қабатын қалыптастыру үшін термиялық тотығу процесімен біріктірілген тетраэтил ортосиликатына (ТЭОС) негізделуі мүмкін. Ортаңғы саңылау және кері саңылау процесі үшін, тұндыру кезінде BEOL процесі аяқталғандықтан, BEOL материалдарымен үйлесімділікті қамтамасыз ету үшін төмен температура әдісі қажет.
Бұл жағдайда оқшаулағыш қабат ретінде SiO2 немесе SiNx тұндыру үшін PECVD пайдалануды қоса алғанда, тұндыру температурасы 450°-қа дейін шектелуі керек.
Басқа кең таралған әдіс - тығызырақ оқшаулағыш қабат алу үшін Al2O3 шөгіндісі үшін атомдық қабаттың тұндыруын (ALD) пайдалану.
3. Металды толтыру процесі
TSV толтыру процесі лайнерді тұндыру процесінен кейін бірден жүзеге асырылады, бұл TSV сапасын анықтайтын тағы бір негізгі технология.
Толтыруға болатын материалдарға қолданылатын процеске байланысты легирленген полисилиций, вольфрам, көміртекті нанотүтіктер және т.б. жатады, бірақ ең негізгі ағын әлі де электроплатылған мыс болып табылады, өйткені оның процесі жетілген және оның электр және жылу өткізгіштігі салыстырмалы түрде жоғары.
Өткізу саңылауындағы оның электропландау жылдамдығының таралу айырмашылығына сәйкес, оны суретте көрсетілгендей, негізінен субконформды, конформды, суперконформды және төменнен жоғары электроплантациялау әдістеріне бөлуге болады.
Субконформальды электроплантация негізінен TSV зерттеулерінің бастапқы кезеңінде қолданылды. (а) суретте көрсетілгендей, электролизбен қамтамасыз етілген Cu иондары жоғарғы жағында шоғырланған, ал төменгі жағы жеткіліксіз толықтырылған, бұл өтпелі саңылаудың жоғарғы жағындағы электроплантация жылдамдығының жоғарыдан төменнен жоғары болуына әкеледі. Сондықтан саңылау толығымен толтырылмай тұрып, оның үстіңгі жағы алдын ала жабылып, ішінде үлкен бос орын пайда болады.
Конформды электропландау әдісінің схемалық диаграммасы мен фотосуреті (b) суретте көрсетілген. Cu иондарының біркелкі толықтырылуын қамтамасыз ете отырып, өтпелі саңылаудағы әрбір позициядағы электроплантация жылдамдығы негізінен бірдей, сондықтан ішінде тек тігіс қалады, ал бос көлем субконформды электропландау әдісінен әлдеқайда аз, сондықтан ол кеңінен қолданылады.
Одан әрі бос толтыру әсеріне қол жеткізу үшін, конформды электроплантация әдісін оңтайландыру үшін суперконформды электропландау әдісі ұсынылды. (c) суретте көрсетілгендей, Cu иондарының берілуін бақылау арқылы төменгі жағындағы толтыру жылдамдығы басқа позициялардағыдан сәл жоғары болады, осылайша толтыру жылдамдығының қадамдық градиенті төменнен жоғарыға қарай оңтайландырылады, сол жақ тігісті толығымен жояды. металды мыс толтыруды толығымен бос қалдыру үшін конформды электропландау әдісімен.
Төменнен жоғары электропландау әдісін суперконформды әдістің ерекше жағдайы ретінде қарастыруға болады. Бұл жағдайда төменгі бөліктен басқа гальвания жылдамдығы нөлге дейін басылады және тек электропландау төменнен жоғарыға қарай біртіндеп жүзеге асырылады. Конформды электропландау әдісінің бос артықшылығынан басқа, бұл әдіс жалпы электроплантация уақытын тиімді қысқартуы мүмкін, сондықтан ол соңғы жылдары кеңінен зерттелді.
4. RDL процесінің технологиясы
RDL процесі үш өлшемді орау процесінде таптырмас негізгі технология болып табылады. Бұл процесс арқылы портты қайта бөлу немесе пакеттер арасындағы өзара байланыстыру мақсатына жету үшін субстраттың екі жағында металл қосылыстарын жасауға болады. Сондықтан RDL процесі fan-in-fan-out немесе 2.5D/3D орау жүйелерінде кеңінен қолданылады.
Үш өлшемді құрылғыларды құру процесінде RDL процесі әдетте әртүрлі үш өлшемді құрылғы құрылымдарын жүзеге асыру үшін TSV-ді өзара қосу үшін қолданылады.
Қазіргі уақытта екі негізгі RDL процесі бар. Біріншісі фотосезімтал полимерлер негізінде жасалған және мыс электропландау және өңдеу процестерімен біріктірілген; екіншісі Cu Damascus процесін PECVD және химиялық механикалық жылтырату (CMP) процесін біріктіру арқылы жүзеге асырылады.
Төменде осы екі RDL сәйкесінше негізгі процесс жолдары енгізіледі.
Фотосезімтал полимерге негізделген RDL процесі жоғарыдағы суретте көрсетілген.
Алдымен пластинаның бетіне айналу әдісімен PI немесе BCB желімінің қабаты жағылады, қыздырып, қатайтқаннан кейін фотолитография процесі қалаған күйде тесіктерді ашу үшін қолданылады, содан кейін оюлау орындалады. Содан кейін фоторезисті алып тастағаннан кейін Ti және Cu сәйкесінше тосқауыл қабаты және тұқымдық қабат ретінде физикалық бу тұндыру процесі (PVD) арқылы вафлиге шашырайды. Содан кейін RDL бірінші қабаты ашық Ti/Cu қабатында фотолитография мен электропландау Cu процестерін біріктіру арқылы жасалады, содан кейін фоторезист алынып тасталады және артық Ti және Cu жойылады. Көп қабатты RDL құрылымын қалыптастыру үшін жоғарыдағы қадамдарды қайталаңыз. Бұл әдіс қазіргі уақытта өнеркәсіпте кеңінен қолданылады.
RDL өндірудің басқа әдісі негізінен PECVD және CMP процестерін біріктіретін Cu Damascus процесіне негізделген.
Бұл әдіс пен фотосезімтал полимерге негізделген RDL процесінің айырмашылығы мынада: әрбір қабатты өндірудің бірінші сатысында PECVD оқшаулағыш қабат ретінде SiO2 немесе Si3N4 тұндыру үшін пайдаланылады, содан кейін фотолитография және оқшаулау қабатында терезе қалыптасады. реактивті ионды тазарту және Ti/Cu тосқауыл/тұқым қабаты және өткізгіш мыс сәйкесінше шашырайды, содан кейін өткізгіш қабат CMP процесі арқылы қажетті қалыңдыққа дейін сұйылтады, яғни RDL қабаты немесе саңылаусыз қабат түзіледі.
Төмендегі суретте Cu Damascus процесіне негізделген көп қабатты RDL көлденең қимасының схемалық диаграммасы және фотосуреті берілген. TSV алдымен V01 саңылау қабатына қосылып, содан кейін RDL1, V12 және RDL2 ретімен төменнен жоғары қарай жинақталғанын байқауға болады.
RDL немесе саңылау қабатының әрбір қабаты жоғарыда көрсетілген әдіске сәйкес ретпен дайындалады.RDL процесі CMP процесін пайдалануды қажет ететіндіктен, оның өндірістік құны фотосезімтал полимер негізіндегі RDL процесіне қарағанда жоғары, сондықтан оны қолдану салыстырмалы түрде төмен.
5. IPD процесінің технологиясы
Үш өлшемді құрылғыларды жасау үшін, MMIC бойынша тікелей чиптегі интеграциядан басқа, IPD процесі басқа икемді техникалық жолды ұсынады.
Біріктірілген пассивті құрылғылар, сонымен қатар IPD процесі ретінде белгілі, пассивті құрылғылардың кез келген комбинациясын, соның ішінде микросхемадағы индукторларды, конденсаторларды, резисторларды, балун түрлендіргіштерін және т.б. жеке субстратта біріктіреді, ол тасымалдау тақтасы түріндегі пассивті құрылғылар кітапханасын құрайды. дизайн талаптарына сәйкес икемді шақырылады.
IPD процесінде пассивті құрылғылар өндірілген және тікелей тасымалдау тақтасында біріктірілгендіктен, оның технологиялық ағыны IC чиптік интеграциясына қарағанда қарапайым және арзанырақ және пассивті құрылғылар кітапханасы ретінде алдын ала жаппай шығарылуы мүмкін.
TSV үш өлшемді пассивті құрылғыны өндіру үшін IPD TSV және RDL қоса алғанда үш өлшемді орау процестерінің шығындарын тиімді өтей алады.
Шығындық артықшылықтардан басқа, IPD-тің тағы бір артықшылығы оның жоғары икемділігі болып табылады. IPD икемділігінің бірі төмендегі суретте көрсетілгендей әртүрлі интеграция әдістерінде көрінеді. (a) суретте көрсетілгендей флип-чип процесі арқылы немесе (b) суретте көрсетілгендей байланыстыру процесі арқылы IPD-ті пакеттік негізге тікелей біріктірудің екі негізгі әдісіне қосымша IPD-тің басқа қабатын бір қабатқа біріктіруге болады. Пассивті құрылғылар комбинацияларының кең ауқымына қол жеткізу үшін (c)-(e) суреттерінде көрсетілгендей IPD.
Сонымен қатар, (f) суретте көрсетілгендей, IPD одан әрі тығыздығы жоғары орау жүйесін құру үшін біріктірілген чипті тікелей көму үшін адаптер тақтасы ретінде пайдаланылуы мүмкін.
Үш өлшемді пассивті құрылғыларды құру үшін IPD пайдалану кезінде TSV процесі және RDL процесі де пайдаланылуы мүмкін. Процесс ағыны негізінен жоғарыда аталған чиптегі интеграцияны өңдеу әдісімен бірдей және қайталанбайды; айырмашылығы, интеграция объектісі чиптен адаптер тақтасына ауыстырылғандықтан, үш өлшемді орау процесінің белсенді аймаққа және өзара байланыс қабатына әсерін қарастырудың қажеті жоқ. Бұл IPD тағы бір негізгі икемділігіне әкеледі: әр түрлі субстрат материалдарын пассивті құрылғылардың дизайн талаптарына сәйкес икемді түрде таңдауға болады.
IPD үшін қол жетімді субстрат материалдары Si және GaN сияқты қарапайым жартылай өткізгіш субстрат материалдары ғана емес, сонымен қатар Al2O3 керамика, төмен температурада/жоғары температурада бірге күйдірілген керамика, шыны субстраттар және т.б. IPD арқылы біріктірілген құрылғылар.
Мысалы, IPD арқылы біріктірілген үш өлшемді пассивті индуктор құрылымы индуктордың өнімділігін тиімді жақсарту үшін шыны негізді пайдалана алады. TSV тұжырымдамасынан айырмашылығы, әйнек астарында жасалған саңылаулар, сонымен қатар, шыны арқылы өтетін саңылаулар (TGV) деп аталады. IPD және TGV процестері негізінде жасалған үш өлшемді индуктордың фотосы төмендегі суретте көрсетілген. Шыны субстраттың меншікті кедергісі Si сияқты әдеттегі жартылай өткізгіш материалдарға қарағанда әлдеқайда жоғары болғандықтан, TGV үш өлшемді индуктор жақсы оқшаулау қасиеттеріне ие және жоғары жиіліктегі субстраттың паразиттік әсерінен туындаған кірістіру жоғалуы әлдеқайда аз. кәдімгі TSV үш өлшемді индуктор.
Екінші жағынан, металл оқшаулағыш-металл (MIM) конденсаторлары IPD шыны субстратында жұқа пленка тұндыру процесі арқылы және үш өлшемді пассивті сүзгі құрылымын қалыптастыру үшін TGV үш өлшемді индукторымен өзара байланыстырылуы мүмкін. Сондықтан IPD процесі жаңа үш өлшемді пассивті құрылғыларды жасау үшін кең қолданбалы әлеуетке ие.
Жіберу уақыты: 12 қараша 2024 ж