3D封装之TSV工艺总结

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作者:John H. Lau 


当前，3D封装技术正席卷半导体行业，引起整个行业的广泛关注。如今摩尔定律趋缓，而3D封装技术将会取而代之成为新的发展方向。因此各家公司一直在大力投资3D封装技术，以便占据良好的竞争优势。
 
 
图1展示了3D封装技术的潜在应用和大批量制造（HVM）。基本上它可以分为4类：存储芯片堆叠，宽 I / O储存芯片（或逻辑芯片堆叠），宽I / O DRAM和宽 I / O接口（或2.5D集成电路）。

图1：Potential application and high-volume manufacturing of 3D IC integration


 

  • 存储芯片堆叠

图1最左端图示是Samsung公司在2006年发布的最简单的存储芯片堆叠示意图。这些芯片可能是DRAM（动态随机存取存储器）或I/O数量少于100的NAND闪存（确切地说是78个）。很重要的一点是，这种存储芯片附在有机基板上，即使采用八个芯片堆叠，它们的总厚度（560μm）仍小于普通芯片的厚度。遗憾的是，由于成本问题和引线键合技术的竞争，使用TSV(Through Silicon Via，硅通孔技术)的存储器芯片堆叠目前尚未针对消费产品进行批量生产。目前，Samsung正在开发的下一代服务器产品，很可能考虑采用DDR4（双信道四次同步动态随机存取内存）SDRAM（同步动态存储器）。


  • 宽I / O存储或逻辑堆叠

图1左侧第二个图示显示了一个宽I / O存储器，它由低功耗和宽带存储器组成，通常具有数千个接口引脚。该I / O存储器被称为有源转接板，能够被具有TSV结构的CPU /logic或SoC支持，连接在有机基板上。由于智能手机等移动产品的需求，诸如Samsung公司等已经制造发布该样品。不幸的是，设计公司的基础设施（包括制定行业标准，商业模式和提出有竞争力的价格）都需要时间准备，还未完善。逻辑堆叠便属于这一类。


  • 宽I / O DRAM（HMC）

图1右侧的第三列图示显示了一个宽I / O DRAM。Samsung已经至少三年发表了有关此主题的论文，最后一次，在2011旧金山召开的IEEEISSCC会议上，Samsung展示了一个带有TSV结构的主控制器逻辑芯片（或SoC）上有两个DRAM的样品，该芯片被称为有源转接板。对于这种DRAM，硅通孔和接口引脚的数量略多于1000个。JEDEC标准将此结构定义为在四个通道中具有1200个I/ O引脚（http://www.jedec.org/）。该宽I / O DRAM模块附在有机基板上。近日，由Micron，Samsung，Altera，ARM，Hewlett-Packard，IBM，Microsoft，Open-Silicon，SKHynix和Xilinx等公司组成的HybridMemory Cube（HMC）联盟宣布，将在今年年底前向公众发布一个行业规范。该规范主要针对高性能网络、工业、测试和测量应用。IBM还建议将此用于高端服务器。

  • 无源转接板的宽I / O接口（2.5DIC封装）

图1最右侧图示显示了用于路由/通信/下一代服务器/高性能应用的宽I / O接口。摩尔定律芯片如memory/ ASIC / CPU / ...... 的I/ O数量在几百到几千之间，他们由一片具有TSV和再分配层（RDL）的硅片相连。图1最右侧示例从Xilinx[3-6]的论文中截取，其中FPGA（现场可编程逻辑门阵列）由TSMC的28nm工艺技术制造，转接板为65nm工艺制程。顶部有四个RDL，可让这四个FPGA在很短的距离内相互通信。


下面将对这四组潜在应用的技术流程和3D IC集成技术的HVM进行讨论。HMC中存储芯片堆叠和DRAM的厚度≤50μm。此外，有源和无源转接板厚度≤200μm。本文仅仅考虑芯片-晶圆（C2W）键合（不探讨材料和设备等）。尽管EDA（electronicdesign automation，电子设计自动化）非常重要，本文也不对其进行讨论。同样，像Samsung和TSMC这样想要成为技术的纵向一体化公司（即做到这一切），也不在本文讨论范围。


TSV时代之前的技术流程


在TSV时代之前的技术流程已经被很好地定义和理解。TSV时代之前技术流程描述如下：

FEOL（前段）。这是IC制造的第一部分，其中对各个器件（例如晶体管或电阻器）进行了图形化。该过程是从裸晶片到（但不包括）金属层的沉积。FEOL通常在fab中进行。

BEOL（后段）。这是有源器件在晶片上布线连接的制造过程。该过程从第一层金属开始到具有钝化的PAD。它还包括绝缘体和金属接触，称为MOL（中段）。术语“MOL”很少使用，此工艺常包含在BEOL中。同样，BEOL通常在fab中完成。

OSAT（外包半导体组装和测试）。当钝化后的晶片从fab接收后，将进行电路测试/凸点/减薄/划片/引线键合/倒装芯片/注塑成型/植球/成品测试。


TSV时代的技术流程


TSV时代技术流程主要分三部分讨论：
A）谁制造TSV？
B）谁负责MEOL？
C）谁执行关键步骤（包括FEOL，MOL，BEOL，TSV，MEOL，组装和测试）以及谁将负责完成图1所示的四种3D封装制程。

A） 谁制造TSV
 

以下TSV制造工序将会对多种因素产生影响，因此必须予以区分。

Via-First工艺制备TSVs：TSVs在FEOL工艺之前制造，并且只能由fab完成。因为器件的制备（例如晶体管）比TSV重要得多，因此很难在fab中完成TSV工艺。

Via-Middle工艺制备TSVs：TSVs在FEOL（例如晶体管）和MOL（例如金属接触）之后，在BEOL（例如金属层）之前制备。在这种工艺下，由于TSV制造过程介于它们之间，因此BEOL工艺不再包含MOL（图2和图3）。由于工艺流程和设备的兼容性，通过Via-Middle工艺制备的TSV通常也由fab完成。


图2:Critical steps and ownerships for (face-to-back) wide I/O memory using the TSVvia-middle fabrication process.


Via-Last工艺制造的TSVs（从晶圆正面）：在FEOL，MOL和BEOL工艺之后制造TSV。迄今为止，没有一篇论文发表过相关报道。

Via-Last工艺制造TSVs（从晶圆背面）：在FEOL，MOL和BEOL工艺之后制造TSV。CMOS图像传感器就是一个例子。但严格来说，CMOS图像传感器不是3D IC集成工艺的示例。对于CMOS器件，Leti等人发表的论文提供了唯一可信的证据。但是，由于工艺和技术问题，应避免使用Via-Last工艺制造TSV（从晶圆背面）直到这些问题得到解决。


图3:Critical steps and ownerships for (face-to-face) wide I/O memory using the TSVvia-middle fabrication process.


基于上述讨论，似乎对应用于3D IC封装技术有源器件晶片，使用via-middle工艺制造TSV更为理想。此外，由于fab已经拥有相关设备，具备相关专业知识技能，TSV应由fab厂制造，并且制造TSV的成本不到制造（≤32nm）器件晶片的成本的5%！

对于无源TSV转接板又如何呢：当业界定义用于3D IC封装的TSV流程时，还没有无源转接板。此外，由于无源转接板中没有有源器件，因此它们不适用上述提到的的任意工艺！

谁想要生产无源转接板TSV：fab和OSAT都希望生产！它取决于版图，设计和制造能力，尤其是RDL的线宽和间距。通常，OSAT可以实现几微米的线宽和间距。否则，它就应该由fab生产。

B）谁负责MEOL工艺


对于HMC中DRAMs和存储.芯片堆叠的厚度，以及考虑到有源和无源转接板的厚度，所有制造的TSV都是盲孔。盲孔TSV工艺之后是焊料凸点/临时粘合/减薄/ TSV露点/薄晶圆支撑转移/剥离/清洁，这些过程统称为MEOL（生产线的中端）。对于这项工作，除了纵向一体化公司公司（例如，TSMC和Samsung集团），最好由OSAT完成MEOL流程。


C）量产3D封装的关键步骤分工


C.1）TSV Via-Middle工艺制造宽I / O存储器（面对背）：图2显示了该工艺的关键步骤和制备工厂。在FEOL（用于对器件进行图案化）和MOL（用于形成金属接触）之后，通过五个关键步骤制造TSVs，即通孔制造。通孔是由深反应等离子蚀刻形成的（DRIE），电介质是通过等离子体增强化学气相沉积的（PECVD），阻挡层和种子层通过物理气相沉积（PVD），使用电镀铜填充和化学机械抛光（CMP）去除覆盖的铜。这些步骤之后是金属层的堆积，最后是钝化/开口（BEOL）。所有这些步骤都应在fab中完成。


MEOL首先通过凸点下金属化（UBM）以及使用C4（普通晶圆凸点）焊接到整个晶片上。然后用粘合剂将TSV晶片临时粘合到载体晶片上。再将TSV晶片反向研磨至铜填充TSV顶部几微米。接着进行硅干法蚀刻，直到铜填充TSV顶部以下几微米。之后，在整个晶片上进行低温隔离SiN / SiO2沉积。然后使用CMP去除SiN / SiO2和Cu以及Cu填充TSV（Cu显露）的晶种层。最后，在铜填充TSV的顶部制备UBM。所有这些步骤应由OSAT完成。

分别用微小的焊料凸点或带有焊帽的Cu柱对存储器晶片进行微凸点处理。然后将晶片切成带有微凸点/Cu柱的单个芯片。这些步骤也应由OSAT完成。

接下来是芯片到晶圆（C2W）的键合，如微凸点存储芯片（通过自然回流或热压缩）与TSV晶片键合。在C2W面对背键合之后，载体晶片从TSV晶片上剥离下来。随后将TSV晶片切成单独的TSV模块。将该TSV模块（自然）回流焊接到封装基板上，进行测试。所有这些C2W键合，切割，组装和测试步骤均应由OSAT完成。

C.2）TSV Via-Middle工艺制造宽I / O存储器（面对面）：FEOL，MOL，TSV和BEOL过程与TSV via-middle（面对背）工艺流程完全相同。但是，接下来的工艺流程是不同的。TSV晶片不是在UBM后使用C4技术焊接到载体晶片上，而是临时连接到载体#1。然后，对TSV晶片进行背面研磨，并完成Cu显露和UBM。这些步骤之后进行C4工艺，并临时粘合到第二个载体＃2。然后，将载体＃1从TSV晶片上剥离下来，并进行C2W（面对面）键合。在C2W键合之后，将载体＃2从TSV晶片上剥离。随后将TSV晶片切成单独的TSV模块。将该TSV模块回流焊接到封装基板上，然后进行测试。关键步骤如图3所示。


C.3）TSV Via-Last工艺（从背面）制造宽I / O存储器（面对背）：图4显示了该工艺的关键步骤和制备工厂。在FEOL（对器件进行图案化），MOL（形成金属接触）和BEOL（构建金属层以及钝化/开口）之后进行UBM制备和C4工艺。然后，将该结构临时和载体晶片键合。再进行背面研磨，TSV制造和钝化/开口以及UBM。


接下来是C2W面对背键合，将载体晶片从TSV晶片上剥离，然后将TSV晶片切成单独的TSV模块。再将该TSV模块回流焊接到封装基板上进行测试。

图4: Critical steps andownerships for (face-to-back) wide I/O memory using the TSV via-last from thebackside fabrication process.


C.4）TSV Via-Last工艺（从背面）制造宽I / O存储器（面对面）：FEOL，MOL和BEOL工艺与和面对背TSV via-last（从背面）过程完全相同。但是，对于面对面情况而言，在UBM步骤之后，器件晶片临时粘合到载体＃1如图5所示。然后，对背面进行背面研磨，TSV加工和钝化/开口处理。在这些过程之后，制备UBM，进行C4工艺，并临时粘合至载体#2。然后完成与载体#1的剥离。

图5:Critical steps and ownerships for (face-to-face) wide I/O memory using the TSVvia-last from the backside fabrication process.


完成上述过程后，接下来进行C2W面对面粘合。在C2W键合之后，载体＃2晶片从TSV晶片上剥离并切割成单独的TSV模块。TSV模块将焊接在封装基板上，然后进行测试。


从图4和图5可以看出，TSV既可以由fab制造也可以由OSAT制造。然而，由于工艺流程的关系，fab实现这一目标的机会非常渺茫。（一旦晶片离开fab由OSAT接收处理，晶片几乎不可能再回到fab进行进一步处理。）同样，由于技术问题，例如击中晶片中各种嵌入式对准目标， x，y和z方向（要使晶片顶侧上的金属层对齐以及从背面形成的TSV定位），这对于OSAT来说也是非常具有挑战性的。因此，在解决这些问题之前，应避免使用TSV via-last（从背面）制造工艺

C.5）TSV Via-Middle工艺制造宽I / O DRAM：在DRAM和SoC/logic晶片的FEOL，MOL，TSV和BEOL之后，SoC /logic晶圆将按照图2（C.1）所示的面对背，或图3 （C.2）面对面工艺步骤进行操作。对于DRAM，首先要进行UBM，然后是整个晶圆的微凸点工艺。在这些过程之后，将临时粘合到载体晶片，进行背面研磨减薄，铜暴露和UBM。再依次进行载体晶圆剥离和将TSV DRAM晶圆切成单个TSV DRAM芯片，如图6所示。

图6:Critical steps and ownerships for wide I/O DRAM using the TSV via-middlefabrication process.


下一个过程是C2W（DRAM芯片到SoC/Logic晶片）键合（例如，2堆叠，4堆叠，6堆叠或8堆叠）。在C2W键合之后，载体晶片从SoC /Logic晶圆剥离并切割成单独的混合封装体（DRAM堆叠+SoC /Logic）。这些步骤之后，将二次成型的混合存储立方体组装在封装基板上，然后进行测试。

C.6）TSV Via-Middle工艺制造宽储存器芯片堆叠：存储器芯片（DRAM或NAND闪存）堆叠的关键步骤和制备工厂与宽I / O DRAM情况完全相同，如图6（C.5）所示。然而，不同于宽I / O DRAM情况下采用C2W键合，内存芯片堆叠是通过首先堆叠各个TSV芯片然后将它们连接到封装基板上并且采用灌胶成型来实现的。在这些步骤之后，将TSV存储器芯片堆叠模块连接到印刷电路板上，例如双列直插式存储器模块（RDIMM）。


C.7）2.5D IC封装技术制备TSV / RDL无源转接板：图7显示了关键步骤和制备工厂。在一块dummy硅（无有源器件）上沉积钝化层之后，制作TSV，构建RDL并进行钝化/开口。在UBM之后，将TSV晶片临时粘合到载体＃1。然后进行背面研磨，硅蚀刻，低温钝化和铜暴露。其后，完成UBM，C4工艺以及与载体＃2的临时粘合。不带TSV的器件晶圆分别用微焊料凸点或带有焊帽的Cu柱对存储器晶片进行微凸点处理。再将器件晶片切成有微凸点/Cu柱的单个芯片。

图7:Critical steps and ownerships for 2.5D IC integration with a TSV/RDL passiveinterposer.


接下来要完成的工作是剥离载体＃1，进行C2W键合（器件芯片与TSV晶片的键合）。C2W键合之后，载体＃2被剥离并且TSV晶片被切割成单独的TSV模块。最后，TSV模块可以组装在封装基板上进行测试。图7中可以看出TSV和RDL既可以由fab制造也可由OSAT制造。它取决于布局，设计和制造能力，尤其是RDL的线宽和间距。通常，OSAT可以完成几微米的线宽和间距。否则，它应该由fab完成。除了像TSMC这样的纵向一体化公司希望完全在内部进行晶圆级封装工艺（CoWoS）之外，大多数设计公司更偏向由fab（例如，UMC和GlobalFoundries）来制造盲孔TSV以及无源转接板的RDL。然后，fab将未完成的“ TSV转接板”移交给OSAT进行MEOL（焊料凸点/临时键合/薄晶圆支撑转移/背面研磨/ TSV显露/剥离/清洁），组装和测试。对于未完成的TSV器件晶片也是如此。


总结


文本研究了3D IC集成制造技术的技术流程。讨论了FEOL，MOL，BEOL，TSV，MEOL、封装，测试等关键步骤和负责制备的工厂，以及它们对于诸如存储芯片堆叠、宽I / O存储器（或逻辑堆叠）、宽I/ O DRAM（或HMC）和宽I/ O接口（或2.5D IC集成）等潜在应用。以下是一些重要的结果和建议：


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本文由IC字幕组 辰 翻译自2014年ChipScaleReview第三期 ，Gab校对修改