硅通孔发展现状分析课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,硅通孔技术（,TSV,）的发展现状,汇报人：张恒,组员：杨祖华，韦启钦，韦华宏,赵必鑫，吴天宇，徐宇丰，肖瑶,。,硅通孔技术（TSV）的发展现状汇报人：张恒,TSV,专利技术的发展态势,2007,年至,2012,年，,TSV,专利数量持,续稳步增长，,TSV,越来越受到关注。,注：美国（,US,）、中国（,CN,）、中国,台湾（,TW,）、韩国（,KR,）、日本（,JP,）,、欧洲联盟（,EP,）、新加坡（,SG,）、德,国（,DE,）、英国（,GB,）。,TSV专利技术的发展态势 2007 年至2012,2,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,硅通孔技术,(,Through-Silicon Via,),：通过在芯片之间、晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的技术,。,优点：使芯片在,z,轴方向堆叠的密度最大；,芯片之间的互连线最短；,外形尺寸最小；,并具有缩小封装尺寸；,高频特性出色；,降低芯片功耗；,热膨胀可靠性高等。,TSV,成为目前电子封装技术中,最引人注目的一种技术。,硅通孔（TSV）技术的发展现状硅通孔技术(Through-,3,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,减薄（,thinning,）、键合（,bonding,）、孔的形,成（,TSV Formation,）、填孔材料（,via filing,）,和工艺都是目前工艺研究的主要热点。,TSV,互连尚待解决的关键,技术难题和挑战：,通孔的刻蚀,通孔的填充,通孔的工艺流程（先通孔和,后通孔）,晶圆减薄,堆叠形式,键合方式,通孔热应力,硅通孔（TSV）技术的发展现状减薄（thinning）、键合,4,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,通孔的刻蚀技术,通孔的材料填充技术,通孔热应力分析,目录,硅通孔（TSV）技术的发展现状目录,5,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,通孔制造技术,刻蚀,硅通孔技术中孔的形成通常是由刻蚀工艺来完成。孔质量的好坏直接决,定了封装的效果。,半导体行业中大量使用刻蚀技术来制作集成电路，目前己经发展了诸多,刻蚀技术,，比如,：湿法刻蚀，干法刻蚀，,深反应离子刻蚀，激光刻蚀,。,反应离子刻蚀,(RIE,Reactive Ion Etching),工艺，是通过活性离子对衬底的物理轰击和化,学反应双重作用的一种刻蚀方式，同时兼有各,向异性和选择性好的优点。,2011,东电电子,(TEL),一举投产了,5,款用于三维封装的,TSV(,硅通孔，,through,siliconvia),制造装置，投产的,5,款三维,TSV,装置分别是,硅深刻蚀装置,、聚酰亚胺,成膜装置以及,3,款晶圆键合关联装置。,硅通孔（TSV）技术的发展现状通孔制造技术刻蚀,6,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,激光刻蚀,是选择一种单频率或多频率的光波，利用高能量的激光束进行刻蚀,钻孔，是近年来发展起来的一项新技术。,如下图所示。该芯片由,8,张晶圆叠层而成，芯片厚度仅为,560um,。,三星公司宣称,TSV,的制作是由激光钻孔完成,。,硅通孔（TSV）技术的发展现状 激光刻蚀是选择一,7,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,2010年12月，应用材料公司发布了基于,Applied Centura Silvia,刻蚀系,统的,最新硅通孔刻蚀技术。新的等离子源可将硅刻蚀速率提高40%，快速,形成平滑、垂直且具有高深宽比的通孔结构。新系统首次将每片硅片的通,孔刻蚀成本降低到10美元以下，同时保持系统标志性的精确轮廓控制和平,滑垂直的通孔侧壁。,2012,年3月，中微半导体设备公司,生产的8英寸硅通孔（TSV）刻蚀设备,Primo TSV200E具有极高的生产率，它,拥有双反应台的反应器，最多可以同时,加工两个晶圆片。此刻蚀设备的单位投,资产出率比市场上其他同类设备提高了,30%。（如下图）,2012年10月，新设备Primo SSC,AD-RIE（“单反应器甚高频去耦合反,应离子介质刻蚀机”）是中微公司用,于流程前端（FEOL）及后端（BEOL）,关键刻蚀应用的第二代电介质刻蚀设备，,主要用于22纳米及以下的芯片刻蚀加工。,（如下图）,硅通孔（TSV）技术的发展现状 2010年12,8,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,填充材料,硅通孔,填充技术,填充方法,硅通孔填充材料：铜，多晶硅，钨。主要是,铜,。,目前影响铜填充的主要问题包括：硅通孔内侧壁种子层的覆盖、,硅通孔内,气泡的排除,、电镀液质量以及电镀电流密度等,.,主要的填充方法：,电镀,化学气相沉积,高分子涂布,Cu,电镀填充工艺流程,2010,诺发系统宣布开发出一套全新先进的铜阻障底层物理气相沉积（,PVD,）制程，,其将用于新兴的贯穿硅晶硅通孔（,TSV,）封装市场，该制程使用诺发,INOVA,平台，并,搭配特有的中空阴极电磁管（,HCM,）技术制造出高贴附性的铜底层，该,HCMTSV,制程,提供卓越的侧壁及底部覆盖，能使后续的,TSV,电镀达成无洞填铜。,硅通孔（TSV）技术的发展现状填充材料硅通孔填充方法硅通孔填,9,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,2011,年,飞利浦公司研发人员利用自制电镀药水实现了三维互连中宽,5 um,深宽比为,8,的,TSV,铜柱无空洞填充,效果良好。,2012,年,电化学协会,D.Josell,等人针对其实验室研究人员在仅含抑制剂的,条件下实现,TSVU,型自底向上的电镀铜填充情况,建立了,TSV,电镀铜仿真模型。,硅通孔（TSV）技术的发展现状 2011年,飞利,10,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,硅通孔热应力分析,微系统封装中，封装后产品的可靠性是其关键考核因素。而对于三维封装硅通孔技术，工艺过程中应力直接影响产品寿命，,硅通孔的填充材料,以及,硅通孔相邻材料的热不匹配性,等都会造成通孔上的热应力，导致通,孔界面的开裂、分层现象、失效,等情况。因此，对硅通孔应力的分析，可以有效的提高产品的,可靠性,。,硅通孔（TSV）技术的发展现状硅通孔热应力分析 微系统,11,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,硅通孔相邻材料界面的力学分析,刻蚀后的扇贝形通孔界面,单个孔分析,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连续,。,可以看到通孔边界上应力明显大于通孔内部应力，每个扇贝形小弧段,边界的下部分应力较大，在每个扇贝形状的末端部位会发生塑性应变,。,硅通孔（TSV）技术的发展现状硅通孔相邻材料界面的力学分析,12,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,硅通孔填充材料的应力分析,完全填充,Cu,的,TSV,和,填充聚合物 的,TSV,两种结构模型的研究分析,两种,TSV,结构可能出现失效区域,均集中在,Cu,材料与其它材料端部界面,处，热应力将超过铜的屈服强度，出现,屈服变形,.,而在填充聚合物,TSV,结构中，,Cu,层在,Polymer/Cu,界面中间区域也将出,现塑性变形,.,综合考虑，完全填充,Cu,的,TSV,可靠,性更好。,硅通孔（TSV）技术的发展现状硅通孔填充材料的应力分析 完全,13,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,上海交通大学,学者用常用材料的组合进行了,仿真分析,发现,以二氧化硅为隔离层，,钨为填充金属，锡为键合层的模型具有最理想的热应力特性,，铜、以及锡的组,合也表现出良好的热应力特性。,(,袁琰红，高立明，吴昊,李明,硅通孔尺寸与材料对,热应力的影响,年月,),中国科学院微电子研究所学者，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,及复旦大学材料系,学者共同对硅通孔,全部填充,Cu,（圆柱）和部分填充,Cu,（圆柱环）,带来的应力进行了解析法分析,，得出随着镀铜层的减薄，,硅中径向正应力和环向正应,力均减小，铜中径向正应力减小，,而环向正应力始终大于完全填充铜情况，因此应综,合各方面因素谨慎选择合理的镀铜厚度。（安 彤，秦 飞，武 伟，于大全，万里兮，,王 珺，,TSV,转接板硅通孔的热应力分析,，,2013,年,7,月。）,硅通孔（TSV）技术的发展现状 上海交通大学学者,14,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,上海交通大学,学者采用,有限元分析单个圆柱型硅通孔,和,单个圆台型硅通孔应力,，,在通孔深度逐渐变大的过程中，圆柱型与圆台型硅通孔的应力变化趋势相反，圆台,型硅通孔更适用于高深宽比，且上下直径差较大的模型中。（袁琰红，,硅通孔三,维封装的热力学分析,，,2013,年,1,月）,南昌航空大学,学者建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，并通过用户子,程序,UMAT,嵌入到,ABAQUS,中进行互连结构的热应力分析。得出在,不同通孔半径,和通孔结构整体缩小的条件下，铜互连中心和顶部界面处均出现显著的尺寸效应,，,即在互连尺寸接近亚微米时，,热应力随着半径减小而急剧增加的现象,。,(,徐 成,硅,通孔互连热应力的数值模拟及仿真试验设计,，,2012,年,5,月,),硅通孔（TSV）技术的发展现状 上海交通大学学者,15,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,2010,年半导体龙头大厂联华电子，尔必达，力成科技宣布共同开发硅,通孔（,TSV,）,3D IC,制造。,2011,年三星电子宣布推出一款全新的,单条,8GB,容量,DDR3 RDIMM,服务,器专用内存，这款产品率先采用三维芯片堆叠技术,TSV,，而且这款产品已经,成功通过客户的测试,。通过三维,TSV,封装技术，,这类,8GB RDIMM,内存可以,比传统产品节省,40,的能耗，而且利用这种技术，可以大幅度提升内存芯片,的容量密度,，正如这次采用的,Green DDR3 DRAM,芯片一样，它的密度提升,有望突破,50,。,TSV,是解决服务器既需要大容量内存。,2011,高通已经设计出一款,28nmTSV,元件的原型,.,硅通孔技术在各公司发展现状：,硅通孔（TSV）技术的发展现状 2010年半导体龙,16,硅通孔（,TSV,）技术的发展现状,2011,年台积电,(TSMC),该年度在,VLSISymposium,上报告已建构出,一种更好的,TSV,介电质衬底,(dielectricliner),。工程师展示了高度深宽比,(aspectratios),为,10,：,l,的试制过孔，并减轻了外部铜材料挤压过孔的问题。,2012,年联华电子与新加坡科技研究局旗下的微电子研究院宣布，合,作进行应用在背面照度式,CMOS,影像感测器的,TSV,技术开发。通过这项,技术，包括智能手机、数码相机与个人平板电脑等移动电子产品，里面,所采用的数百万像素影像感测器，都可大幅提升产品效能、降低成本、,减少体积。,2012,年东芝的,TSV,相机模块已用在诺基亚的一些最新款手机当中。,图像传感器和微机电系统,(MEMS),等应用已率先导入,TSV,工艺技术。,硅通孔（TSV）技术的发展现状 2011年台积,17,硅通孔（,TSV,）技术的发展趋势,TSV,技术将在垂直方向堆叠层数、硅片减薄、硅通孔直径、填充材,料、通孔刻蚀等方面继续向微细化方向发展。,在垂直方向上堆叠层数将由,2007,年的,3-7,层裸芯片发展到,2015,年的,5,14,层裸芯片的堆叠。,为使堆叠,14,层裸芯片的封装仍能符合封装总厚度小于,lmm,的要求，在硅片减薄上，将由,2007,年的,20um50um,的厚度减低,至,2015,年的,8um,厚度。,在硅通孔的直径上，将由,2007,年的,4.0um,缩小至,2015,年的,1.6um,。,TSV,技术发展重点还包括工艺开发、三维,Ic,设计测试、多尺寸通孔技,术以及静电保护等。,硅通孔（TSV）技术的发展趋势 TSV技术将在垂,18,Thank You!,Thank You!,