摘要
在集成电路的制造阶段延续摩尔定律变得越发困难,而在封装阶段利用三维空间可以视作 对摩尔定律的拓展。硅通孔是利用三维空间实现先进封装的常用威廉希尔官方网站
手段,现有威廉希尔官方网站
中对于应用于CMOS图像传感器件封装的圆台硅通孔,采用的是在顶部不断横向刻蚀的方式实现的,不利于封装 密度的提高,且对于光刻设备的分辨率有一定的要求。针对现有威廉希尔官方网站
中的问题,一种严格控制横向 刻蚀尺寸(仅占原始特征尺寸的3%~12%)的圆台硅通孔刻蚀方法被研究探索出来。该方法通过调节 下电极功率(≤30 W),获得了侧壁角度可调(70°~88°)、通孔底部开口尺寸小于光刻定义特征尺寸 的圆台硅通孔结构。这一方法有望向三维集成电路领域推广,有助于在封装阶段延续摩尔定律。
引言
依循摩尔定律,芯片的特征尺寸越来越小,以满 足器件集成度的增长。但是,当芯片的特征尺寸小到 一定程度会出现量子效应等现象,从而改变芯片目前 所遵循的物理规律。因此,长期来看,单纯采用越来越 先进的工艺威廉希尔官方网站
来延续摩尔定律是不可持续的。值得 注意的是,先进工艺威廉希尔官方网站
节点对特征尺寸的微缩主要 还是一种针对平面区域的概念。目前最先进的环栅技 术尽管可以实现晶体管立体/三维方向的堆叠,但还 没有确切的量产记录(韩国三星公司声称已可以实现 量产)。加入封装交流群,加VX:tuoke08。相比于在芯片制造过程中利用三维空间,在芯 片封装过程中利用三维空间的难度更低。能够利用三 维空间的区域将增加芯片的集成度,实际上就可以视 作对摩尔定律的拓展。利用三维空间进行堆叠封装, 可以实现高性能的异质集成,这样的系统级封装具有 更高的容量、更好的性能和更高的良率。
硅通孔(TSV)威廉希尔官方网站
是先进封装中的常用威廉希尔官方网站
之 一,采用硅通孔威廉希尔官方网站
实现三维空间中芯片或者线路 的垂直互连具有降低寄生效应、提高运行速率和降低 器件功耗等优点。硅通孔威廉希尔官方网站
在先进封装中的应用 可以分成以下几类:(1)在三维空间中实现芯片的垂直 堆叠互连,这类通孔被称作3D硅通孔(硅通孔是在芯 片所在的硅片上开通的,封装与芯片制造的界限模糊 化,因此也被称作3D IC);(2)采用硅转接板将不同芯 片的通信距离拉近,硅转接板上的这类通孔被称作2.5D硅通孔;(3)采用圆台硅通孔威廉希尔官方网站
,从而利用三维 空间对图像传感器件进行封装。
同时,硅通孔威廉希尔官方网站
也面临一些挑战。尽管采用硅 通孔的三维封装电学性能优良,但其工艺流程相对复 杂,在生产成本上不如采用重新布线威廉希尔官方网站
来实现三维 封装。具体到硅通孔威廉希尔官方网站
的工艺流程,其最主要的步 骤是硅通孔刻蚀和钝化层、阻挡层金属填充。在进行 硅通孔刻蚀时,通常采用Bosch工艺,但这种工艺形成 的硅通孔角度一般比较垂直,不利于后续的钝化层、 阻挡层金属填充。例如,在3D系统级封装的硅通孔中 深宽比比较大,一般需要原子层沉积等威廉希尔官方网站
来实现孔 的填充,导致产能降低。另外,虽然采用直孔替代斜孔 可以提高封装的密度和可靠性,但是采用直孔无法挂 胶(即无法通过旋涂实现孔侧壁钝化胶的涂布),需要 改用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺生长 绝缘层、物理气相沉积(PVD)工艺生长种子层和电镀, 而每增加一步工艺过程都会增加产品的制造成本,过 长的工艺路线会使产品失去商业竞争力。因此,对于 应用于图像传感器件的封装,其通孔一般采用圆台结构,可以通过旋涂实现孔侧壁钝化胶的涂布,降低成 本。现有的威廉希尔官方网站
主要利用硅的侧向刻蚀获得这类圆台结构,即现有威廉希尔官方网站
对通孔侧壁角度的工艺量化控制 是通过调节上开口的尺寸实现的。因此,现有威廉希尔官方网站
中 的圆台通孔的下开口尺寸与光刻胶定义的尺寸相同, 而上开口的尺寸则大于光刻胶定义的尺寸。这就对光 刻分辨率提出了更高的要求,即在圆台通孔的上开口 尺寸一定的情况下,需要利用光刻机定义出更小的图 形。与光刻定义线条状图形不同,定义孔状图形对光 刻分辨率的要求更高,当孔的尺寸小到一定程度后, 定义的图案会出现不圆等异常。并且,硅的侧向刻蚀 容易导致开口尺寸的均匀性难以控制,甚至相邻2个 孔之间会发生穿通,使得2个孔之间需要预留安全距 离,限制了封装密度的提高。针对上述问题,本文提出 了一种应用于图像传感器件封装的圆台硅通孔的刻 蚀方法,可以保证其上开口与光刻定义的尺寸近乎一 致(偏差仅为3%~12%),从而降低工艺整合时对光刻 工艺的要求,并且可以避免硅侧向刻蚀所导致的封装 密度下降的问题。
2 试验部分
2.1试验仪器与材料
本研究使用的试验仪器包括:上海微电子公司生 产的SMEE SSB500步进式光刻机,北方华创公司生 产的HSE P230等离子体刻蚀机,日立公司生产的SU8010冷场发射扫描电子显微镜。本研究使用的试验材料包括:12英寸硅晶圆,电子 级O2、He、SF6、C4F8、Ar,德国All Resist公司生产的光刻 胶和显影液,北京化工厂生产的H2SO4(浓)和H2O2。
2.2试验方法
本研究使用的12英寸硅晶圆,其(100)晶面垂直 于晶圆平面朝上。试验采用Piranha溶液H2SO4(浓)和H2O2以7:3的配比组成]清洗后,在晶圆上旋涂光刻 胶。然后,试验使用步进式光刻机进行光刻,并通过显 影定义出待刻蚀的图形。最后,试验使用等离子体刻 蚀机进行刻蚀,刻蚀后的剖面结构使用冷场发射扫描 电子显微镜进行表征。
其中,等离子体刻蚀是关键的试验步骤,等离子 体刻蚀的基准工艺配方如表1所示。
其中,气压用于达到等离子体产生的条件,应用 于刻蚀机的等离子体属于低温等离子体,需要一定的 真空才能产生,而电感耦合等离子体形成所需要的真 空一般在26.66 Pa以下;上电极功率产生等离子体;下 电极射频功率牵引腔室中的等离子体向下运动作用 于晶圆;SF6用于产生氟基自由基刻蚀硅片;O2用于形 成硅氧复合物保护孔道结构的侧壁,从而实现各向异 性刻蚀;工艺时间与所需要的刻蚀深度相关。
2.3试验结果
图1为光刻胶显影后(即等离子体刻蚀之前)检测 (ADI)的剖面扫描电子显微镜图像,光刻所定义出的 特征尺寸约为50μm。
图2为等离子体刻蚀后检测(AEI)的剖面扫描电 子显微镜图像。
从图2(a)可以看出,其硅通孔的上开口尺寸(大 约为54μm)与光刻定义的特征尺寸(大约为50μm) 相差无几,下开口尺寸(大约为43μm)则显著小于光 刻定义的特征尺寸,再结合约65μm的刻蚀深度值, 可得出其侧壁的平均角度大约为85°,有利于后续的 填充工艺;而从图2(b)的放大图可以更加清晰地看 出,硅通孔的顶部没有出现明显的在光刻胶底部向硅 通孔内侧的刻蚀现象,即没有明显的下切现象出现。进一步的研究还发现,当光刻定义出的图案的特征尺 寸减小时,采用上述等离子体刻蚀威廉希尔官方网站
所刻蚀出的图 形的下切尺寸的绝对值也会随之减小,而下切尺寸占 光刻定义尺寸的比值虽有上升,但有逐步趋于饱和的 趋势,预示其有望向尺寸更小的三维封装方向发展, 但相应地也存在一定的挑战。
3 分析与讨论
对形成上述形貌的影响因素进行探讨。首先,调 整工艺配方中的上电极功率,若上电极功率增加,对 形貌的影响不大(上开口尺寸约为57μm,下开口尺寸 约为49μm,刻蚀深度约为65μm,下切现象加重,但 侧壁的平均角度保持为约85°不变),图3为等离子体 刻蚀后的剖面扫描电子显微镜图像。上电极功率增加 后的等离子体刻蚀工艺配方如表2所示。
试验结果证明,上电极功率并不是形成该形貌的 主要影响因素。通过进一步的探索发现,若减小下电 极功率,则可以获得侧壁角度更加倾斜的硅通孔(上 开口尺寸约为62μm,下开口尺寸约为35μm,刻蚀深 度约为65μm,侧壁平均角度约为76°),图4为其等 离子体刻蚀后的剖面扫描电子显微镜图像。
从图4可以看出,相比于高深宽比的Bosch工艺, 该等离子体刻蚀威廉希尔官方网站
在侧壁粗糙度方面具有优势,有 利于后续工艺以及保证器件的电学性能。下电极功率 减小后的等离子体刻蚀工艺配方如表3所示。
对试验的结果进行分析,增加上电极功率会加大 下切现象(通过单侧下切尺寸占光刻定义出的原始特 征尺寸的比例来定量描述该现象),但不会明显影响 侧壁的平均角度,而减小下电极功率则可以明显减小 侧壁的平均角度,等离子体刻蚀结果对比如表4所示。
从唯象的角度,对减小下电极射频功率可以获得 圆台型微孔结构进行分析讨论:对于电感耦合等离子 体刻蚀机而言,其上电极射频功率用于产生等离子 体,下电极射频功率用于牵引腔室中的等离子体向下 运动并作用于晶圆。等离子体的平均自由程有限,在 孔道结构中运动时更容易发生湮灭,当下电极功率不 足时,会使得到达孔道结构底部的等离子体明显少于 顶部,进而获得上大下小的圆台型微孔结构。
现有文献中,硅通孔的下开口尺寸与光刻胶定义 的特征尺寸保持一致,倾斜侧壁是通过较大的下切现 象获得的,图5(a)为现有文献中的刻蚀威廉希尔官方网站
示意图。而本文提出的刻蚀方法,是硅通孔的上开口尺寸与光 刻胶定义的特征尺寸保持一致,通过对侧壁的保护作 用使得下开口明显小于光刻胶定义的特征尺寸而获 得倾斜侧壁。图5为本文提出的等离子体刻蚀威廉希尔官方网站
与 现有文献中的刻蚀威廉希尔官方网站
对比示意图,当光刻胶定义的 特征尺寸一定的情况下,通过本文提出的刻蚀方法能 得到尺寸更小的硅通孔结构,从而使得硅通孔威廉希尔官方网站
对 于光刻分辨率的要求降低。从定量的角度分析,采用现有威廉希尔官方网站
来实现侧壁角度为76°的硅通孔,假设刻蚀 深度为65μm、光刻定义的特征尺寸为50μm,通过一 个简单的三角函数运算可以得到现有威廉希尔官方网站
的上开口 需要达到82μm(现有威廉希尔官方网站
的下开口尺寸与光刻定义 的特征尺寸50μm保持一致),比原始的特征尺寸50μm多出32μm,比本文报道的上开口尺寸还要多 出20μm,单侧的下切值占特征尺寸的比例达到32%, 远大于3%~12%的比例,不利于封装密度的提高。
另外,不同于集成电路制造领域(特别是制约先 进制程发展的特征尺寸领域)的光刻定义的图案(主 要是线条状的图案),先进封装领域的光刻图案主要 是圆孔状的图案,在相同特征尺寸下的圆形图案比线 条状图案对光刻分辨率的要求更高。
对硅通孔的侧壁角度进行进一步的分析:一方 面,硅通孔刻蚀后的工艺是钝化胶的涂布工艺或者通孔的填充工艺,所以通孔刻蚀的侧壁不能太直,否则 不利于后续的钝化胶涂布(无法挂胶)或者填孔工艺 (封口效应);另一方面,通孔刻蚀的侧壁又不能太斜, 太斜的话会降低晶圆利用率,并且在回刻步骤中容易 破坏侧壁的绝缘层。因此,这类圆台硅通孔的侧壁倾 斜角度在70°~88°最适宜。研究结果证明,通过调节下 电极功率可以实现圆台硅通孔侧壁倾斜角度的调节。
本威廉希尔官方网站
所能实现的硅通孔深宽比还有待提升,目 前并不适合集成电路的高密度互连,更加适合分立器 件的先进封装,例如微机电系统器件(如低阻硅柱的 三维互连等)以及图像传感器件等的三维封装。此 类器件的共同特征是所需的互连接口数量较少,而器 件尺寸又相对比较大。另外,采用本威廉希尔官方网站
形成的硅通 孔侧壁粗糙度具有优势,有利于减少光学传输损耗, 还可以应用于半导体照明等领域。
4 结论
本文提出了一种圆台硅通孔的刻蚀方法,可以在 先进封装(特别是针对图像传感器件的封装)中引入 侧壁平均角度在70°~88°的硅通孔互连结构。通过施 加30 W及以下的下电极功率实现圆台硅通孔的刻 蚀,该圆台硅通孔的下开口尺寸显著小于光刻定义的 特征尺寸。与现有文献中的刻蚀威廉希尔官方网站
不同,该刻蚀技 术可以降低工艺整合时对光刻分辨率的要求,且有利 于提高封装密度。该刻蚀威廉希尔官方网站
对于高深宽比的刻蚀还 具有一定的局限性,对于如何将该威廉希尔官方网站
扩展到三维封 装硅通孔刻蚀还需要进一步的研究和探索。
审核编辑:汤梓红
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发表于 12-13 10:08
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目前,北方华创的刻蚀设备已经覆盖集成电路、LED、先进封装、功率半导体、MEMS微机电系统、化合物半导体、硅基微显、分析仪器、功率器件、光通信器件等多个领域,硅刻蚀机已突破14nm威廉希尔官方网站
,进入主流芯片代工厂。
发表于 12-29 16:34
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一项威廉希尔官方网站
能从相对狭窄的专业领域变得广为人知,有历史的原因,也离不开著名公司的推波助澜,把SiP带给大众的是苹果(Apple),而先进封装能引起公众广泛关注则是因为台积电(TSMC)。 苹果说,我的i
发表于 04-01 16:07
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当你刚刚完成项目中电路板的刻蚀环节,看起来很成功。但你也一定知道,随着时间的推移,电路板上的铜走线会慢慢变黑、变绿。本问将介绍一种在电路板的铜走线上镀锡的简单方法。
发表于 02-26 12:09
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大缩短了晶体硅的少数载流子寿命,通过沉积二氧化硅薄膜使黑硅表面钝化,可以有效地调节和控制。最后,以黑硅为基础制造了一种PIN光探测器,与无蚀刻工艺的PIN硅光探测器相比,在1060nm处获得了更高的责任,为0.57A/W。
发表于 04-06 14:31
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本文展示了一种使用连续湿法化学表面活化(即SPM→RCAl清洗)结合硅和石英玻璃晶片的键合方法。经过200 ℃的多步后退火,获得了无空洞或微裂纹的牢固结合,基于详细的表面和键合界面表征,建立了一个键
发表于 05-13 16:08
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我们华林科纳研究了一种干法各向异性刻蚀石墨和石墨烯的方法,能够通过调整蚀刻参数,如等离子体强度、温度和持续时间,从边缘控制蚀刻,蚀刻过程归因于碳原子的氢化和挥发,蚀刻动力学与甲烷形成一致,这种简单、干净、可控且可扩展的威廉希尔官方网站
与现有的半导体处理威廉希尔官方网站
兼容。
发表于 05-19 17:06
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通过使用多级等离子体蚀刻实验设计、用于蚀刻后光致抗蚀剂去除的替代方法,以及开发自动蚀刻后遮盖物去除顺序;一种可再现的基板通孔处理方法被集成到大批量GaAs制造中。对于等离子体蚀刻部分,使用光学显微镜
发表于 06-23 14:26
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由于其平行照明,WLI PL非常适合用于测量具有高深宽比的等离子切割刻蚀沟槽,因为大部分光到达了刻蚀结构的底部,因此可以测量深度。 随着经典摩尔定律晶体管的优势在单片芯片上缩小,先进封装的采用正在
发表于 06-24 18:44
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华林科纳对包括背照式图像传感器、中介层和 3D 存储器在内的消费产品相关设备的需求正在推动使用硅通孔 (TSV) [1] 的先进封装。 TSV 处理的各种工艺流程(先通孔、中间通孔和最后通孔
发表于 07-19 14:51
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湿法刻蚀也称腐蚀。硅的湿法刻蚀是 MEMS 加工中常用的威廉希尔官方网站
。其中,各向同性 (Isotropic)湿法刻蚀常用的腐蚀剂是由氢氟酸(HF)、硝酸( HNO3)和乙酸(CH3COOH)组成的混合物(也
发表于 10-08 09:16
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硅通孔有三种设计样式,用于连接中介层上堆叠的 3D 裸片,需要根据制造过程中的实现情况来选择这些堆叠。硅通孔结构一般用于集成了堆叠逻辑和存储器的 2.5D/3D 集成系统级封装。由于高带宽存储器占用了大量的封装基板面积,
发表于 10-27 12:53
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2.5D封装是传统2D IC封装威廉希尔官方网站
的进展,可实现更精细的线路与空间利用。在2.5D封装中,裸晶堆栈或并排放置在具有硅通孔(TSV)的中介层(interposer)顶部。其底座,即中介层,可提供芯片之间的连接性。
发表于 11-15 09:35
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在本项工作中,研究者们发明了一种凸型多模光波导及多模色散调控的方法。如图1a所示,在硅-绝缘体(silicon-on-insulator, SOI)晶圆上设计一个凸型多模光波导,通过优化光波导的宽度,横向刻蚀宽度,垂直刻蚀深度,从而达到调控色散的目的。
发表于 11-29 14:05
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目前制作硅通孔的主要手段有湿法刻蚀,激光加工和干法刻蚀(深反应离子刻蚀, DRIE )三种。
发表于 12-07 11:26
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先进封装/Chiplet可以释放一部分先进制程产能,使之用于更有急迫需求的场景。从上文分析可见,通过降制程和芯片堆叠,在一些没有功耗限制和体积空间限制、芯片成本不敏感的场景,能够减少对先进制程的依赖。
发表于 01-31 10:04
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刻蚀是移除晶圆表面材料,达到IC设计要求的一种工艺过程。刻蚀有两种:一种为图形 化刻蚀,这种刻蚀能将指定区域的材料去除,如将光刻胶或光刻版上的图形转移到衬底薄膜 上
发表于 02-01 09:09
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单晶硅刻蚀用来形成相邻晶体管间的绝缘区,多晶硅刻蚀用于形成栅极和局部连线。
发表于 02-13 11:13
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2.5D 封装是在2D封装结构的基础上,在芯片和封装载体之间加入了一个硅中介转接层,该中介转接层上利用硅通孔 (Through Silicon Via, TSV)连接其上、下表面的金属,多采用倒装
发表于 02-20 10:44
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FinFET三维器件也可以用体硅衬底制作,这需要更好地控制单晶硅刻蚀工艺,如CD、深度和轮廓。
发表于 03-30 09:39
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DRAM栅工艺中,在多晶硅上使用钙金属硅化物以减少局部连线的电阻。这种金属硅化物和多晶硅的堆叠薄膜刻蚀需要增加一道工艺刻蚀W或WSi2,一般先使用氟元素刻蚀钧金属硅化合物层,然后再使用氯元素刻蚀多晶硅。
发表于 04-07 09:48
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本文要点:3D集成电路需要一种方法来连接封装中垂直堆叠的多个裸片由此,与制造工艺相匹配的硅通孔(Through-SiliconVias,TSV)设计应运而生硅通孔设计有助于实现更先进的封装能力,可以
发表于 11-16 23:54
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