La technologie d'emballage est l'un des processus les plus importants de l'industrie des semi-conducteurs. Selon la forme du boîtier, il peut être divisé en boîtier de prise, boîtier de montage en surface, boîtier BGA, boîtier de taille de puce (CSP), boîtier de module à puce unique (SCM, l'espace entre le câblage sur la carte de circuit imprimé (PCB) et les pads de la carte de circuit intégré (IC) correspondent), un boîtier de module multi-puces (MCM, qui peut intégrer des puces hétérogènes), un boîtier au niveau de la tranche (WLP, y compris un boîtier au niveau de la plaquette en éventail (FOWLP), des composants à montage en surface micro (microSMD ), etc.), package tridimensionnel (package d'interconnexion micro-bump, package d'interconnexion TSV, etc.), package système (SIP), système de puce (SOC).
Les formes d'emballage 3D sont principalement divisées en trois catégories : type enterré (enfouissant le dispositif dans un câblage multicouche ou enterré dans le substrat), type de substrat actif (intégration de plaquette de silicium : intégrer d'abord les composants et le substrat de plaquette pour former un substrat actif. puis disposer des lignes d'interconnexion multicouches et assembler d'autres puces ou composants sur la couche supérieure) et de type empilé (plaquettes de silicium empilées avec des plaquettes de silicium, puces empilées avec des plaquettes de silicium et puces empilées avec puces).
Les méthodes d'interconnexion 3D incluent la liaison par fil (WB), la puce retournée (FC), via le silicium via (TSV), le film conducteur, etc.
TSV réalise une interconnexion verticale entre les puces. Étant donné que la ligne d'interconnexion verticale a la distance la plus courte et une résistance plus élevée, il est plus facile de réaliser un emballage à structure hétérogène miniaturisée, haute densité, haute performance et multifonctionnel. Dans le même temps, il peut également interconnecter des puces de différents matériaux ;
Actuellement, il existe deux types de technologies de fabrication microélectronique utilisant le procédé TSV : le conditionnement de circuits tridimensionnels (intégration 3D IC) et le conditionnement tridimensionnel en silicium (intégration 3D Si).
La différence entre les deux formes est la suivante :
(1) Le packaging de circuits 3D nécessite que les électrodes des puces soient préparées en bosses, et les bosses soient interconnectées (liées par collage, fusion, soudage, etc.), tandis que le packaging 3D en silicium est une interconnexion directe entre les puces (liaison entre oxydes et Cu -Liaison Cu).
(2) La technologie d'intégration de circuits 3D peut être obtenue par liaison entre tranches (emballage de circuit 3D, emballage en silicium 3D), tandis que la liaison puce à puce et la liaison puce à tranche ne peuvent être réalisées que par un emballage de circuit 3D.
(3) Il existe des espaces entre les puces intégrées par le processus d'emballage du circuit 3D, et les matériaux diélectriques doivent être remplis pour ajuster la conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique du système afin d'assurer la stabilité des propriétés mécaniques et électriques du système ; il n'y a aucun espace entre les puces intégrées par le processus d'emballage en silicium 3D, et la consommation d'énergie, le volume et le poids de la puce sont faibles, et les performances électriques sont excellentes.
Le processus TSV peut construire un chemin de signal vertical à travers le substrat et connecter le RDL en haut et en bas du substrat pour former un chemin conducteur tridimensionnel. Par conséquent, le processus TSV est l’une des pierres angulaires importantes pour la construction d’une structure de dispositif passif tridimensionnel.
Selon l'ordre entre l'avant de la ligne (FEOL) et l'arrière de la ligne (BEOL), le processus TSV peut être divisé en trois processus de fabrication principaux, à savoir via le premier (ViaFirst), via le milieu (Via Middle) et via le dernier processus (Via Last), comme indiqué sur la figure.
1. Via le processus de gravure
Le processus de gravure via est la clé de la fabrication de la structure TSV. Le choix d'un processus de gravure approprié peut améliorer efficacement la résistance mécanique et les propriétés électriques du TSV, et en outre lié à la fiabilité globale des dispositifs tridimensionnels TSV.
À l'heure actuelle, il existe quatre principaux procédés de gravure TSV courants : la gravure ionique réactive profonde (DRIE), la gravure humide, la gravure électrochimique photo-assistée (PAECE) et le perçage laser.
(1) Gravure ionique réactive profonde (DRIE)
La gravure ionique réactive profonde, également connue sous le nom de processus DRIE, est le processus de gravure TSV le plus couramment utilisé, principalement utilisé pour réaliser du TSV via des structures à rapport d'aspect élevé. Les procédés de gravure au plasma traditionnels ne peuvent généralement atteindre qu'une profondeur de gravure de plusieurs microns, avec une faible vitesse de gravure et un manque de sélectivité du masque de gravure. Bosch a apporté des améliorations de processus correspondantes sur cette base. En utilisant le SF6 comme gaz réactif et en libérant du gaz C4F8 pendant le processus de gravure comme protection par passivation pour les parois latérales, le procédé DRIE amélioré convient à la gravure de vias à rapport d'aspect élevé. C'est pourquoi il est également appelé procédé Bosch du nom de son inventeur.
La figure ci-dessous est une photo d'un via à indice de forme élevé formé par gravure selon le procédé DRIE.
Bien que le procédé DRIE soit largement utilisé dans le procédé TSV en raison de sa bonne contrôlabilité, son inconvénient est que la planéité des parois latérales est mauvaise et que des défauts de rides en forme de pétoncle se formeront. Ce défaut est plus important lors de la gravure de vias à fort allongement.
(2) Gravure humide
La gravure humide utilise une combinaison de masque et de gravure chimique pour graver à travers les trous. La solution de gravure la plus couramment utilisée est le KOH, qui peut graver les positions sur le substrat de silicium qui ne sont pas protégées par le masque, formant ainsi la structure traversante souhaitée. La gravure humide est le premier procédé de gravure traversant développé. Étant donné que les étapes de son processus et l'équipement requis sont relativement simples, il convient à la production en série de TSV à faible coût. Cependant, son mécanisme de gravure chimique détermine que le trou traversant formé par cette méthode sera affecté par l'orientation cristalline de la plaquette de silicium, rendant le trou traversant gravé non vertical mais montrant un phénomène clair de haut large et de fond étroit. Ce défaut limite l'application de la gravure humide dans la fabrication des TSV.
(3) Gravure électrochimique photo-assistée (PAECE)
Le principe de base de la gravure électrochimique photo-assistée (PAECE) consiste à utiliser la lumière ultraviolette pour accélérer la génération de paires électron-trou, accélérant ainsi le processus de gravure électrochimique. Comparé au processus DRIE largement utilisé, le processus PAECE est plus adapté à la gravure de structures traversantes à très grand rapport d'aspect supérieur à 100:1, mais son inconvénient est que la contrôlabilité de la profondeur de gravure est plus faible que celle du DRIE, et sa technologie peut nécessitent des recherches supplémentaires et une amélioration des processus.
(4) Forage laser
Est différent des trois méthodes ci-dessus. La méthode de perçage laser est une méthode purement physique. Il utilise principalement une irradiation laser à haute énergie pour faire fondre et évaporer le matériau du substrat dans la zone spécifiée afin de réaliser physiquement la construction traversante du TSV.
Le trou traversant formé par perçage laser a un rapport d’aspect élevé et la paroi latérale est essentiellement verticale. Cependant, étant donné que le perçage laser utilise en réalité un chauffage local pour former le trou traversant, la paroi du trou du TSV sera affectée négativement par les dommages thermiques et réduira la fiabilité.
2. Processus de dépôt de la couche de revêtement
Une autre technologie clé pour la fabrication du TSV est le processus de dépôt de la couche de revêtement.
Le processus de dépôt de la couche de revêtement est effectué après la gravure du trou traversant. La couche de revêtement déposée est généralement un oxyde tel que SiO2. La couche de revêtement est située entre le conducteur interne du TSV et le substrat et joue principalement le rôle d'isoler les fuites de courant continu. En plus du dépôt d'oxyde, des couches barrières et de germination sont également nécessaires pour le remplissage des conducteurs lors du processus suivant.
La couche de revêtement fabriquée doit répondre aux deux exigences fondamentales suivantes :
(1) la tension de claquage de la couche isolante doit répondre aux exigences de fonctionnement réelles du TSV ;
(2) les couches déposées sont très cohérentes et ont une bonne adhérence les unes aux autres.
La figure suivante montre une photo de la couche de revêtement déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).
Le processus de dépôt doit être ajusté en conséquence pour les différents processus de fabrication du TSV. Pour le processus de trou traversant avant, un processus de dépôt à haute température peut être utilisé pour améliorer la qualité de la couche d'oxyde.
Un dépôt typique à haute température peut être basé sur de l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) combiné à un processus d'oxydation thermique pour former une couche isolante SiO2 de haute qualité et hautement cohérente. Pour le processus de trou traversant intermédiaire et arrière, étant donné que le processus BEOL est terminé pendant le dépôt, une méthode à basse température est nécessaire pour garantir la compatibilité avec les matériaux BEOL.
Dans ces conditions, la température de dépôt doit être limitée à 450°, y compris l'utilisation de PECVD pour déposer du SiO2 ou du SiNx comme couche isolante.
Une autre méthode courante consiste à utiliser le dépôt de couche atomique (ALD) pour déposer Al2O3 afin d’obtenir une couche isolante plus dense.
3. Processus de remplissage de métal
Le processus de remplissage du TSV est effectué immédiatement après le processus de dépôt du revêtement, qui est une autre technologie clé qui détermine la qualité du TSV.
Les matériaux qui peuvent être remplis comprennent du polysilicium dopé, du tungstène, des nanotubes de carbone, etc. selon le procédé utilisé, mais le plus courant reste le cuivre électrolytique, car son procédé est mature et sa conductivité électrique et thermique est relativement élevée.
Selon la différence de distribution de son taux de galvanoplastie dans le trou traversant, il peut être principalement divisé en méthodes de galvanoplastie sous-conforme, conforme, superconforme et ascendante, comme le montre la figure.
La galvanoplastie sous-conforme a été principalement utilisée au début de la recherche sur le TSV. Comme le montre la figure (a), les ions Cu fournis par l'électrolyse sont concentrés en haut, tandis que le bas est insuffisamment complété, ce qui fait que le taux de galvanoplastie au sommet du trou traversant est supérieur à celui en dessous du haut. Par conséquent, le haut du trou traversant sera fermé à l’avance avant qu’il ne soit complètement rempli et un grand vide se formera à l’intérieur.
Le diagramme schématique et la photo de la méthode de galvanoplastie conforme sont présentés sur la figure (b). En assurant la supplémentation uniforme en ions Cu, le taux de galvanoplastie à chaque position dans le trou traversant est fondamentalement le même, donc seule une couture sera laissée à l'intérieur, et le volume vide est beaucoup plus petit que celui de la méthode de galvanoplastie sous-conforme, donc il est largement utilisé.
Afin d'obtenir davantage un effet de remplissage sans vide, la méthode de galvanoplastie superconforme a été proposée pour optimiser la méthode de galvanoplastie conforme. Comme le montre la figure (c), en contrôlant l'apport d'ions Cu, le taux de remplissage en bas est légèrement supérieur à celui des autres positions, optimisant ainsi le gradient du taux de remplissage de bas en haut pour éliminer complètement la couture laissée. par la méthode de galvanoplastie conforme, de manière à obtenir un remplissage en cuivre métallique totalement sans vide.
La méthode de galvanoplastie ascendante peut être considérée comme un cas particulier de la méthode super-conforme. Dans ce cas, le taux de galvanoplastie, à l'exception du bas, est réduit à zéro et seule la galvanoplastie est effectuée progressivement de bas en haut. En plus de l'avantage sans vide de la méthode de galvanoplastie conforme, cette méthode peut également réduire efficacement le temps global de galvanoplastie, c'est pourquoi elle a été largement étudiée ces dernières années.
4. Technologie de processus RDL
Le procédé RDL est une technologie de base indispensable dans le processus d'emballage tridimensionnel. Grâce à ce processus, des interconnexions métalliques peuvent être fabriquées des deux côtés du substrat pour atteindre l'objectif de redistribution des ports ou d'interconnexion entre les boîtiers. Par conséquent, le processus RDL est largement utilisé dans les systèmes d’emballage fan-in-fan-out ou 2,5D/3D.
Dans le processus de construction de dispositifs tridimensionnels, le processus RDL est généralement utilisé pour interconnecter TSV afin de réaliser une variété de structures de dispositifs tridimensionnels.
Il existe actuellement deux principaux processus RDL courants. Le premier est basé sur des polymères photosensibles et combiné à des procédés de galvanoplastie et de gravure du cuivre ; l'autre est mis en œuvre en utilisant le procédé Cu Damas combiné au processus PECVD et de polissage chimico-mécanique (CMP).
Ce qui suit présentera respectivement les chemins de processus principaux de ces deux RDL.
Le procédé RDL à base de polymère photosensible est illustré dans la figure ci-dessus.
Tout d'abord, une couche de colle PI ou BCB est appliquée sur la surface de la plaquette par rotation, et après chauffage et durcissement, un processus de photolithographie est utilisé pour ouvrir des trous à la position souhaitée, puis une gravure est effectuée. Ensuite, après avoir retiré la résine photosensible, Ti et Cu sont pulvérisés sur la tranche via un processus de dépôt physique en phase vapeur (PVD) en tant que couche barrière et couche d'amorçage, respectivement. Ensuite, la première couche de RDL est fabriquée sur la couche de Ti/Cu exposée en combinant des processus de photolithographie et de galvanoplastie du Cu, puis la résine photosensible est retirée et l'excès de Ti et de Cu est éliminé par gravure. Répétez les étapes ci-dessus pour former une structure RDL multicouche. Cette méthode est actuellement plus largement utilisée dans l’industrie.
Une autre méthode de fabrication du RDL repose principalement sur le procédé Cu Damascus, qui combine les procédés PECVD et CMP.
La différence entre cette méthode et le procédé RDL à base de polymère photosensible est que dans la première étape de fabrication de chaque couche, le PECVD est utilisé pour déposer du SiO2 ou du Si3N4 comme couche isolante, puis une fenêtre est formée sur la couche isolante par photolithographie et la gravure ionique réactive, la couche barrière/graine Ti/Cu et le cuivre conducteur sont respectivement pulvérisées, puis la couche conductrice est amincie à l'épaisseur requise par le processus CMP, c'est-à-dire une couche de RDL ou une couche traversante est formée.
La figure suivante est un diagramme schématique et une photo de la section transversale d'un RDL multicouche construit sur la base du procédé Cu Damas. On peut observer que TSV est d'abord connecté à la couche traversante V01, puis empilée de bas en haut dans l'ordre de RDL1, de la couche traversante V12 et de RDL2.
Chaque couche de RDL ou couche traversante est fabriquée en séquence selon le procédé ci-dessus.Étant donné que le procédé RDL nécessite l'utilisation du procédé CMP, son coût de fabrication est supérieur à celui du procédé RDL à base de polymère photosensible, son application est donc relativement faible.
5. Technologie de processus IPD
Pour la fabrication de dispositifs tridimensionnels, outre l'intégration directe sur puce sur MMIC, le procédé IPD offre une autre voie technique plus flexible.
Les dispositifs passifs intégrés, également connus sous le nom de processus IPD, intègrent toute combinaison de dispositifs passifs, notamment des inductances sur puce, des condensateurs, des résistances, des convertisseurs balun, etc. sur un substrat séparé pour former une bibliothèque de dispositifs passifs sous la forme d'une carte de transfert pouvant être appelé de manière flexible en fonction des exigences de conception.
Étant donné que dans le processus IPD, les dispositifs passifs sont fabriqués et directement intégrés sur la carte de transfert, son flux de processus est plus simple et moins coûteux que l'intégration de circuits intégrés sur puce, et peut être produit en série à l'avance en tant que bibliothèque de dispositifs passifs.
Pour la fabrication de dispositifs passifs tridimensionnels TSV, IPD peut compenser efficacement le fardeau financier des processus d'emballage tridimensionnel, notamment TSV et RDL.
Outre les avantages en termes de coûts, un autre avantage de l'IPD est sa grande flexibilité. L'une des flexibilités d'IPD se reflète dans les diverses méthodes d'intégration, comme le montre la figure ci-dessous. En plus des deux méthodes de base d'intégration directe de l'IPD dans le substrat du boîtier via le processus flip-chip comme illustré sur la figure (a) ou le processus de liaison comme illustré sur la figure (b), une autre couche d'IPD peut être intégrée sur une couche. d'IPD comme le montrent les figures (c) à (e) pour obtenir une gamme plus large de combinaisons de dispositifs passifs.
Dans le même temps, comme le montre la figure (f), l'IPD peut en outre être utilisé comme carte d'adaptation pour y enterrer directement la puce intégrée afin de construire directement un système d'emballage haute densité.
Lors de l'utilisation d'IPD pour construire des dispositifs passifs tridimensionnels, les processus TSV et RDL peuvent également être utilisés. Le flux de processus est fondamentalement le même que celui de la méthode de traitement d'intégration sur puce mentionnée ci-dessus et ne sera pas répété ; la différence est que puisque l'objet d'intégration passe de la puce à la carte adaptateur, il n'est pas nécessaire de prendre en compte l'impact du processus d'emballage tridimensionnel sur la zone active et la couche d'interconnexion. Cela conduit en outre à une autre flexibilité clé de l'IPD : une variété de matériaux de substrat peuvent être sélectionnés de manière flexible en fonction des exigences de conception des dispositifs passifs.
Les matériaux de substrat disponibles pour l'IPD ne sont pas seulement des matériaux de substrat semi-conducteurs courants tels que Si et GaN, mais également des céramiques Al2O3, des céramiques cocuites basse/haute température, des substrats en verre, etc. Cette fonctionnalité étend efficacement la flexibilité de conception des matériaux passifs. appareils intégrés par IPD.
Par exemple, la structure d'inductance passive tridimensionnelle intégrée par IPD peut utiliser un substrat de verre pour améliorer efficacement les performances de l'inducteur. Contrairement au concept TSV, les trous traversants réalisés sur le substrat en verre sont également appelés vias traversants en verre (TGV). La photo de l'inducteur tridimensionnel fabriqué selon les procédés IPD et TGV est présentée dans la figure ci-dessous. Étant donné que la résistivité du substrat en verre est bien supérieure à celle des matériaux semi-conducteurs classiques tels que le Si, l'inducteur tridimensionnel TGV présente de meilleures propriétés d'isolation et la perte d'insertion provoquée par l'effet parasite du substrat à hautes fréquences est bien inférieure à celle de l'inducteur tridimensionnel TSV conventionnel.
D'autre part, des condensateurs métal-isolant-métal (MIM) peuvent également être fabriqués sur le substrat de verre IPD via un processus de dépôt de couche mince, et interconnectés avec l'inducteur tridimensionnel TGV pour former une structure de filtre passif tridimensionnel. Par conséquent, le processus IPD présente un large potentiel d’application pour le développement de nouveaux dispositifs passifs tridimensionnels.
Heure de publication : 12 novembre 2024