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硅通孔(tsv)

硅通孔是一种将各种模具连接在堆叠模具配置中的技术。
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描述

用于3D集成的过硅通孔(tsv)表面上类似于用于集成电路的大马士革铜互连。两者都蚀刻过孔,到硅或电介质,线与屏障防止铜扩散,然后沉积种子层,然后用某种形式的水沉积铜填充过孔。在这两个过程中,扩散屏障的完整性和种子层的均匀性对整体可靠性和产量至关重要。

不过,这两个过程之间有重要的区别。tsv不仅仅是升级版的互联网络。特别是,组装和包装是设备制造中成本最敏感的方面之一。在几乎所有情况下,人们会选择成本较低的“足够好”工艺,而不是成本较高的“理想”工艺。成本可能是决定是否使用3D集成方案的关键因素。

这种对成本的重视对tsv的蚀刻和填充工艺有着深远的影响。按照集成电路工艺的标准,这些过孔是非常大的。根据集成方案的不同,TSV通径从5微米到几十微米不等,TSV蚀刻系统每分钟可以被要求去除十几微米或更多。虽然标准博世蚀刻工艺的交替蚀刻和沉积步骤能够达到所需的去除率,但通常会产生扇形侧壁轮廓。

高纵横比和扇形轮廓对PVD屏障和种子沉积过程尤其具有挑战性。PVD是一种视线技术;溅射目标很难“看到”通孔内表面的所有部分,即使在IC互连中通常看到的长径比要低得多。作为集成电路互连中类似问题的解决方案,原子层沉积(ALD)对于TSV衬垫所需的材料量来说太慢了。另一方面,tsv的更大尺寸意味着阻挡层可以高达10nm至20nm厚,而总电阻没有明显增加。在集成电路互连中,屏障只能有几纳米厚,保持这种薄层的完整性是一个重大的工艺挑战。

根据Alchimer首席技术官Frederic Raynal的说法,这些差异使得Alchimer的电接枝工艺非常适合tsv。像电化学沉积一样,电接枝将电流应用到含有化学前体的水溶液中。然而,在电接枝中,沉积反应是电启动的,但随后以化学方式进行。因此,电接枝需要更低的电流密度。该工艺的变化可用于在导电和非导电表面上沉积金属和聚合物。

Alchimer已经演示了几种不同的用于tsv的电接枝工艺。他们首先在水溶液中聚合4-乙烯基吡啶单体。由此产生的聚合物形成共价键,从而形成具有优异附着力的保形涂层。初步测试表明,聚合物本身是一种很有前途的扩散屏障。或者,聚合物层之后可以沉积一个单独的扩散屏障。接下来,电接铜种子层使用电接枝或传统电化学沉积为铜填料建立基础。浴液组成和工艺参数可以根据所需的沉积特性进行优化。

作为水相过程,电接枝具有固有的共形性。Alchimer成功地填充了高宽比高达30:1的tsv。该工艺本身也比基于pvd的干式集成方案更便宜:该公司估计,与基于pvd的等效流程相比,完全电/化学接枝工艺流程可节省43%的拥有成本。节省的主要原因是设备成本的降低,这远远抵消了阿尔奇默工艺较高的消耗品成本。

1999年首次报道的电接枝并不是一种新工艺。但是干法工艺的成本和tsv更大、更宽容的尺寸可能会让它成为自己的3D集成方案从实验室走向主流。


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