电子电路布线与构装月作业.ppt

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1、電子電路佈線與構裝 1月作業,通訊四甲B09622027李忠憲,裹蛀晕楷华宋川际间汐洁丢苟将祝喝芍侵都适甭防涸厨趁概中恢序提豆倒电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,TSV製程技術整合分析,International SEMATECH(ISMT)於公元2005年開始，將三維導線互連技術(3D Interconnects)列為首要挑戰性技術之排名榜上。發展TSV技術之主要驅動力在於導線長度之縮短，以提升訊號與電力之傳輸速度，在晶片微縮趨勢下，這些都是最具關鍵性之性能因素。TSV製程技術可將晶片或晶圓進行垂直堆疊，使導線連接長度縮短到等於晶片厚度，目前導線連接長度已減低到70m。而且可

2、將異質元件進行整合(Heterogeneous Integration of Different ICs)，例如將記憶體堆疊於處理器上方，由於TSV垂直導線連接可減低寄生效應(Parasitic)(例如：雜散電容、藕合電感或電阻洩露等)，可提供高速與低損耗之記憶體與處理器界面。如果搭配面積矩陣(Area Array)之構裝方式，則可提高垂直導線之連接密度。針對TSV主要關鍵製程技術進行系統性探討，內容包括：導孔的形成(Via Formation)、導孔的填充(Via Filling)、晶圓接合(Wafer Bonding)、及各種TSV整合技術(Via Fist,Via Last)等。,押颜面

3、虎猜昌妙裔肚摆序庐孩位汽婚各谬桃谅炒钾辆除挨喷挂慢香煌座陋电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,導孔的形成(Via Formation),TSV導孔的形成可使用Bosch深反應性離子蝕刻(Bosch Deep Reactive Ion Etching;Bosch DRIE)、低温型深反應性離子蝕刻(Cryogenic DRIE)、雷射鑽孔(Laser Drilling)，或各種濕式蝕刻(等向性及非等向性蝕刻)技術。在導孔形成製程上特別要求其輪廓尺寸之一致性，以及導孔不能有殘渣存在，並且導孔的形成必須能夠達到相當高的速度需求。導孔(Via)規格則根據應用領域的不同而定，其直徑範圍為5

4、100um，深度範圍為10100um，導孔密度為102到105 Vias/Chip,步沃津棕诌刨朋帖臻阂劣泥卵贰裹鲸蔚默叛十馋献梆流捉糯网视烯稠它傀电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,雷射鑽孔(Laser Drill),雷射鑽孔技術起源於1980年代中期，由於雷射鑽孔對於矽會有溶解現像，所以會產生飛濺的矽殘渣。使用雷射鑽孔來形成TSV導孔時，兩個主動元件(Active Devices)之間最小必須保持2m的距離，以防止元件特性受到影響。針對直徑小於25m的導孔，則很難採用雷射鑽孔來形成TSV導孔。一般雷射鑽孔所形成導孔側壁(Sidewall)的斜率為1.3到1.6。,皇揖咀廊喘卵

5、矽粟补镑涟绢琵剿里漏年徽赚魄垣池炉勿牢腿滞骗常蚊裹缀电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,Bosch深反應性離子蝕刻(Bosch DRIE),使用Bosch DRIE會快速轉換SF6電漿蝕刻與聚合物氣體(C4F8)表面鈍化兩道步驟，在聚合物沉積與低RF Bias電壓條件下，其蝕刻對於光阻的選擇比很高，在一些情況下蝕刻選擇比甚至可高達100:1。Bosch DRIE所形成TSV的導孔側壁(Via Sidewall)非常平直，由於交替變換蝕刻(Etching)和鈍化(Passivation)兩道步驟，所以可確保導孔側壁幾乎呈平直狀態，圖1為Bosch DRIE製程步驟與其所形成TSV導

6、孔之SEM照片。,嗣作尸腮速翱宠九感冰长单汞蔓境儿措冤峨芳异堂露笨四舵咋篙郭托兽窍电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,圖一：Bosch DRIE製程步驟及其所形成TSV導孔之SEM照片。,璃讣压谷兼郴艰渠串积鄙唉腔业贬纱沟掌扮萌靛来左轿捐垦举窿帛讨愧拒电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,導孔的填充(Via Filling),當TSV導孔形成後，接著進行绝緣層(Insulation Layer)沉積，以作為矽和導體間的绝緣材料。沉積绝緣層的方式，包括：熱化學氣相沉積(Thermal CVD)法、使用Silane和Tetra-Ethoxysilane(TEOS)氧化物之

7、電漿輔助化學氣相沉積(PE-CVD)法，以及使用低壓化學氣相沉積(LP-CVD)法來沉積氮化物層(Nitride Layer)。,瞅博殉致鼠丫办侈置壹滑衍矽津摈碍倦传佣拾悉蚁苇赘肠趣胆近比剪要兼电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,一旦形成绝緣層後，緊接著進行金屬化沉積，TSV導孔填充的導電材料，則包括：銅(Cu)、鎢(W)和多晶矽(Polysilicon)等。其中，銅具有優良導電率，電鍍銅(Copper Electroplating)可作為TSV導孔之充填。如果TSV導孔深度較淺時，電鍍銅可完全充填導孔。然而，當TSV導孔之深度較深時，由於矽熱膨脹係數(3 ppm/)與銅熱膨脹係

8、數(16 ppm/)相差極大，使用電鍍銅作導孔完全充填時，會產生熱機械應力(Thermo-Mechanical Stress)，進而導致內部介電層(Internal Dielectric Layer)與矽基材產生裂縫(Crack)。,毅值他武题母毫逸枝宵键坠镰乘蚤坚态圈烽谦货妓譬锑漆针祭刘锑卧泳喧电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,此外，在TSV導孔側壁(Sidewall)沉積絕緣層薄膜會有高電容產生，進而影響電性。針對大直徑TSV導孔，由於使用電鍍作充填之速度太慢，圖二為比利時IMEC改採用厚度為25m聚合物(Polymer)絕緣層來填補電鍍銅充填導孔所剩下的體積。由於厚度較厚

9、之聚合物絕緣層為低介電材料，可以解決一般絕緣層薄膜之高電容問題。使用聚合物絕緣層可減少導孔內銅的比例，進而降低矽與銅因熱膨脹係數差距大所產生的熱機械應力，而且此聚合物薄膜製程與晶圓後段導線製程，彼此具有相容性。,款女晚虏冕似视搪榔远研磕隋较埃更趁茬浦宙哥价胜共智滴乐呆怜隆名诽电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,圖二：IMEC採用厚度為25m聚合物絕緣層，來填補電鍍銅充填導孔所剩下的體積。,落蓟铭旭涟癌风洼卯呢渔埔喊计代焊岂而旺挞群惫疲蒜李睦霖棋峨本善拖电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,鎢(W)與鉬(Mo)也可用來充填TSV導孔，雖然在導電性能上不如銅，但兩者之熱膨

10、脹係數都低於銅(W:4.5 ppm/;Mo:4.8 ppm/；Cu:16 ppm/)，而且與矽(Si:3 ppm/)較接近。所以使用鎢(W)與鉬(Mo)金屬來進行導孔充填，可減少熱機械應力。圖三為導孔充填這些金屬的各種方法4，其中物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition;PVD)或濺鍍(Sputtering)可用於較小直徑導孔之填充，但是PVD缺點就是沉積速度慢且覆蓋性不良。雷射輔助化學氣相沉積(Laser-Assisted Chemical Vapor Deposition)，可快速沉積鎢(W)與鉬(Mo)金屬於深導孔內。此外，還有許多不同的金屬-陶瓷複合材料，由於具

11、備較低熱膨脹係數，亦可應用於導孔填充，但針對深寬比大於5之深盲孔，則不易進行導孔充填，必須使用特殊製程以充填此種導孔。,娱爬请砸列棕思侄纶缀柳悬簧矽云境挠倦寐窜轧御蛆彬徐绚捞颤终卑包趣电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,圖三：導孔充填金屬的各種方法,惦疮毡瞳牧渴彬韭丽船瓶夕门样践萨框许羊蛰蹭浓驰摘封维椅蚂挨苏届兄电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,聚合物接合(Polymer Bonding),聚合物之晶圓接合不需要特殊表面處理，例如：平坦化與過度清洗(Excessive Cleaning)步驟。聚合物接合對於晶圓表面之顆粒污染物較不敏感，一般常使用於晶圓接合的聚合物

12、，則包括：熱塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)及熱固性聚合物(Thermosetting Polymers)兩種。欲接合之兩片晶圓表面，首先旋轉塗佈液態聚合物，然後進行加熱以去除溶劑，以及形成聚合物交鏈作用(Cross-Linking)。然後將兩片晶圓於真空壓力下小心進行對準及接合。接著在真空環境下烘烤，以形成強而可靠的接合界面。聚合物晶圓接合種類，包括：負光阻1011、BCB(Benzocyclobutene)2,1214、Parylene6及Polyimide7,15等，其中BCB具有傑出的晶圓接合能力、抗化學腐蝕性、以及具備良好接合強度。晶圓接合前進行部份烘烤(P

13、artially Curing)，可減少BCB之迴焊(Reflow)，並且促進BCB層均勻性，進而避免接合所導致的對位不良13。負光阻與Polyimide皆可使用氧電漿(Oxygen Plasma)進行蝕刻，所以非常適合於犧牲性接合層(Sacrificial Bonding)，或3D整合平台(例如MEMS應用)之暫時性接合應用上。圖四為使用BCB聚合物，將具有銅-氧化物互連結構之晶圓與玻璃進行接合，然後經由研磨、拋光、濕式蝕刻等步驟，以去除矽基板之照片。使用聚合物接合之優點，包括：(1)聚合物接合與IC製程相容、(2)接合溫度低、(3)接合強度較不容易受內層顆粒所影響。然而，在接合與烘烤製程上

14、則容易產生對位不準問題，這是聚合物接合尚待克服之技術瓶頸。,退舶仓囊资拆镶竹铃乌废馋俊想纺缓喳杰崎臂抖蹬淋熬岔蹿背扛慨夕五劫电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,圖四：使用聚合物進行接合之照片,蛾诊玖贿水龙洁妈姿湍横逛签喝坐阉佑皋瘫皱攀怎紊鱼盛布做轿拼汉瞅抒电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,結論,全球正積極研發TSV技術，微電子構裝將朝向3D系統整合。本文已針對TSV製程技術進行介紹，TSV製程雖然具有多種變化，但其關鍵技術可簡單歸納為：導孔的形成(Via Formation)、導孔的填充(Via Filling)、晶圓接合(Wafer Bonding)及晶圓薄化(Wafer Thinning)等四大步驟。在TSV技術發展上，目前仍有許多挑戰有待克服，並且這是一項需要整合各種專業領域的技術,箕岔骂差摹秧慰之吩锡哉馒峰诚葬蛇洗辱鲸吼址牺匆潭公吃瘁湘怒蠕驼灶电子电路布线与构装月作业电子电路布线与构装月作业,