טכנולוגיית אריזה היא אחד התהליכים החשובים ביותר בתעשיית המוליכים למחצה. על פי צורת החבילה, ניתן לחלק אותה לחבילת שקעים, חבילת הרכבה על פני השטח, חבילת BGA, חבילת גודל שבב (CSP), חבילת מודול שבב בודד (SCM, הפער בין החיווט במעגל המודפס (PCB) והתאמות של לוח המעגלים המשולבים (IC), חבילת מודול רב-שבבים (MCM, שיכולה לשלב שבבים הטרוגניים), חבילת רמת רקיק (WLP, כולל חבילת רמת רקיק מאוורר (FOWLP), מיקרו רכיבי הרכבה על פני השטח (microSMD) וכו'), חבילה תלת מימדית (חבילת interconnect micro bump, חבילת interconnect TSV וכו'), חבילת מערכת (SIP), מערכת שבבים (SOC).
צורות האריזה התלת מימדית מחולקות בעיקר לשלוש קטגוריות: סוג קבור (קבורת המכשיר בחיווט רב-שכבתי או קבור במצע), סוג מצע פעיל (שילוב פרוסות סיליקון: תחילה שלב את הרכיבים ומצע רקיק ליצירת מצע פעיל לאחר מכן לארגן קווי חיבור רב-שכבתיים, ולהרכיב שבבים או רכיבים אחרים על השכבה העליונה) וסוג מוערם (פרוסות סיליקון מוערמות עם; פרוסות סיליקון, שבבים מוערמים עם פרוסות סיליקון, ושבבים מוערמים עם שבבים).
שיטות חיבור תלת מימדיות כוללות חיבור תיל (WB), שבב היפוך (FC), דרך סיליקון דרך (TSV), מוליך סרט וכו'.
TSV מממשת חיבור אנכי בין שבבים. מכיוון שלקו החיבור האנכי יש את המרחק הקצר ביותר וחוזק גבוה יותר, קל יותר לממש מזעור, צפיפות גבוהה, ביצועים גבוהים ואריזת מבנה הטרוגני רב תכליתי. במקביל, הוא יכול גם לחבר שבבים מחומרים שונים;
נכון לעכשיו, ישנם שני סוגים של טכנולוגיות ייצור מיקרו-אלקטרוניקה תוך שימוש בתהליך TSV: אריזת מעגלים תלת מימדיים (שילוב 3D IC) ואריזת סיליקון תלת מימדית (שילוב Si 3D).
ההבדל בין שתי הצורות הוא ש:
(1) אריזת מעגלים תלת-ממדיים מחייבת את הכנת אלקטרודות השבב לבליטות, והגבשושיות מחוברות זו לזו (מחוברות על ידי מליטה, היתוך, ריתוך וכו'), בעוד שאריזת סיליקון תלת-ממדית היא חיבור ישיר בין שבבים (התקשרות בין תחמוצות ל-Cu). -התקשרות Cu).
(2) ניתן להשיג טכנולוגיית אינטגרציה של מעגלים תלת-ממדיים על ידי חיבור בין פרוסות (אריזה במעגל תלת-ממד, אריזת סיליקון תלת-ממדית), בעוד שניתן להשיג חיבור שבב-שבב וחיבור שבב-ל-Wafer רק על-ידי אריזת מעגלים תלת-ממדיים.
(3) ישנם פערים בין השבבים המשולבים בתהליך אריזת המעגלים התלת-ממדיים, ויש למלא חומרים דיאלקטריים כדי להתאים את המוליכות התרמית ומקדם ההתפשטות התרמית של המערכת כדי להבטיח את יציבות המאפיינים המכניים והחשמליים של המערכת; אין פערים בין השבבים המשולבים בתהליך אריזת הסיליקון בתלת מימד, וצריכת החשמל, הנפח והמשקל של השבב קטנים, והביצועים החשמליים מצוינים.
תהליך TSV יכול לבנות נתיב אות אנכי דרך המצע ולחבר את ה-RDL בחלק העליון והתחתון של המצע ליצירת נתיב מוליכים תלת מימדי. לכן, תהליך TSV הוא אחד מאבני היסוד החשובות לבניית מבנה מכשיר פסיבי תלת מימדי.
על פי הסדר בין הקצה הקדמי (FEOL) לקצה האחורי של הקו (BEOL), ניתן לחלק את תהליך ה-TSV לשלושה תהליכי ייצור מיינסטרים, דהיינו, דרך הראשונה (ViaFirst), דרך האמצע (Via Middle) ו באמצעות תהליך אחרון (Via Last), כפי שמוצג באיור.
1. באמצעות תהליך תחריט
תהליך תחריט באמצעות הוא המפתח לייצור מבנה TSV. בחירת תהליך תחריט מתאים יכולה לשפר ביעילות את החוזק המכאני ואת התכונות החשמליות של TSV, ועוד יותר קשורה לאמינות הכוללת של התקני תלת מימד של TSV.
נכון לעכשיו, ישנם ארבעה מיינסטרים TSV באמצעות תהליכי תחריט: Deep Reactive Ion Etching (DRIE), תחריט רטוב, תחריט אלקטרוכימי בעזרת צילום (PAECE) וקידוח לייזר.
(1) תחריט יונים תגובתי עמוק (DRIE)
תחריט יונים תגובתי עמוק, הידוע גם כתהליך DRIE, הוא תהליך תחריט ה-TSV הנפוץ ביותר, המשמש בעיקר למימוש TSV באמצעות מבנים בעלי יחס רוחב-גובה גבוה. תהליכי תחריט פלזמה מסורתיים יכולים בדרך כלל להשיג רק עומק תחריט של מספר מיקרונים, עם קצב תחריט נמוך וחוסר סלקטיביות של מסכת תחריט. Bosch ביצעה שיפורים מתאימים בתהליך על בסיס זה. על ידי שימוש ב-SF6 כגז תגובתי ושחרור גז C4F8 במהלך תהליך התחריט כהגנה פסיבית על הדפנות, תהליך ה-DRIE המשופר מתאים לחריטת יחס רוחב-גובה גבוה. לכן, הוא נקרא גם תהליך בוש על שם הממציא שלו.
האיור שלהלן הוא תמונה של יחס גובה-רוחב גבוה שנוצר על ידי תחריט תהליך DRIE.
למרות שתהליך DRIE נמצא בשימוש נרחב בתהליך ה-TSV בשל יכולת השליטה הטובה שלו, החיסרון שלו הוא ששטיחות הדופן ירודה וייווצרו פגמים בקמטים בצורת סקאלופ. פגם זה משמעותי יותר בעת חריטה של יחס רוחב-רוחב גבוה.
(2) תחריט רטוב
תחריט רטוב משתמש בשילוב של מסכה ותחריט כימי כדי לחרוט דרך חורים. תמיסת התחריט הנפוץ ביותר היא KOH, שיכולה לחרוט את המיקומים על מצע הסיליקון שאינם מוגנים על ידי המסכה, ובכך ליצור את מבנה החור הרצוי. תחריט רטוב הוא תהליך תחריט החור המוקדם ביותר שפותח. מכיוון ששלבי התהליך והציוד הנדרש שלו פשוטים יחסית, הוא מתאים לייצור המוני של TSV בעלות נמוכה. עם זאת, מנגנון התחריט הכימי שלו קובע כי החור החולף הנוצר בשיטה זו יושפע מכיוון הגביש של פרוסת הסיליקון, מה שהופך את החור החרוט ללא אנכי אך מראה תופעה ברורה של עליון רחב ותחתון צר. פגם זה מגביל את היישום של תחריט רטוב בייצור TSV.
(3) תחריט אלקטרוכימי בעזרת צילום (PAECE)
העיקרון הבסיסי של תחריט אלקטרוכימי בסיוע צילום (PAECE) הוא שימוש באור אולטרה סגול כדי להאיץ את יצירת צמדי האלקטרונים-חורים, ובכך להאיץ את תהליך התחריט האלקטרוכימי. בהשוואה לתהליך ה-DRIE בשימוש נרחב, תהליך ה-PAECE מתאים יותר לחריטת יחס רוחב-גובה-רוחב גדול במיוחד של מבנים דרך חורים גדולים מ-100:1, אך החיסרון שלו הוא שהשליטה בעומק התחריט חלשה יותר מ-DRIE, והטכנולוגיה שלו עשויה דורשים מחקר נוסף ושיפור תהליכים.
(4) קידוח בלייזר
שונה משלוש השיטות לעיל. שיטת קידוח הלייזר היא שיטה פיזיקלית גרידא. הוא משתמש בעיקר בקרינת לייזר באנרגיה גבוהה כדי להמיס ולאדות את חומר המצע באזור שצוין כדי לממש פיזית את הבנייה דרך החור של TSV.
החור האמצעי שנוצר על ידי קידוח לייזר הוא בעל יחס רוחב-גובה גבוה והדופן היא בעצם אנכית. עם זאת, מכיוון שקידוחי לייזר למעשה משתמשים בחימום מקומי כדי ליצור את החור המעבר, דופן החור של TSV יושפע לרעה מנזק תרמי ויקטין את האמינות.
2. תהליך שקיעת שכבת לינר
טכנולוגיית מפתח נוספת לייצור TSV היא תהליך הנחת שכבת הספינות.
תהליך שקיעת שכבת התוחם מתבצע לאחר חריטה של החור המעבר. שכבת התוחם המופקדת היא בדרך כלל תחמוצת כגון SiO2. שכבת ה-liner ממוקמת בין המוליך הפנימי של ה-TSV והמצע, וממלאת בעיקר את התפקיד של בידוד זליגת זרם DC. בנוסף להפקדת תחמוצת, נדרשות גם שכבות מחסום וזרעים למילוי המוליכים בתהליך הבא.
שכבת התוחם המיוצרת חייבת לעמוד בשתי הדרישות הבסיסיות הבאות:
(1) מתח השבר של שכבת הבידוד צריך לעמוד בדרישות העבודה בפועל של TSV;
(2) השכבות המופקדות עקביות ביותר ובעלות הידבקות טובה זו לזו.
האיור הבא מציג תמונה של שכבת התוחם שהופקדה על ידי שקיעת אדים כימית משופרת בפלזמה (PECVD).
יש להתאים את תהליך התצהיר בהתאם לתהליכי ייצור TSV שונים. עבור תהליך החור הקדמי, ניתן להשתמש בתהליך שקיעה בטמפרטורה גבוהה כדי לשפר את איכות שכבת התחמוצת.
שקיעה טיפוסית בטמפרטורה גבוהה יכולה להתבסס על טטראתיל אורתוזיליקט (TEOS) בשילוב עם תהליך חמצון תרמי ליצירת שכבת בידוד באיכות גבוהה SiO2 עקבית ביותר. עבור תהליך החור האמצעי והחור דרך האמצע, מאחר שתהליך BEOL הושלם במהלך השקיעה, נדרשת שיטה בטמפרטורה נמוכה כדי להבטיח תאימות לחומרי BEOL.
בתנאי זה, יש להגביל את טמפרטורת השקיעה ל-450°, כולל השימוש ב-PECVD להפקדת SiO2 או SiNx כשכבת בידוד.
שיטה נפוצה נוספת היא שימוש בשכבה אטומית (ALD) להפקדת Al2O3 כדי לקבל שכבת בידוד צפופה יותר.
3. תהליך מילוי מתכת
תהליך מילוי ה-TSV מתבצע מיד לאחר תהליך השקת ה-liner, שהוא עוד טכנולוגיה מרכזית הקובעת את איכות ה-TSV.
החומרים שניתן למלא כוללים פוליסיליקון מסוממים, טונגסטן, ננו-צינוריות פחמן וכו' בהתאם לתהליך בו נעשה שימוש, אך המיינסטרים הוא עדיין נחושת מצופה אלקטרו, מכיוון שהתהליך שלה בשל והמוליכות החשמלית והתרמית שלו גבוהות יחסית.
על פי הפרש ההתפלגות של קצב הציפוי שלו בחור דרך, ניתן לחלק אותו בעיקר לשיטות סאב-קונפורמיות, קונפורמיות, סופר-קונפורמיות ולמטה למעלה, כפי שמוצג באיור.
ציפוי תת-קונפורמי שימש בעיקר בשלב מוקדם של מחקר TSV. כפי שמוצג באיור (א), יוני ה-Cu המסופקים על ידי אלקטרוליזה מרוכזים בחלק העליון, בעוד שהחלק התחתון אינו מתווסף מספיק, מה שגורם לקצב הציפוי בחלק העליון של החור העובר להיות גבוה יותר מזה שמתחת לחלק העליון. לכן, חלקו העליון של החור העובר ייסגר מראש לפני מילוי מלא, ונוצר חלל גדול בתוכו.
התרשים הסכמטי והתמונה של שיטת הציפוי הקונפורמי מוצגים באיור (ב). על ידי הבטחת ההשלמה האחידה של יוני Cu, קצב הציפוי בכל מיקום בחור דרך זהה בעצם, כך שרק תפר יישאר בפנים, ונפח הריק קטן בהרבה מזה של שיטת הציפוי התת-קונפורמי, כך הוא נמצא בשימוש נרחב.
על מנת להמשיך ולהשיג אפקט מילוי נטול חללים, הוצעה שיטת הציפוי הסופר-קונפורמי כדי לייעל את שיטת הציפוי הקונפורמי. כפי שמוצג באיור (ג), על ידי שליטה באספקת יוני Cu, קצב המילוי בתחתית מעט גבוה מזה שבמצבים אחרים, ובכך מייעל את שיפוע המדרגות של קצב המילוי מלמטה למעלה כדי לבטל לחלוטין את התפר השמאלי על ידי שיטת הציפוי הקונפורמי, כדי להשיג מילוי נחושת מתכת ללא חללים לחלוטין.
ניתן להתייחס לשיטת הציפוי מלמטה למעלה כמקרה מיוחד של השיטה הסופר-קונפורמלית. במקרה זה, קצב הציפוי למעט החלק התחתון מדוכא לאפס, ורק החיפוי מתבצע בהדרגה מלמטה למעלה. בנוסף ליתרון חסר החללים של שיטת הציפוי הקונפורמי, שיטה זו יכולה גם להפחית ביעילות את זמן הציפוי הכולל, ולכן היא נחקרה רבות בשנים האחרונות.
4. טכנולוגיית תהליך RDL
תהליך RDL הוא טכנולוגיה בסיסית הכרחית בתהליך האריזה התלת מימדית. באמצעות תהליך זה, ניתן לייצר חיבורי מתכת משני צידי המצע כדי להשיג את המטרה של חלוקה מחדש של יציאות או חיבור בין חבילות. לכן, תהליך RDL נמצא בשימוש נרחב במערכות אריזה מאוורר-אין-מאוורר או 2.5D/3D.
בתהליך בניית התקנים תלת מימדיים, תהליך RDL משמש בדרך כלל לחיבור TSV כדי לממש מגוון של מבני התקנים תלת מימדיים.
ישנם כיום שני תהליכי RDL עיקריים. הראשון מבוסס על פולימרים רגישים לאור ומשולב עם תהליכי ציפוי ותחריט נחושת; השני מיושם באמצעות תהליך Cu Damascus בשילוב עם PECVD ותהליך ליטוש מכני כימי (CMP).
להלן יציג את נתיבי התהליך המרכזי של שני RDLs אלה בהתאמה.
תהליך RDL המבוסס על פולימר רגיש לאור מוצג באיור שלמעלה.
תחילה מצפים שכבה של דבק PI או BCB על פני הרקיק בסיבוב ולאחר חימום ואשפרה משתמשים בתהליך פוטוליטוגרפי לפתיחת חורים במיקום הרצוי ולאחר מכן מתבצעת תחריט. לאחר מכן, לאחר הסרת הפוטו-רזיסט, Ti ו-Cu ניתזים על הוופר באמצעות תהליך פיסיקלי של שקע אדים (PVD) כשכבת מחסום ושכבת זרע, בהתאמה. לאחר מכן, השכבה הראשונה של RDL מיוצרת על שכבת Ti/Cu החשופה על ידי שילוב של תהליכי פוטוליטוגרפיה וציפוי Cu, ולאחר מכן מסירים את הפוטורסיסט והעודפים Ti ו-Cu נחרטים. חזור על השלבים לעיל כדי ליצור מבנה RDL רב שכבתי. שיטה זו נמצאת כיום בשימוש נרחב יותר בתעשייה.
שיטה נוספת לייצור RDL מבוססת בעיקר על תהליך Cu Damascus, המשלב תהליכי PECVD ו-CMP.
ההבדל בין שיטה זו לתהליך RDL המבוסס על פולימר רגיש לאור הוא שבשלב הראשון של ייצור כל שכבה, משתמשים ב-PECVD להפקדת SiO2 או Si3N4 כשכבת בידוד, ולאחר מכן נוצר חלון על שכבת הבידוד על ידי פוטוליטוגרפיה ו חריטת יונים תגובתיים, ושכבת מחסום Ti/Cu/שכבת זרע ונחושת מוליך מתקרזים בהתאמה, ואז שכבת המוליך מדללת ל- העובי הנדרש על ידי תהליך CMP, כלומר, נוצרת שכבה של RDL או שכבת חור דרך.
האיור הבא הוא תרשים סכמטי ותמונה של חתך רוחב של RDL רב שכבתי שנבנה על בסיס תהליך Cu Damascus. ניתן לראות ש-TSV מחובר תחילה לשכבת החור המעבר V01, ולאחר מכן מוערם מלמטה למעלה בסדר של RDL1, שכבת חור דרך V12 ו-RDL2.
כל שכבה של RDL או שכבת חור דרך מיוצרת ברצף לפי השיטה לעיל.מאחר שתהליך RDL מצריך שימוש בתהליך CMP, עלות הייצור שלו גבוהה מזו של תהליך RDL המבוסס על פולימר רגיש לאור, כך שהיישום שלו נמוך יחסית.
5. טכנולוגיית תהליך IPD
לייצור התקנים תלת מימדיים, בנוסף לאינטגרציה ישירה על השבב ב-MMIC, תהליך ה-IPD מספק נתיב טכני גמיש יותר.
התקנים פסיביים משולבים, הידועים גם כתהליך IPD, משלבים כל שילוב של התקנים פסיביים לרבות משרנים על-שבב, קבלים, נגדים, ממירי באלון וכו' על מצע נפרד ליצירת ספריית התקנים פסיבית בצורת לוח העברה שיכול להיקרא בצורה גמישה בהתאם לדרישות העיצוב.
מאחר שבתהליך ה-IPD, מכשירים פסיביים מיוצרים ומשולבים ישירות על לוח ההעברה, זרימת התהליך שלו פשוטה וזולה יותר מאינטגרציה על-שבב של ICs, וניתנת לייצור המוני מראש כספריית מכשירים פסיביים.
עבור ייצור מכשירים פסיביים תלת מימדיים של TSV, IPD יכול לקזז ביעילות את נטל העלויות של תהליכי אריזה תלת מימדיים כולל TSV ו-RDL.
בנוסף ליתרונות העלות, יתרון נוסף של IPD הוא הגמישות הגבוהה שלו. אחת מהגמישות של IPD באה לידי ביטוי בשיטות האינטגרציה המגוונות, כפי שמוצג באיור למטה. בנוסף לשתי השיטות הבסיסיות של שילוב ישיר של IPD במצע האריזה באמצעות תהליך ה-Flip-Chip כפי שמוצג באיור (א) או תהליך ההדבקה כפי שמוצג באיור (ב), ניתן לשלב שכבה נוספת של IPD על שכבה אחת של IPD כפי שמוצג באיורים (ג)-(ה) כדי להשיג מגוון רחב יותר של שילובי מכשירים פסיביים.
במקביל, כפי שמוצג באיור (ו), ניתן להשתמש ב-IPD כלוח מתאם כדי לקבור עליו ישירות את השבב המשולב כדי לבנות ישירות מערכת אריזה בצפיפות גבוהה.
בעת שימוש ב-IPD לבניית התקנים פסיביים תלת מימדיים, ניתן להשתמש גם בתהליך TSV ותהליך RDL. זרימת התהליך זהה בעצם לשיטת עיבוד האינטגרציה על-שבב שהוזכרה לעיל, ולא תחזור על עצמה; ההבדל הוא שמכיוון שמושא האינטגרציה משתנה משבב ללוח מתאם, אין צורך לשקול את ההשפעה של תהליך האריזה התלת מימדי על השטח הפעיל ושכבת החיבור. זה מוביל עוד לגמישות מפתח נוספת של IPD: מגוון חומרי מצע ניתן לבחור בגמישות בהתאם לדרישות העיצוב של מכשירים פסיביים.
חומרי המצע הזמינים עבור IPD הם לא רק חומרי מצע מוליכים למחצה נפוצים כגון Si ו-GaN, אלא גם קרמיקה Al2O3, קרמיקה משותפת בטמפרטורה נמוכה/טמפרטורה גבוהה, מצעי זכוכית וכו'. תכונה זו מרחיבה למעשה את גמישות העיצוב של פסיבית. התקנים משולבים על ידי IPD.
לדוגמה, מבנה המשרן הפסיבי התלת מימדי המשולב על ידי IPD יכול להשתמש במצע זכוכית כדי לשפר ביעילות את הביצועים של המשרן. בניגוד למושג ה-TSV, החורים החוזרים שנעשו על מצע הזכוכית נקראים גם דרך זכוכית (TGV). התמונה של המשרן התלת מימדי המיוצר על בסיס תהליכי IPD ו-TGV מוצגת באיור למטה. מאחר וההתנגדות של מצע הזכוכית גבוהה בהרבה מזו של חומרים מוליכים למחצה קונבנציונליים כמו Si, למשרן התלת מימדי TGV יש תכונות בידוד טובות יותר, ואובדן ההחדרה הנגרם מהאפקט הטפילי של המצע בתדרים גבוהים קטן בהרבה מזה של המשרן התלת מימדי הרגיל TSV.
מצד שני, קבלים מתכת-מבודד-מתכת (MIM) יכולים להיות מיוצרים גם על מצע הזכוכית IPD באמצעות תהליך שקיעת סרט דק, ולחבר ביניהם עם המשרן התלת מימדי TGV ליצירת מבנה מסנן פסיבי תלת מימדי. לכן, לתהליך ה-IPD יש פוטנציאל יישומי רחב לפיתוח מכשירים פסיביים תלת מימדיים חדשים.
זמן פרסום: 12 בנובמבר 2024