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1、第五讲 三维系统级封装中央处理器中央处理器CPU存储型闪存存储型闪存NAND动态存储器动态存储器DRAM90nm65-45nm32-22nm动态存储器动态存储器 DRAM+逻辑电路逻辑电路 信号延迟限制芯片速度信号延迟限制芯片速度 32nm 以下以下 CMOS 电路可行电路可行性尚不清楚性尚不清楚 难以加工更小的电容难以加工更小的电容 更大的信号延迟更大的信号延迟 没有合适的光刻系统没有合适的光刻系统 单元工作不稳定单元工作不稳定 难以降低成本难以降低成本 大规模有困难大规模有困难 低成本，甚至与低成本，甚至与 90nm 相当相当 可堆叠出更大的动态存储器可堆叠出更大的动态存储器2005年末年
2、末:Sony 不需要更小的电容不需要更小的电容 更短的连线可以获得更小的延迟更短的连线可以获得更小的延迟2009 2010:Elpida 使用已验证的光刻系统使用已验证的光刻系统 单元工作稳定单元工作稳定2011 2015:Samsung 缩短连线长度以减小延迟缩短连线长度以减小延迟 堆叠获得更快的堆叠获得更快的 CMOS 电路电路2011 2015:Intel/IBM 更小设计的问题更小设计的问题三维集成的优势三维集成的优势延续摩尔定律延续摩尔定律Moores Law超越摩尔定律超越摩尔定律More than Moore闪存芯片的制造成本比较闪存芯片的制造成本比较封装堆叠 q封装堆叠的可制造
3、性和可靠性问题封装堆叠的可制造性和可靠性问题翘曲和不平度：翘曲和不平度：顶部底部翘曲不同会顶部底部翘曲不同会造成焊锡结点在集成工艺中的失效；造成焊锡结点在集成工艺中的失效；净空（净空（Stand-off）：）：随着焊锡结点间随着焊锡结点间距的缩小，含锡球随之缩小，其所提距的缩小，含锡球随之缩小，其所提供的净空将不足以满足供的净空将不足以满足ASIC芯片对封芯片对封装的要求。装的要求。常规封装堆叠常规封装堆叠 ITRS三维互连技术路线图三维互连技术路线图q 基于硅通孔基于硅通孔(TSV)的三维的三维系统级封装系统级封装(3D-SiP)方法具有如下方法具有如下主要主要优点优点:高密度集成高密度集成
4、 大幅度地提高电子元器件的大幅度地提高电子元器件的集成度，减小封装的几何尺寸，克服现有的二集成度，减小封装的几何尺寸，克服现有的二维系统级封装维系统级封装(2D-SiP)和三维封装堆叠和三维封装堆叠(PoP)系统的不足，满足微电子产品对于多功系统的不足，满足微电子产品对于多功能和小型化的要求。能和小型化的要求。提高电性能提高电性能 大幅度地缩短电互连的长度，大幅度地缩短电互连的长度，从而可以很好地解决出现在二维系统级芯片从而可以很好地解决出现在二维系统级芯片（SoC）技术中的信号延迟等问题，提高电性技术中的信号延迟等问题，提高电性能。能。多种功能集成多种功能集成 可以把不同的功能芯片可以把不同
5、的功能芯片(如射频、内存、逻辑、数字和如射频、内存、逻辑、数字和MEMS等等)集成集成在一起实现电子元器件的多功能化。在一起实现电子元器件的多功能化。降低制造费用降低制造费用 TSV三维集成技术虽然目三维集成技术虽然目前在工艺上的成本较高，但是可以在元器件的前在工艺上的成本较高，但是可以在元器件的总体水平上降低制造成本。总体水平上降低制造成本。Samsung 利用 TSV技术堆叠的 16G 内存芯片组 IBM 利用TSV技术堆叠的CPU和内存芯片组q TSV三三维维集集成成技技术术是是最最近近几几年年半半导导体体工工业业中中最最热热门门的的研研究究方方向向-所所有有的的大大公公司司和和著著名名
6、研研究究机机构构都都在在开开展展这这方方面面的的技技术术研研究究和和产品开发。产品开发。q TSV三三维维集集成成技技术术可可以以创创造造出出很很多多应应用用-从从消消费费电电子子到到无无线线通讯，从生物到医学，从航空航天到汽车电子等通讯，从生物到医学，从航空航天到汽车电子等:图像传感器图像传感器为为TSV的的第一个实际应用第一个实际应用；内存内存，包括闪存包括闪存（Flash）和动态内存）和动态内存（DRAM）将占据最大的）将占据最大的市场市场；微电机系统微电机系统将是另一将是另一个主要应用；个主要应用；其它其它应用包括应用包括射频射频、发光二极发光二极管管等。等。TSV技术技术的应用市场预
7、测的应用市场预测(Yole Development,2007)四种主要的四种主要的TSVTSV工艺流程工艺流程DRIE 加工的不同深孔加工的不同深孔 含有电镀铜含有电镀铜TSV结构的结构的1/4 晶圆晶圆 电镀铜电镀铜TSV结构的切面图结构的切面图 减薄到减薄到100微米的带微米的带TSV结构的结构的晶圆晶圆 深孔刻蚀：深孔刻蚀：DRIE绝缘层淀积绝缘层淀积：淀积绝缘性的淀积绝缘性的SiO2/SiN/SiO2复合层复合层 扩散阻挡层淀积扩散阻挡层淀积：化学镀或溅射淀积化学镀或溅射淀积TiW、TiN、TaN等等种子层：化学镀或溅射淀积种子层：化学镀或溅射淀积Cu、W等等深孔填孔：电镀深孔填孔：电
8、镀Cu、W打孔方式干法刻蚀激光烧蚀超声微钻孔示例优点可形成V型孔无热损伤和残余应力深度可以控制成本低不需要掩膜可形成V型孔不需要掩膜可形成V型孔缺点成本高需要掩膜有热损伤和残余应力需自停止层不能并行加工成本高，不能并行加工。拥有知识产权的公司和研究机构IBM，Aviza，IMEC，Micron等Toshiba等IBM表 不同深孔加工方法的比较表表 不同绝缘层材料比较不同绝缘层材料比较材料材料二氧化二氧化硅硅氮氧化硅氮氧化硅有机高分子有机高分子聚合物聚合物优点优点保形性保形性保形性保形性低残余应力低残余应力保形性保形性吸湿小吸湿小电容小电容小低热应力低热应力缺点缺点高残余高残余应力应力电容大电容
9、大电容大电容大增加刻蚀步增加刻蚀步骤骤难以填充小难以填充小孔孔表 用于晶圆减薄的不同粘接技术比较工工艺艺蜡或胶水粘接蜡或胶水粘接干式胶贴粘接干式胶贴粘接静电吸盘静电吸盘示示意意图图优优点点高温下可使用高温下可使用保护易碎晶圆保护易碎晶圆适用于表面不平整之晶适用于表面不平整之晶圆圆表面平整度好表面平整度好低温下无需清洁，低温下无需清洁，高温下残留亦较少高温下残留亦较少适于自动化生产适于自动化生产无温度限制无温度限制不使用粘接材料不使用粘接材料无需清洁无需清洁缺缺点点融蜡后有残留融蜡后有残留蜡的化学性质稳定，不蜡的化学性质稳定，不易被化学溶剂清洗易被化学溶剂清洗粘接时间和脱模时间长，粘接时间和脱模
10、时间长，工艺不易实现自动化工艺不易实现自动化使用温度不能超使用温度不能超过过130oC表面平整度差表面平整度差静电可对芯片造静电可对芯片造成伤害成伤害表 四种主要精减薄方法的优缺点比较工艺工艺化学机械抛光化学机械抛光湿法蚀刻湿法蚀刻干法蚀刻干法蚀刻干法抛光干法抛光示意示意图图减薄减薄介质介质悬浮硬质颗粒悬浮硬质颗粒氢氟酸硝酸氢氟酸硝酸乙酸乙酸氟气氟气硅质研磨剂硅质研磨剂蚀刻蚀刻速率速率1 m/min 10 m/min2 m/min1 m/min蚀刻蚀刻效率效率低低高高中等中等低低晶圆晶圆强度强度高高高高高高高高环境环境污染污染硬质颗粒硬质颗粒氮氧化物氮氧化物六氟化硫六氟化硫无无运营运营成本成本
11、高高/中中高高低低低低基于机械化学抛光的晶圆减薄方法 晶圆减薄方法-把机械磨削、化学机械抛光、和干法刻蚀有机地结合，并建立它们之间的优化比例关系，以保证晶圆既能减薄到要求的厚度，又能具有足够的强度。机械磨削机械磨削化学机械抛光化学机械抛光（CMPCMP）干法刻蚀干法刻蚀暴露暴露TSVTSV结构结构设计顾问设计顾问磨削厚度磨削厚度抛光厚度抛光厚度刻蚀厚度刻蚀厚度厚度比厚度比参数优化参数优化指导试验指导试验晶圆晶圆表表 部分部分TSV填孔方法比较填孔方法比较填孔材料填孔材料铜铜钨钨多晶硅多晶硅沉积方法沉积方法电镀电镀印刷印刷CVDLPCVD优点优点电阻低电阻低热性能好热性能好电阻低电阻低成本低成本
12、低无需种子层无需种子层缺点缺点电镀时间长电镀时间长成本高成本高电迁徙可靠电迁徙可靠性性很难填充深孔很难填充深孔电阻大电阻大热性能不好热性能不好拥有知识拥有知识产权的公产权的公司和研究司和研究机构机构Intel，IBM,TI,ST,Toshiba，Samsung等等MIT,IBM,IZM,Infenion，Philips等等Leti,NEC,OKI,Elpida,东北大东北大学等学等表 三种芯片/晶圆的键合方法比较堆叠方法 工艺变动弹性良品率产量制造成本晶圆/晶圆低低高高芯片/晶圆中中中中芯片/芯片高高低低q芯片/晶圆键合方法-利用固液扩散低温键合。Cu-Sn、Au-Sn、Ni-Sn 基于脉冲激
13、光的芯片/晶圆键合方法q芯片/晶圆键合方法-利用脉冲激光在TSV结构间形成一层金属化合物，把芯片/晶圆键合在一起。该方法具有工艺简单、成本低、产量高和可靠性好等优点。脉冲激光源脉冲激光源脉冲激光脉冲激光堆叠芯片堆叠芯片高分子高分子硅通孔硅通孔夹具夹具晶圆晶圆/芯片芯片晶圆晶圆绝缘层绝缘层粘接层粘接层金属金属1 1金属金属2 2高分子材料高分子材料脉冲激光脉冲激光新型新型存储模组存储模组:优良的电学性能优良的电学性能-ASIC、DRAM 和和 Flash间的电互连间的电互连缩短至少两倍缩短至少两倍以上，电性能以上，电性能(比如内存的读写速度比如内存的读写速度)将会被大大地提高。将会被大大地提高。
14、超小的总体尺寸超小的总体尺寸-没有没有金线键合金线键合、晶圆、晶圆厚度减薄厚度减薄、没有衬垫没有衬垫，可缩小，可缩小封封装的总体尺寸至少装的总体尺寸至少50%，而内存的容量还会增加至少一倍。，而内存的容量还会增加至少一倍。多功能三维集成系统多功能三维集成系统-可以三维集成可以三维集成ASIC、DRAM和和Flash芯片而形芯片而形成一个独立系统模组。成一个独立系统模组。混混合合连连接接技技术术-利利用用侧侧面面基基板板连连接接所所有有芯芯片片的的非非共共用用信信号号，利利用用TSV连连接接所所有有的的共用信号共用信号。不不同同芯芯片片尺尺寸寸失失配配补补偿偿技技术术-把把芯芯片片放放置置在在晶
15、晶圆圆载载体体上上，利利用用高高分分子子材材料料补补偿偿芯芯片片尺尺寸寸的的大大小小，利利用用重重新新分布层分布层建立互连。建立互连。利用TSV技术三维堆叠的多功能静态芯片组 对称的封装结构对称的封装结构-硅硅中介层帮助屏蔽中介层帮助屏蔽RF和和ASIC芯片间可能的电磁干扰；封芯片间可能的电磁干扰；封装总体对称，没有明显的热装总体对称，没有明显的热失配问题，具有很好的可靠失配问题，具有很好的可靠性。性。不同芯片尺寸失配补偿技不同芯片尺寸失配补偿技术术-可以用补偿可以用补偿技术技术制作制作出尺寸一致的芯片。出尺寸一致的芯片。新型新型胎压监测模块胎压监测模块:超小的总体尺寸超小的总体尺寸-因为因为
16、 ASIC 和和 MEMS 芯片被三维集成在一起，没芯片被三维集成在一起，没有金线键合，封装的总体尺寸会被大幅度地减小。有金线键合，封装的总体尺寸会被大幅度地减小。优良的电学和动态特性优良的电学和动态特性-ASIC、RF 和和 MEMS 芯片直接互连，大幅芯片直接互连，大幅度地提高信号传输速度，降低功耗，也提高了度地提高信号传输速度，降低功耗，也提高了MEMS的动态特性。的动态特性。多功能系统多功能系统-因为因为 ASIC、MEMS 和和 RF 芯片被有机地集成为一个芯片被有机地集成为一个整体，该系统可以完整地实现动作的感知和控制、信号的处理和发送。整体，该系统可以完整地实现动作的感知和控制、信号的处理和发送。利用TSV技术三维堆叠的多功能静/动态芯片组