TSV-l põhinevad kolmemõõtmelised integreeritud vooluringid

3D -integreeritud vooluahela tehnoloogia põhieesmärk on 2D füüsilise piiri läbimine kiipi vertikaalselt virnastades ja samal ajal vastata suure tihedusega, suure jõudlusega, kõrge töökindluse ja odava hinnaga . põhjalikele nõuetele .

Selle saavutamiseks peab protsess keskenduma kogu (TSV) tehnoloogia kaudu optimeerimisele (TSV) tehnoloogia kaudu, sealhulgas pisikeste läbimõõduliste TSV massiivide kasutamisele kiibipiirkonna minimeerimiseks ja andmeedastuse ribalaiuse suurendamiseks, vähendades samal ajal TSV kõrguse ja parasiitliku võimekuse suurendamiseks, et rahuldada HEP-i ja vähese võimsusega dissitooriumi vajadusi, mis on vajalik, et see oleks vajalik IS-i ja vähese energiatarbega seadmetele {{4}. termodünaamiline ja elektriline stabiilsus ning tagage kolmemõõtmelise integreeritud protsessi ühilduvus esi- ja tagaosa protsessidega (FEOL/BEOL), et vähendada protsessi häireid .

Tüüpiline vask (Cu) TSV tootmisprotsess hõlmab läbi aukude söövitamise, isolatsioonikihi sadestamise, adhesioonikihi ja difusioonbarjääri kihi sadestumise, seemnekihi ettevalmistamise ja elektroplaadiga täidetud vaskmaterjalid ning seejärel vajab räni vahvli hõrenemise, ülitäpse joondamise ja sidumistehnoloogia ühendamine 3-leviline vaheline sektsioon, mis on täielikuks multi-multi-krõpsuks. Ühendamine, tuntud hea kiibi (KGD) sõelumine ja heterogeensed Die virnastamisstrateegiad nõuavad protsessi, mis tasakaalustab jõudlust, saagikust ja kulusid 3D-integreerimistehnoloogia arengu edendamiseks suuremahuliste rakenduste jaoks .

See artikkel tutvustab peamiselt TSV-põhiste 3D-integreeritud vooluahelate asjakohaseid teadmisi, mida kirjeldatakse järgmiselt:

TSV tootmise järjestuse klassifitseerimise ja protsessi omadused

Kolmemõõtmeline integreeritud vooluahela virnastusmeetod

Kolmemõõtmeline integreeritud vooluahela sidumine

TSV tootmise järjestuse klassifitseerimise ja protsessi omadused

Vastavalt TSV asukohale (läbi-Silicon VI) integreeritud vooluahela protsessis võib selle tootmisjärjestuse jagada kolme kategooriasse: esmalt, keskel ja viimase . kaudu on järgmised kolme tüüpi protsesside põhierinevused ja peamised tehnilised punktid:

1. esimesena

Protsessijärjestus: TSV toodetakse enne CMOS-i esiotsa protsessi (FEOL), see tähendab TSV söövitamist, isolatsioonikihi ladestumist ja juhtiv materjali täitmist (näiteks polüsilicon või volfram) täidetakse tühjale räni vahvlile ning seejärel on transistorid ja koosseisus kihid on valmistatud {1 {1} {1 {1 {1} {1} {1} {1} {{1} {{1} {{{1} {{1} {{{1} {{1} {{1} {1 {

Põhiomadused: materjali valik: see peab taluma kõrgeid temperatuure üle 1000 kraadi (näiteks polüsilicon, volfram), et vältida järgnevas CMOS -protsessis TSV struktuuri kahjustusi .

Ühendus: TSV on ühendatud esimese metalli kihiga (M1) läbi volframkorgi ja külgnevat TSV kihti ei saa otse siduda, seetõttu tuleb seda ületada tasapinnalise ühenduskihiga .

Eelised: lihtsustatud protsess (vajadus difusioonbarjääri/seemnekihi järele), hea termiline sobitamine (Polysilicon CTE on räni lähedal), tugi kõrge kuvasuhte TSV (üle 20: 1) .

Piirangud: kõrge vastupidavus (polüsilicon/volframi takistus on palju suurem kui vask), suur TSV läbimõõt (1 ~ 5 μm), piiratud painduvus .

2. keskelProtsess

Protsessijärjestus: TSV toodetakse pärast CMOS-i esiotsa protsessi (FEOL) lõpuleviimist ja tagakülg (BEOL), see tähendab, et TSV sisestatakse pärast transistori tootmist ja TSV sisestatakse enne mitmekihilist ühendatud .

Peamised funktsioonid:

Materjali valik: eelistatakse vase (Cu) täidist, millel on suurepärased elektrilised omadused (madal takistus, madal parasiitne mahtuvus), kuid vase saastumise vältimiseks on vaja keerulist difusioonbarjääri kihti .

Ühendus: TSV on otse ühendatud M1 kihiga, mis tagab kõrge disaini paindlikkuse, kuid nõuab optimeeritud CMP -protsessi (vase eemaldamiseks kõrge selektiivsus kahjustamata volframpistikku) .

Eelised: ühildub standardse CMOS-protsessiga, TSV kuvasuhe on ühtlane, toetab kõrge kihiga metalliühendusi (näiteks MN) ja sobib suure jõudlusega nõuetele .

Piirangud: vase soojuspaisumise (CTE) koefitsient erineb räni omast, mis on lihtne põhjustada termiline pinge . TSV söövitus peab vältima metallkihti ja on palju disainipiiranguid .

3. Viimase kauduProtsess

Protsessijärjestus: TSV toodetakse pärast CMOS-i järeltöötluse lõpetamist (BEOL), mis jaguneb kaheks alamkategooriaks: eelneva ja lõpetamise eel:

Esi- ja tagumise VIA -de sidumine: pärast beoli valmimist valmistatakse TSV ning seejärel on kiip ühendatud ja allapoole suunatud .

Pärast VIA-d

Peamised funktsioonid:

Materjali valik: vask on tavapärase täiteaine materjal, mis toetab TSV otsest sidet (näiteks Cu-Cu kuum pressimine) ja millel on kõrge ühenduse tugevus .

Ühendus: TSV-sid saab otse kihtide vahel ühendada (e . g ., mn kuni mn), kuid tuleb lahendada dielektrilise kihi söövitamise väljakutseid (e {. g {3., madala-K-materjalide külgmine laienemine). {5} {5} {5} {5}

Eelised: TSV on asukohas paindlik, toetab heterogeenset kiibi virnastamist ja sobib suure tihedusega integreerimiseks .

Piirangud: söövitusprotsess on keeruline (peab tungima mitu kihti dielektrilise/räni) ja CMP peab olema ühilduv lõpliku metallkihiga, mis on kulukas .

4. protsessi võrdlus ja valiku alus

Jõudlusprioriteet: keskmine läbi auk (vask TSV) sobib kiirete ja vähese energiatarbega stsenaariumide jaoks; Esiteks läbi (polüsilicon/volfram) sobib kõrge temperatuuriga protsessi ühilduvuseks .

Kulutundlik: vahvli tootjad saavad läbipaigaprotsessi kokkupandada, et vähendada pakendikulusid .. Tagumine auk tuleb kompleksselt söövitada ja kulud on kõrge .

Kujunduse paindlikkus: kesk-VIA toetab kõrghoonete metalliühendusi ja tagumine VIA võimaldab otsest sidumist kihtide vahel, samas kui esimene VIA on piiratud fikseeritud asendiga .

Usaldusväärsus: esimese läbi augu termiline pinge on madal, vase difusiooniprobleem tuleb lahendada keskel läbi augu ja teine ​​läbi auku tuleb optimeerida dielektrilise kihi . söövituskahjustusi . Kolme tüüpi protsesside jaoks on oma eelised ja vajavad oma eelised ning nad peavad olema põhjalikult valitud tootevajaduste järgi {}.

Kolmemõõtmeline integreeritud vooluahela sidumine

3D-integreeritud vooluahelates mõjutab kiibide ja kiibide sidumise virnastamismeetod otseselt ühendamise tihedust, soojuse hajumise jõudlust ja protsessi keerukust ning see jaguneb peamiselt kaheks režiimiks: esikülg (F2F) ja esiosa (F2B) ..

1. ees-näkku (F2F) virnastamine

Struktuurilised omadused: ülemine kiip on libisetud näoga allapoole ja alumise kiibi esiosa on otse ühendatud ja seadme kiht asetatakse üksteise vastas .

Suure tihedusega ühendused: lisaks TSV-dele saab ülemist ja alumist kiipi siduda otse metallist muhke, võimaldades ühenduste arvu ületada TSV piire, lihtsustades protsessi ja parandades usaldusväärsust .

Protsessi paindlikkus: ülemist stantsi saab enne allakäimist siduda ilma sekundaarse ketta tugi vajaduseta .

Peamised piirangud:

Termilised väljakutsed: seadmel on väike kihi vahe ja kõrge kuumutihedus pärast integreerimist, seega tuleb soojuse hajumise kujundust tugevdada .

Piiratud mitmekihiline laiendus: kui virna ületab kahte kihti, tuleb ülemine kiip muuta F2B režiimiks ja metallist muhke ühendamist ei saa pidevalt kasutada .

2. esi--tagasi (F2B) virnastamine

Struktuurilised omadused: ülemine kiip hoitakse ülespoole ja alumine kiip on ühendatud läbi selja ja seadme kihid on järjestatud .

Põhieelised: soojuse äravoolu optimeerimine: Ränisubstraat asub kahe seadme kihi vahel, et suurendada soojuse hajumist .

Mitmekihiline ühilduvus: protsessivoogu saab korduvalt laiendada ja see sobib loomulikult kolme või enama kihiga . virnastamiseks

Peamised piirangud: Protsessi keerukus: ülemine kiip tuleb eelnevalt vedeldada ja ketas tuleb abistada painutamise ja deformatsiooni vältimiseks ..

3. virnastamise meetodi valiku alus

Kahekihiline virnastamine First F2F: maksimeerige metallist põrutuste ühenduste kasutamist, vähendage kulusid ja sujuvad protsessid .

Kohustuslik F2B kolme kihi jaoks ja kõrgemal: tagab protsessi mastaapsuse, kuid seda saab kombineerida hübriidrežiimidega (E . g ., F2F esimese ja viimase kihi jaoks, F2B keskmise kihi jaoks) .

Funktsionaalsed nõuetele suunatud: konkreetsed rakendused (e . g., andurid, optoelektrooniline integreerimine) võivad vajada fikseeritud orientatsiooni ja virnastamismeetod tuleb valida vastavalt funktsionaalsele kujundusele .

F2F on silma paista ühendatud tiheduse ja protsessi lihtsuse korral, muutes selle sobivaks kahekihiliseks virnastamiseks; F2B domineerib keerukates integratsioonides termilise optimeerimise ja mitmekihilise ühilduvuse kaudu, mida saab paindlikult kombineerida jõudluse ja kulude tasakaalustamiseks .

Kolmemõõtmeline integreeritud vooluahela sidumine

3D-integreeritud vooluahelate tootmisel mõjutab sidumismeetodi valik otseselt saagikust, kulude ja protsessi efektiivsust, mis jagunevad peamiselt kolme režiimi: kiip-chip (d2d), kiip-wafer (D2W) ja Wafer-to-Wafer (W2W) ..

CHIP-CHIP (D2D) sidumine

Põhifunktsioonid: Üks kiip on otse ühe kiibiga .

Eelis:

Saagise optimeerimine: ebaõnnestunud kiibid saab enne sideme tagasilükkamist tagasi lükata, et vältida madalat tootlust, mis mõjutab üldist saaki .

Kõrge paindlikkus: kohandage erineva suurusega laastude virnastamisega, et vähendada väikese suurusega laastude raiskamist .

Piirangud:

Madal efektiivsus: aeganõudev kiib-by-chip-side, piiratud joondamisäpsus (tavaliselt 5 ~ 10 μm) . kulutundlik: sobib väikeste partiide või kõrge väärtusega kiipide jaoks, suuremahuline tootmise efektiivsus on ebapiisav .

Chip-to-wafer (D2W) side

Põhifunktsioonid: Üks kiip on seotud täieliku vahvliga .

Eelis:

Parandatud efektiivsus: kiibid on korduvalt seotud pärast vahvli fikseerimist, vähendades laadimisaega .

Saagikontroll: nii vahvleid kui ka laastud saab eelnevalt testida, jättes ebaõnnestumised kulude vähendamiseks .

Piirangud:

Termilise stressirisk: kiibid ja ühendatud kiibid peavad läbima mitu kõrgtemperatuuriga protsessi, mis seab kahtluse alla usaldusväärsuse .

Keeruline protsess: vajalik on kiibi ja vahvli vahelise soojuspaisumise koefitsiendi (CTE) täpne juhtimine .

3. vahvli-wafer (W2W) sidumine

Põhifunktsioonid: Täielike vahvlite ja täielike vahvlite ühekordne sidumine . eelised:

Suurim efektiivsus: täielik vahvli sidumine ühes joonduses, mis sobib masstootmiseks .

Vähem termiline protsess: on vaja ainult ühte kõrgtemperatuuriga protsessi ja soojuspinge oht on madal .

Piirangud:

Saagise risk: ebaõnnestunud kiibide eelnemata jätmine põhjustab üldiste kulude suurenemist madala ühekihilise saagise . tõttu

Suuruse piir: ülemise ja alumise plaadi suurus tuleb rangelt sobitada, vastasel juhul raisatakse piirkond .

4. sidumismeetodi valiku strateegia

D2D rakenduse stsenaariumid: virnastatud laastude saagis kõigub oluliselt, suuruse erinevus on oluline või on vaja kohandatud madala mahuga toodang .

D2W tasakaalustatud valik: tasakaalustatud efektiivsus ja saagikontroll, mis sobib keskmise suurusega tootmiseks ja rangete soojusjuhtimisnõuetega stsenaariumide jaoks .

W2W efektiivsuse prioriteet: kasutatakse ainult siis, kui vahvli suurus on sobitatud ja saagis on väga kõrge (E . g ., suurem või võrdne 99%-ga), mida tavaliselt leidub homogeensetes kiibiväljades (e {. g., mälubüüdid) {6}

Sidumismeetodi valik peaks põhinema kuludel, saagikusel, soojusstabiilsusel ja mõõtmete ühilduvusel . väikese suurusega kiipide või kõrge tootlusega stsenaariumides, W2W võib oluliselt vähendada kulusid . keeruka heterogeense integratsiooni või saagikuse tundlikkuse korral, mis on D2D või D2W paindlikkus veelgi rohkem, mis on veel rohkem kui rohkem kui D2D või D2W paindlikkus, mis on veel üks.