光刻和晶圓級鍵合技術(shù)在3D互連中的研究方案

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1、光刻和晶圓級鍵合技術(shù)在3D互連中的研究作者：MargareteZoberbier、ErwinHell、KathyCook、MarcHennemayer、Dr.-Ing.BarbaraNeubert，SUSSMicroTec日益增長的消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場正在推動(dòng)當(dāng)今半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展。各種應(yīng)用對增加集成度、降低功耗和減小外形因數(shù)的要求不斷提高，促使眾多結(jié)合了不同技術(shù)的新結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，從而又催生出諸多不同的封裝方法，因此可在最小的空間內(nèi)封裝最多的功能。正因如此，三維集成被認(rèn)為是下一代的封裝方案。本文將探討與三維互連技術(shù)相關(guān)的一些光刻挑戰(zhàn)。還將討論三維封裝使用的晶圓鍵合

2、技術(shù)、所面臨的各種挑戰(zhàn)、有效的解決方案及未來發(fā)展趨勢。多種多樣的三維封裝技術(shù)為了適應(yīng)更小引腳、更短互連和更高性能的要求，目前已開發(fā)出系統(tǒng)封裝（SiP）、系統(tǒng)芯片（SoC）和封裝系統(tǒng)（SoP）等許多不同的三維封裝方案。SiP即“單封裝系統(tǒng)”，它是在一個(gè)IC封裝中裝有多個(gè)引線鍵合或倒裝芯片的多功能系統(tǒng)或子系統(tǒng)。無源元件、SAW/BAW濾波器、預(yù)封裝IC、接頭和微機(jī)械部件等其他元件都安裝在母板上。這一技術(shù)造就了一種外形因數(shù)相對較小的堆疊式芯片封裝方案。SoC可以將所有不同的功能塊，如處理器、嵌入式存儲器、邏輯心和模擬電路等以單片集成的方式裝在一起。在一塊半導(dǎo)體芯片上集成系統(tǒng)

3、設(shè)計(jì)需要這些功能塊來實(shí)現(xiàn)。通常，SoC設(shè)計(jì)與之所取代的多芯片系統(tǒng)相比，它的功耗更小，成本更低，可靠性更高。而且由于系統(tǒng)中需要的封裝更少，因而組裝成本也會有所降低。SoP采用穿透通孔和高密度布線以實(shí)現(xiàn)更高的小型化。它是一種將整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)芯片尺寸封裝上的新興的微電子技術(shù)。過去，“系統(tǒng)”往往是一些容納了數(shù)百個(gè)元件的笨重的盒子，而SoP可以將系統(tǒng)的計(jì)算、通信和消費(fèi)電子功能全部在一塊芯片上完成，從而節(jié)約了互連時(shí)間，減少了熱量的產(chǎn)生。最近穿透硅通孔（TSV）得到迅速發(fā)展，已成為三維集成和晶圓級封裝（WLP）的關(guān)鍵技術(shù)之一。三維TSV已顯現(xiàn)出有朝一日取代引線鍵合技術(shù)的潛力，因

4、此它可以使封裝尺寸進(jìn)一步減小，成本進(jìn)一步降低，這將是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。另外器件的性能也將得到進(jìn)一步提高。當(dāng)前，三維TSV技術(shù)已成為如存儲器堆疊或MEMS結(jié)構(gòu)封裝等三維元件集成技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵。將TSV用作主流技術(shù)的第一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域就是CMOS圖像傳感器（CIS）的封裝。對CMOS圖像傳感器而言，WLP的應(yīng)用已經(jīng)在業(yè)內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。目前已有大約35%的CMOS圖像傳感器應(yīng)用于最新的消費(fèi)類移動(dòng)電話產(chǎn)品中，筆記本電腦攝像頭采用了WL－CSP密封封裝，而且這一數(shù)字還在不斷增長（圖1）。圖2是形成TSV的典型工藝流程之一。首先，必須形成刻蝕掩膜。這一步驟包括涂層淀積、曝光和掩膜顯

5、影。掩膜一旦形成，即可對通孔進(jìn)行刻蝕和絕緣處理。然后用諸如銅和鎢等不同材料完成通孔填充。填充工藝取決于填充材料。直到目前，銅一直是TSV工藝最為常用的填充材料，但其它材料，如鎢（W）或Cu3Sn合金也有使用。?曝光與顯影用光刻膠對通孔開口處進(jìn)行光刻處理看上去可以直接進(jìn)行，然而隨后要完成的工藝步驟卻各不相同，通孔的尺寸也大小不一，因而光刻膠的曝光和顯影條件就必須區(qū)別對待，而且各自都需要一套相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)。采用1倍全場光刻法即可輕易地以成本效益很高的手段制作出典型尺寸小至5μm的通孔（圖3）。300mm襯底上接近式曝光的最新分辨率極限水平約為3μm。但對通孔開口進(jìn)行嚴(yán)密的

6、CD控制需要十分精確的間隔調(diào)整設(shè)置、極佳的光均勻度和良好的曝光劑量控制等。所有這些因素均會影響到最終的曝光結(jié)果，因此就需要精確的控制。就上述實(shí)驗(yàn)而言，需要采用具有不同通孔直徑的典型的通孔測試掩膜。SUSSMA300Gen2掩膜對準(zhǔn)儀的平均強(qiáng)度約為90mW/cm2（寬帶），照在整個(gè)300mm晶圓上的光均勻度在3%以下。晶圓的曝光都采用了20μm的曝光間隔。圖3給出了采用AZ1505對3μm直徑通孔進(jìn)行曝光和顯影的結(jié)果。顯影工藝采用一種含水的顯影試劑同樣也在裝配有雙頭噴霧涂膠系統(tǒng)的ACS300Gen2設(shè)備上完成。這種設(shè)備上的雙頭噴霧涂膠裝置和水套冷卻噴管可以依據(jù)不同的使用

7、點(diǎn)對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，因此可縮短工藝時(shí)間并將材料的消耗降至最低程度。為了最大限度地優(yōu)化細(xì)霧工藝的均勻度，變速機(jī)械臂會不停地在整個(gè)晶圓范圍內(nèi)移動(dòng)。AZ4110和AZ9260的顯影都采用1:4AZ400K和去離子水稀釋溶液。而AZ1505的顯影則采用TMAH基AZ726MIF試劑。通孔不斷小型化的發(fā)展趨勢也需要精確的涂復(fù)層顯影結(jié)果。掩膜對準(zhǔn)儀的整體對準(zhǔn)性能及其偏差效應(yīng)是影響涂復(fù)層噴涂結(jié)果的兩個(gè)主要的因素。除了對準(zhǔn)精度需要使設(shè)備達(dá)到極佳的性能之外，掩膜和晶圓溫度控制對于在300mm晶圓上獲得最佳的涂復(fù)層結(jié)果也十分關(guān)鍵。MA300Gen2采用一種溫度控制曝光