TSVs 創造晶片堆疊新契機

jiming

工研院IEK-ITIS計畫  董鍾明 分析師
# S/ w& I/ ^5 D; h9 E/ |2 ]http://www.itri.org.tw/

傳統針對SiP的廣泛定義為，存在一顆以上晶粒的封裝體，即可稱為SiP。而在封裝體內各晶粒的訊號傳遞連接技術，不外乎透過打線連接(Wire Bonding)，或是覆晶連接(Flip Chip)技術。近二年來廠商研發出新的晶粒連接技術－矽穿孔(Through Silicon Vias; TSVs)，直接透過晶圓穿孔並利用電鍍穿孔，以達到上下晶粒訊號連接的目的。業界泛指利用TSVs連接晶粒的封裝稱為3D IC。
% @# U  K) @# x
3D IC應用關鍵
) V& t7 w; A5 L" a# I3 e+ J
* Y" Q1 {- h8 y( ^  b. ^* u(一) W2W的問題
3D IC的主要目標就是希望可以達到Wafer to Wafer (W2W)的封裝境界，但W2W面臨的首要問題即是良率，以往Chip to Chip (C2C)階段，透過晶圓測試即可將不良之晶粒剔除，再將良裸晶堆疊封裝，但邁入W2W之封裝，將使得整體良率大幅下降。除此之外，W2W也牽涉另一經濟效益問題，由於不同產品在每一片晶圓上所能生產之顆數不同，為了使上下晶粒連接，每片晶圓務必牽就於最小晶粒顆數生產，將墊高廠商的生產成本。
/ `( m. p# T1 _% E
(二) 良率歸屬問題
由於未來3D IC最可能的生產方式，是由晶圓製造廠完成TSVs的製程，接著才由封裝廠完成其他製程。因此，成品完成後之測試，不良品之責任歸屬，將是此一商業模式之下的一大問題。
+ j7 v" @. C) S- \
9 Y, s) q; v  _' }(三) 應用市場

遊客，如果您要查看本帖隱藏內容請回復

tom918273

TSV 帶動封裝產業革命，將成為未來封裝主流
希望能對此有近一步了解，感謝分享

simonliao2009

熱門的題目跟研究方向這真是最熱門的題目跟研究方向  希望可以得到想要的答案

jun0208

最近火熱的話題!又剛好是我們報告所需!感謝大大無私分享!感謝您!

son1213

封裝成本將降低且CP即為FT,目前確實是蠻火熱的,Qualcomm就有幾個這樣的產品

magmaqk

散热以及干扰问题如何解决？很想深入了解TSV

epicsword

對於3d ic來說，tsv的確可以減少連接的距離
9 h5 n- }7 z" @! j摩爾定律可以用此方法延續下去

tk02376

(20100329 16:19:16)諾發系統日前宣佈開發出一套全新先進的銅阻障底層物理氣相沉積(PVD)製程，其將用於新興的貫穿矽晶圓通路(TSV)封裝市場，該製程使用諾發INOVA平台，並搭配特有的中空陰極電磁管(HCM)技術製造出高貼附性的銅底層，相較於傳統PVD方法於TSV的應用，可降低厚度至原有的四分之一，該HCM TSV製程提供卓越的側壁及底部覆蓋，能使後續的TSV電鍍達成無洞填銅。

- D6 Z0 X7 k$ c1 L! k) F% x相對於傳統二維的接腳型晶片封裝技術，貫穿矽晶圓通路(Through Silicon Via-TSV)能夠進行三維堆疊式封裝方式，也就是將多個晶片朝上相互堆疊以形成降低空間阻礙之三維結構。此三維堆疊的晶片與短式含銅之TSV相互連接，因而產生更高的裝置速度以及較低的功耗。對於目前消費類電子產品而言，三維堆疊之TSV提供了更高之功能密度，以及更小的封裝機台佔地面積。

! g' S2 n+ r0 |' K- tTSV的銅互聯是利用傳統的雙鑲嵌式沉積序列的物理氣相沉積銅阻障層，其依循著電化學填銅方式去製造支柱，以使晶片相互連接。與傳統相比，雙鑲嵌式銅互連結構，其TSV圖形極深，在一些情況下最多可至200 微米。此高長寬比結構使適形阻障層的沉積極具挑戰性，在後續的含銅 TSV 填充階段中，無適形阻障層擁有最小的側壁覆蓋力，並且會導致空洞的形成，因而直接影響了裝置的可靠性。傳統的TSV序列已經找到了解決此問題的幾種方法，其中一種方法即是藉由TSV蝕刻製程去放鬆長寬比，以產生非垂直型的側壁，然而這卻增加了後續的物理氣相沉積之階段覆蓋力，它限制了最大可達之封裝密度；而另一種方法是沉積較厚的銅阻障層，期許在TSV功能內能夠達到足夠的側壁覆蓋能力，儘管這會產生較高的耗材成本以及低系統輸送量，也因而導致一個昂貴的製造過程。

tk02376

諾發系統的工程師開發了一種基於 HCM 先進銅屏障種子製程為TSV所應用，其解決了技術上的挑戰和與傳統方法相關聯的高生產成本。創新的技術是基於物理氣相沉積製程腔體內使用專利的環永磁鐵，而產生強的局部電離子場，其可產生一個增強的離子密度於TSV 結構的側壁上。另外，增加這個區域的離子密度，會讓較分散的濺鍍薄膜沉積在結構的側邊，如此可得到一個更為完好的沉積，此完好的沉積過程消除了圓錐側壁的需要，並允許用於 TSV 應用的沉積膜厚度要比典型 PVD 種子層薄四倍。諾發系統的先進種晶製程可以於垂直側壁鍍 2000 A 厚的銅種晶層，填滿在TSV 60 微米深、10: 1 長寬比的架構下，並達到無孔洞的結果。傳統的物理氣相沉積方法需要一個 8000 A 厚的種晶層來獲得相同結果。相對於傳統的物理氣相沉積方法，4倍薄的TSV種晶層使得系統輸送量大幅增加，並減少大於 50%的耗材成本。
0 U# p7 d5 p" A9 [
1 _& c) p" {! Q5 U1 }0 k諾發系統半導體系統產品執行副總裁Dr. Fusen Chen表示：「對於TSV 三維技術在先進的半導體封裝應用上具有相當的信念，我們深相信其可解決技術和生產效率的挑戰。諾發系統新的先進種晶製程解決了TSV整合上對銅的屏障及種晶兩部分的挑戰，並讓結果都導向一個薄、 高適形薄膜，且滿足具有優秀的物理氣相沉積系統輸送量」。

, A2 n3 I* P0 g! r% i關於諾發系統銅阻障底層物理氣相沉積(PVD)技術
對於銅阻障底層之應用，諾發 INOVA NExT PVD系統以專利的中空陰極電磁管(HCM) IONX技術特色，提供高度覆蓋之阻障層與可調變的底層，可延續PVD技術至20奈米及以下。

關於諾發系統
6 I$ b% k3 u  D7 q' F1 L諾發系統是全球半導體產業中領先的先進製程工藝設備供應者。該公司產品支持的創新技術及提供信賴生產力為客戶創造價值。是標準普爾500 (S&P 500)強公司之一，諾發系統的總部設在加州聖荷西，其附屬辦事處遍布全球。欲了解更多信息，請瀏覽www.novellus.com。

chip123

諾發系統發表3-D半導體整合之銅矽穿孔(TSV) 共同研發專案

(20100401 14:49:11)諾發系統日前宣佈與IBM成立共同研究專案，將利用諾發之電鍍銅SABRE與電漿輔助化學氣相沉積VECTOR系統，設計出可製造3-D半導體銅矽穿孔(TSV)之製程，該新製程將可應用於小體積與低耗電的3-D整合產品。

2 `# r, s, m# a  v# g- K5 {使用TSV技術將半導體工業推往3-D整合是一股強烈的趨勢，將多種元件堆疊成類似三明治結構與用銅孔連接所有導電層，此技術增加了電路密度並使最終元件變小，透過每個元件間較短的連接長度，進而增加元件速度與較低的電力消耗，堆疊的結構也允許多種特定功能元件的組合，包含利用非同質性的整合，以符合現今不斷縮小之電子產品的需求，如手機、PDA及筆記型電腦，然而，對於整合TSV到半導體製程，以至於新結構需同時俱有高可靠度與低製造成本上，仍面臨數個重要挑戰。其一是於極深的高長寬比結構之無洞填充時，降低過多的銅沉積或承載，承載厚度會隨著TSV的形態而改變；另一個挑戰則需要低溫沉積介電薄膜的能力，如此一來，在TSV的製造流程中，晶片上熱預算才不至於超過標準。

chip123

諾發系統已發展出一套特殊高效的SABRE Electrofill@ TSV 製程，該製程使用享有專利權的設備，以及電鍍液達到最低過量銅之無洞填充，過多銅可降低75%，容許使用傳統的化學機械硏磨(CMP)代替客製研膜泥漿，此外，SABRE的最佳化TSV電鍍液提供較短的電鍍，因而能有較高的生產率。為了解決低溫介電膜的需求，諾發系統的VECTOR平台搭配著獨創的多站連續沉積結構(MSSD)，使得具有穩定且高良率的TSV製程，在崩潰電壓、漏電行為及晶片間的再現能力，與200度以下介電膜沉積的要求上成為可能。SABRE與VECTOR的應用簡化了TSV的製造流程，並開創了低成本、高效能3-D積體電路的廣範應用，諾發系統與IBM將一起合作評估與研發製程應用於IBM的3-D整合專案。

  c5 |1 g2 l8 n) t7 OIBM半導體研究與研發中心的最傑出工程技術人員Subramanian Iyer博士表示：「早在1990年代中期，從雙方研發最初大量生產的機型開始，諾發系統與IBM在後段銅製程已有長久的合作關係，我們將利用諾發系統在電鍍銅與介電沉積技術的核心競爭力，期待雙方的再次合作」。

# ^/ L& K; |% j+ y諾發系統行銷與客服部執行副總Tim Archer說：「諾發系統非常興奮能與IBM合作研發突破性製程技術。我們的SABRE系統提供卓越、有成本效益的填銅技術於矽穿孔應用，同樣的，我們的VECTOR系統中的MSSD構造，也使得在溫度200度以下穩定介電膜沉積成為可能，這亦成為這些新3-D應用裡的特別需求」。

orcad

感謝分享
...................................

lhwei

It looks like it is a hot topics. Like to know more to catch up with the industrial trend.

jupiterhung

很有興趣的 topic，感謝版大分享。

yalon05

It is so hot .....hot topic makes chip123 more shining.
thanks for share.

Roylo

IBM 真的已經做出來了嗎? 如果是, 那真是太厲害了~~

zhifj86

感谢分享~~~~~~~~~谢谢！

okeyla

回復 1# jiming

3 |5 b% Y2 A# @5 j" ?
) `9 D: M. O, I+ D想深入瞭解一下.

jonshou

謝謝大大的分享,真好有需求.