光刻和晶圆级键合技术在3D互连中的研究

《光刻和晶圆级键合技术在3D互连中的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、光刻和晶圆级键合技术在3D互连中的研究作者：MargareteZoberbier、ErwinHell、KathyCook、MarcHennemayer、Dr.-Ing.BarbaraNeubert，SUSSMicroTec日益增长的消费类电子产品市场正在推动当今半导体技术的不断创新发展。各种应用对增加集成度、降低功耗和减小外形因数的要求不断提高，促使众多结合了不同技术的新结构应运而生，从而又催生出诸多不同的封装方法，因此可在最小的空间内封装最多的功能。正因如此，三维集成被认为是下一代的封装方案。本文将探讨与三维互连技术相关的一些光刻挑战。还

2、将讨论三维封装使用的晶圆键合技术、所面临的各种挑战、有效的解决方案及未来发展趋势。多种多样的三维封装技术为了适应更小引脚、更短互连和更高性能的要求，目前已开发出系统封装（SiP）、系统芯片（SoC）和封装系统（SoP）等许多不同的三维封装方案。SiP即“单封装系统”，它是在一个IC封装中装有多个引线键合或倒装芯片的多功能系统或子系统。无源元件、SAW/BAW滤波器、预封装IC、接头和微机械部件等其他元件都安装在母板上。这一技术造就了一种外形因数相对较小的堆叠式芯片封装方案。SoC可以将所有不同的功能块，如处理器、嵌入式存储器、逻辑心和模拟电

3、路等以单片集成的方式装在一起。在一块半导体芯片上集成系统设计需要这些功能块来实现。通常，SoC设计与之所取代的多芯片系统相比，它的功耗更小，成本更低，可靠性更高。而且由于系统中需要的封装更少，因而组装成本也会有所降低。SoP采用穿透通孔和高密度布线以实现更高的小型化。它是一种将整个系统安装在一个芯片尺寸封装上的新兴的微电子技术。过去，“系统”往往是一些容纳了数百个元件的笨重的盒子，而SoP可以将系统的计算、通信和消费电子功能全部在一块芯片上完成，从而节约了互连时间，减少了热量的产生。最近穿透硅通孔（TSV）得到迅速发展，已成为三维集成和晶圆

4、级封装（WLP）的关键技术之一。三维TSV已显现出有朝一日取代引线键合技术的潜力，因此它可以使封装尺寸进一步减小，成本进一步降低，这将是最大的技术挑战之一。另外器件的性能也将得到进一步提高。当前，三维TSV技术已成为如存储器堆叠或MEMS结构封装等三维元件集成技术快速发展的关键。将TSV用作主流技术的第一个应用领域就是CMOS图像传感器（CIS）的封装。对CMOS图像传感器而言，WLP的应用已经在业内成为现实。目前已有大约35%的CMOS图像传感器应用于最新的消费类移动电话产品中，笔记本电脑摄像头采用了WL－CSP密封封装，而且这一数字还在

5、不断增长（图1）。图2是形成TSV的典型工艺流程之一。首先，必须形成刻蚀掩膜。这一步骤包括涂层淀积、曝光和掩膜显影。掩膜一旦形成，即可对通孔进行刻蚀和绝缘处理。然后用诸如铜和钨等不同材料完成通孔填充。填充工艺取决于填充材料。直到目前，铜一直是TSV工艺最为常用的填充材料，但其它材料，如钨（W）或Cu3Sn合金也有使用。 曝光与显影用光刻胶对通孔开口处进行光刻处理看上去可以直接进行，然而随后要完成的工艺步骤却各不相同，通孔的尺寸也大小不一，因而光刻胶的曝光和显影条件就必须区别对待，而且各自都需要一套相应的优化参数。采用1倍全场光刻法即可轻易地

6、以成本效益很高的手段制作出典型尺寸小至5μm的通孔（图3）。300mm衬底上接近式曝光的最新分辨率极限水平约为3μm。但对通孔开口进行严密的CD控制需要十分精确的间隔调整设置、极佳的光均匀度和良好的曝光剂量控制等。所有这些因素均会影响到最终的曝光结果，因此就需要精确的控制。就上述实验而言，需要采用具有不同通孔直径的典型的通孔测试掩膜。SUSSMA300Gen2掩膜对准仪的平均强度约为90mW/cm2（宽带），照在整个300mm晶圆上的光均匀度在3%以下。晶圆的曝光都采用了20μm的曝光间隔。图3给出了采用AZ1505对3μm直径通孔进行曝光

7、和显影的结果。显影工艺采用一种含水的显影试剂同样也在装配有双头喷雾涂胶系统的ACS300Gen2设备上完成。这种设备上的双头喷雾涂胶装置和水套冷却喷管可以依据不同的使用点对温度进行调节控制，因此可缩短工艺时间并将材料的消耗降至最低程度。为了最大限度地优化细雾工艺的均匀度，变速机械臂会不停地在整个晶圆范围内移动。AZ4110和AZ9260的显影都采用1:4AZ400K和去离子水稀释溶液。而AZ1505的显影则采用TMAH基AZ726MIF试剂。通孔不断小型化的发展趋势也需要精确的涂复层显影结果。掩膜对准仪的整体对准性能及其偏差效应是影响涂复层

8、喷涂结果的两个主要的因素。除了对准精度需要使设备达到极佳的性能之外，掩膜和晶圆温度控制对于在300mm晶圆上获得最佳的涂复层结果也十分关键。MA300Gen2采用一种温度控制曝光