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TSV製程技術整合分析

 作者:詹印豐、顏錫鴻、許明哲 / 弘塑科技公司  日期:2010/5/6   來源:半導體科技    

International SEMATECH (ISMT)於公元2005年開始,將三維導線互連技術(3D Interconnects)列為首要挑戰性技術之排名榜上。發展TSV技術之主要驅動力在於導線長度之縮短,以提升訊號與電力之傳輸速度,在晶片微縮趨勢下,這些都是最具關鍵性之性能因素。TSV製程技術可將晶片或晶圓進行垂直堆疊,使導線連接長度縮短到等於晶片厚度,目前導線連接長度已減低到70μm。而且可將異質元件進行整合(Heterogeneous Integration of Different ICs),例如將記憶體堆疊於處理器上方,由於TSV垂直導線連接可減低寄生效應(Parasitic) (例如:雜散電容、藕合電感或電阻洩露等),可提供高速與低損耗之記憶體與處理器界面。如果搭配面積矩陣(Area Array)之構裝方式,則可提高垂直導線之連接密度。本文將根據最近所發表之相關文獻[1~16],針對TSV主要關鍵製程技術進行系統性探討,內容包括:導孔的形成(Via Formation)、導孔的填充(Via Filling)、晶圓接合(Wafer Bonding)、及各種TSV整合技術(Via Fist, Via Last)等。

導孔的形成(Via Formation)

TSV導孔的形成可使用Bosch深反應性離子蝕刻(Bosch Deep Reactive Ion Etching; Bosch DRIE)、低温型深反應性離子蝕刻(Cryogenic DRIE)、雷射鑽孔(Laser Drilling),或各種濕式蝕刻(等向性及非等向性蝕刻)技術。在導孔形成製程上特別要求其輪廓尺寸之一致性,以及導孔不能有殘渣存在,並且導孔的形成必須能夠達到相當高的速度需求。導孔(Via)規格則根據應用領域的不同而定,其直徑範圍為5~100um,深度範圍為10~100um,導孔密度為102到105 Vias / Chip。

   雷射鑽孔(Laser Drill)
雷射鑽孔技術起源於1980年代中期,由於雷射鑽孔對於矽會有溶解現像,所以會產生飛濺的矽殘渣。使用雷射鑽孔來形成TSV導孔時,兩個主動元件(Active Devices)之間最小必須保持2μm的距離,以防止元件特性受到影響。針對直徑小於25μm的導孔,則很難採用雷射鑽孔來形成TSV導孔。一般雷射鑽孔所形成導孔側壁(Sidewall)的斜率為1.3°到1.6°。

   Bosch深反應性離子蝕刻(Bosch DRIE)
使用Bosch DRIE會快速轉換SF6電漿蝕刻與聚合物氣體(C4F8)表面鈍化兩道步驟,在聚合物沉積與低RF Bias電壓條件下,其蝕刻對於光阻的選擇比很高,在一些情況下蝕刻選擇比甚至可高達100 : 1。Bosch DRIE所形成TSV的導孔側壁(Via Sidewall)非常平直,由於交替變換蝕刻(Etching)和鈍化(Passivation)兩道步驟,所以可確保導孔側壁幾乎呈平直狀態,圖1為Bosch DRIE製程步驟與其所形成TSV導孔之SEM照片。


圖一:Bosch DRIE製程步驟及其所形成TSV導孔之SEM照片。

   低温型深反應性離子蝕刻(Cryogenic DRIE)
低温型深反應性離子蝕刻(Cryogenic DRIE)與一般DRIE相似,主要不同點是Cryogenic DRIE將晶圓冷卻到極低的溫度(-110℃),使離子在尚未撞擊到晶圓表面時,先大大降低其離子的遷移率。如此可避免離子蝕刻到導孔的側壁(Sidewall)。此外,Cryogenic DRIE之非等向蝕刻(Anisotropic Etching)特性與溫度有關,所以在執行上需要一套強而有力的冷卻系統(Cooling System),通常會進行許多冷卻步驟,以確保能夠消除蝕刻製程所產生的熱量,而不致影響到非等向蝕刻之性質。

導孔的填充(Via Filling)

當TSV導孔形成後,接著進行绝緣層(Insulation Layer)沉積,以作為矽和導體間的绝緣材料。沉積绝緣層的方式,包括:熱化學氣相沉積(Thermal CVD) 法、使用Silane和Tetra-Ethoxysilane (TEOS)氧化物之電漿輔助化學氣相沉積(PE-CVD) 法,以及使用低壓化學氣相沉積(LP-CVD)法來沉積氮化物層(Nitride Layer)。

一旦形成绝緣層後,緊接著進行金屬化沉積,TSV導孔填充的導電材料,則包括:銅(Cu)、鎢(W)和多晶矽(Polysilicon)等。其中,銅具有優良導電率,電鍍銅(Copper Electroplating)可作為TSV導孔之充填。如果TSV導孔深度較淺時,電鍍銅可完全充填導孔。然而,當TSV導孔之深度較深時,由於矽熱膨脹係數( 3 ppm /℃)與銅熱膨脹係數( 16 ppm /℃)相差極大,使用電鍍銅作導孔完全充填時,會產生熱機械應力(Thermo-Mechanical Stress),進而導致內部介電層(Internal Dielectric Layer)與矽基材產生裂縫(Crack)。

此外,在TSV導孔側壁(Sidewall)沉積絕緣層薄膜會有高電容產生,進而影響電性。針對大直徑TSV導孔,由於使用電鍍作充填之速度太慢,圖二為比利時IMEC改採用厚度為2~5μm聚合物(Polymer)絕緣層來填補電鍍銅充填導孔所剩下的體積。由於厚度較厚之聚合物絕緣層為低介電材料,可以解決一般絕緣層薄膜之高電容問題。使用聚合物絕緣層可減少導孔內銅的比例,進而降低矽與銅因熱膨脹係數差距大所產生的熱機械應力,而且此聚合物薄膜製程與晶圓後段導線製程,彼此具有相容性[3]。


圖二:IMEC採用厚度為2~5μm聚合物絕緣層,來填補電鍍銅充填導孔所剩下的體積[3]。

鎢(W)與鉬(Mo)也可用來充填TSV導孔,雖然在導電性能上不如銅,但兩者之熱膨脹係數都低於銅(W: 4.5 ppm / ℃; Mo: 4.8 ppm / ℃;Cu: 16 ppm /℃),而且與矽(Si: 3 ppm /℃)較接近。所以使用鎢(W)與鉬(Mo)金屬來進行導孔充填,可減少熱機械應力。圖三為導孔充填這些金屬的各種方法[4],其中物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition; PVD)或濺鍍(Sputtering)可用於較小直徑導孔之填充,但是PVD缺點就是沉積速度慢且覆蓋性不良。

雷射輔助化學氣相沉積(Laser-Assisted Chemical Vapor Deposition),可快速沉積鎢(W)與鉬(Mo)金屬於深導孔內。此外,還有許多不同的金屬-陶瓷複合材料,由於具備較低熱膨脹係數,亦可應用於導孔填充,但針對深寬比大於5之深盲孔,則不易進行導孔充填,必須使用特殊製程以充填此種導孔。

圖三:導孔充填金屬的各種方法[4]。

晶圓接合(Wafer Bonding)

晶圓接合有晶片到晶圓(Die to Wafer)、晶片到晶片(Die to Die)、或晶圓到晶圓(Wafer to Wafer)等三種型式。至於晶圓接合方法,包括:(1)氧化物融熔接合(Oxide Fusion Bonding)、(2)金屬-金屬接合(Metal-Metal Bonding)、(3)聚合物黏着接合(Polymer Adhesive Bonding)。其中,金屬-金屬接合又可分為:金屬融熔接合(Metal Fusion Bonding)和金屬共晶接合 (Metal Eutectic Bonding),例如:銅錫共晶(Cu-Sn Eutectic)等。以下將針對各種接合方法進行詳細探討。

   氧化物接合(Oxide Bonding)
目前已開發出氧化物接合方法,例如:林肯實驗室已開發出氧化物接合技術。首先將預先處理好具有主動元件(Active Device)、第一層級(First-Level )或多層級晶片連接線路(Multilevel on-Chip Interconnections)之晶圓,使用二氧化矽作對準及接合。在欲接合晶圓上使用低壓化學氣相沈積法(LP-CVD),沈積低温氧化物層。然後將表面拋光到粗糙度Ra<0.4nm,而且兩接合面要具備高密度氫氧族(Hydroxyl Groups),以形成良好接合面。將晶圓浸入雙氧水(H2O2)中,以去除污染物,然後在晶圓表面鍍上氫氧族。接著用水洗淨以及在氮氣環境下作晶圓快速旋乾,最後將晶圓中心對準及接合於上層晶圓。一般在較高温度之製程下,其接合界面會形成共價鍵(Covalent Bond),可進而提高結合強度。晶圓接合必需具備原子級平滑界面,以得到較佳結合強度。IBM將氧化物接合應用於3D整合平臺上[6],而且此技術可進一步與晶圓導線連接製程具備相容性。

   金屬-金屬接合(Metal-Metal Bonding)

 銅-錫共晶接合(Cu-Sn Eutectic Bonding):
使用低熔點錫金屬,經由擴散(Diffusion)或焊接熔合(Solder Fusion)方式,以應用於矽晶圓之三維整合製程。藉由銅-錫之間的擴散作用來進行銅導孔之垂直連接,如此可省去晶片背面製作凸塊之額外步驟[7]。ASET已發展出高深寬比節距(Pitch)小於50μm的銅導孔(Cu Via),以錫作為接合之基礎材料。此外,IBM結合銅墊(Cu Pad)及無鉛焊錫電鍍(Lead-Free Solder Plating)技術,亦發展出節距(Pitch)為50μm,而且具備高可靠度之接合技術[5]。

 直接銅-銅結合(Direct Cu-Cu Bonding):
此法可省去製作錫或金凸塊等步驟,以及排除其他與凸塊或金屬間化合物相關之電性和機械可靠度問題,此技術使得3D整合技術與標準晶圓製程更加具有相容性。Reif等人[8]在早期有提出銅熱壓接合的基本研究。根據TEM微結構照片可以觀察在不同晶圓接合及退火步驟下,其界面形態(Interface Morphology)的變化情形。在剛開始進行接合時會引起一些內部擴散作用,但不會完成熔解及晶粒成長。所以在接合後必須進行退火步驟,如此可以促進銅-銅的內部擴散(Inter-diffusion)、晶粒成長(Grain Growth)、再結晶(Re-crystallization)等完整反應步驟,以進而完成整體結晶過程。

根據IBM陳等人之最近研究報告[9],發現晶圓結合時以緩慢溫度梯度上升(6 ℃ /min),會比那些以快速溫度梯度上升(32℃ /min)的晶圓,具有更佳接合品質。同時,他們的研究也表示,在溫度上升之前施以小接合力量,或在接合期間施以向下高接合力量(High Bonding Down-Force),皆可以提高接合強度。增加互連時之接合密度(Interconnect Pattern Density),亦可促進界面接合品質,但與銅接合之尺寸無直接關係。一般而言,如果有少量的銅氧化物存在,就會直接影響到銅對銅的接合品質。當表面先以稀釋的檸檬酸(Dilute Citric Acid)作前處理時,則可得到最高剪力強度,IMEC亦延伸此種接合製程於Pitch只有10μm之超薄矽TSV技術應用上。

   聚合物接合(Polymer Bonding)
聚合物之晶圓接合不需要特殊表面處理,例如:平坦化與過度清洗(Excessive Cleaning)步驟。聚合物接合對於晶圓表面之顆粒污染物較不敏感,一般常使用於晶圓接合的聚合物,則包括:熱塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)及熱固性聚合物(Thermosetting Polymers)兩種。欲接合之兩片晶圓表面,首先旋轉塗佈液態聚合物,然後進行加熱以去除溶劑,以及形成聚合物交鏈作用(Cross-Linking)。然後將兩片晶圓於真空壓力下小心進行對準及接合。接著在真空環境下烘烤,以形成強而可靠的接合界面。聚合物晶圓接合種類,包括:負光阻[10~11]、BCB(Benzocyclobutene) [2, 12~14]、Parylene[6]及Polyimide[7, 15]等,其中BCB具有傑出的晶圓接合能力、抗化學腐蝕性、以及具備良好接合強度。

晶圓接合前進行部份烘烤(Partially Curing),可減少BCB之迴焊(Reflow),並且促進BCB層均勻性,進而避免接合所導致的對位不良[13]。負光阻與Polyimide皆可使用氧電漿(Oxygen Plasma)進行蝕刻,所以非常適合於犧牲性接合層(Sacrificial Bonding),或3D整合平台(例如MEMS應用)之暫時性接合應用上。圖四為使用BCB聚合物,將具有銅-氧化物互連結構之晶圓與玻璃進行接合,然後經由研磨、拋光、濕式蝕刻等步驟,以去除矽基板之照片。使用聚合物接合之優點,包括:(1)聚合物接合與IC製程相容、(2)接合溫度低、(3)接合強度較不容易受內層顆粒所影響。然而,在接合與烘烤製程上則容易產生對位不準問題,這是聚合物接合尚待克服之技術瓶頸。


圖四:使用聚合物進行接合之照片[2]。

發展3D系統整合之各種TSV技術

使用TSV技術來發展3D系統整合的方法有許多種,如果以導孔的形成順序來區分,可分為先導孔(Via First)與後導孔(Via Last)兩種製程。其中先導孔(Via First)是指在晶圓後段導線製作(Back End of the Line; BEOL)之前,進行TSV導孔的製作;後導孔(Via Last) 是指在晶圓後段導線製作之後,才進行TSV導孔的製作,表一為兩種製程之比較表。以上只是大體上之區分,根據不同公司、組織、研究單位之發展,這些製程仍有一變化,如表二所示為各家公司之TSV技術的製作流程。

表一:兩種TSV製程比較表[1]。
  

步驟

Via    First

Via    Last

1

製作TSV導孔

製作晶圓後段之導線連接(BEOL)

2

沉積介電層

晶圓黏上晶圓載具進行薄化

3

沉積鈍化層與導孔之導電層充填

晶圓背面製作TSV導孔

4

製作晶圓後段之導線連接(BEOL)

沉積介電層

5

晶圓薄化與TSV接點製作

沉積鈍化層與導孔之導電層充填

6

晶圓背面之導線連接

晶圓背面之導線連接



表二:各公司TSV技術之製程流程[1]。
 

Step No

Via First

Process 1

Via First

Process 2

Via Last Process 1

Via Last

Process 2

Via Last

Process 3

1

Via drilling

Via drilling

Bonding

Thinning

Thinning

2

Via filling

Via filling

Thinning

Bonding

Via drilling

3

Bonding

Thinning

Via drilling

Via drilling

Via filling

4

Thinning

Bonding

Via filling

Via filling

Bonding

Examples

Tessaron

IMEC, ASET, Fraunhofer

RPI

RTI

Infineon















   TSV製程範例
以下將以Tessaron之先導孔(Via First)製程為例子(圖5),進而說明TSV技術之應用發展狀況[16]。首先將兩片晶圓以面對面方式(Face to Face)進行堆疊,採用銅對銅(Copper to Copper)接合作導線垂直互連,此法又稱為超導孔技術(Super Via Technology)。製程中除了使用EVG對準機(Aligner)和接合機(Bonder)之外,大部份製程皆使用傳統微機電(MEMS)製造設備,詳細製程說明如下:

步驟1:首先在晶圓上製作IC元件(Devices)。
步驟2:使用化學機械研磨(CMP)製程,將氧化物(Oxide)進行平坦化。
步驟3:蝕刻介電堆積層(Dielectric Stack)。
步驟4:將矽蝕刻達深度4~9μm。
步驟5:沉積氧化物(Oxide)和氮化物(SiN)層,以作為阻障層(Barrier Layer)及鈍化層(Passivation Layer)。
步驟6及7:製作溝渠(Trench)和導孔(Via),以作為晶圓間之接合(Bonding)使用。
步驟8及9:沉積Ta或TaN阻障層(Barrier Layer),銅晶種層(Copper Seed Layer),接著進行電鍍銅以填充導孔(Via Filling),使用化學機械研磨(CMP)製程,去除多餘之Ta層及銅,此時以完成晶圓後段導線製程(Backend of the Line; BEOL),包括結合鋁與銅導線層。
步驟10:在銅墊上沉積無電鍍金屬層(Electroless Metal Deposition),或去除介電層(Dielectric Layer),以形成晶圓對晶圓(Wafer to Wafer)之接合墊。
步驟11:製作銅對銅(Copper to Copper)之熱擴散接合(Thermal Diffusion Bonding)。
步驟12:使用化學機械研磨(CMP)及研磨(Grinding)方式,將上層晶圓進行薄化(Thinning),並以化學蝕刻法(Chemical Etching)去除12μm厚度的矽。
步驟13:使用PE-CVD沉積氧化物於薄化晶圓之背面,如此可防止上層晶圓因進行整合堆疊另一片晶圓時,所造成矽之污染。
步驟14:進行氧化層蝕刻,以形成溝渠(Trench),接著沉積銅,以作為導線連接之使用。
步驟15:形成銅墊(Copper Pad),以作為上層晶圓進行晶圓堆疊之接合點。


圖五:Tessaron 使用3D TSV整合技術製程之流程圖[16]。

結論
全球正積極研發TSV技術,微電子構裝將朝向3D系統整合。本文已針對TSV製程技術進行介紹,TSV製程雖然具有多種變化,但其關鍵技術可簡單歸納為:導孔的形成(Via Formation)、導孔的填充(Via Filling)、晶圓接合(Wafer Bonding)及晶圓薄化(Wafer Thinning)等四大步驟。在TSV技術發展上,目前仍有許多挑戰有待克服,並且這是一項需要整合各種專業領域的技術。

作者
許明哲 (David Hsu):
弘塑科技公司(Grand Plastic Technology Corporation; GPTC ) 專案經理,畢業於成功大學材料所。E-mail: david_hsu@gptc.com.tw
連絡地址:新竹縣新竹工業區大同路13號。Tel:+886-3-597-2353。
公司網址:  http://www.gptc.com.tw

詹印豐(Jesse Chan): 弘塑科技公司總經理,從臺灣工業技術學院電子系獲得學士學位,並在美國密蘇里州立大學哥倫比亞校區獲得MSEE。

顏錫鴻(Clyde Yen ):弘塑科技公司副總經理,具備半導體設備與材料之市場行銷規劃多年經驗。


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