TSV,何去何从?

类别:业界动态  出处:网络整理  发布于:2025-01-07 10:10:27 | 342 次阅读

  从用于 MEMS 的大型 TSV 到用于背面电力输送的纳米 TSV,这些互连的经济高效的工艺流程对于使 2.5D 和 3D 封装更加可行至关重要。
  硅通孔 (TSV) 可缩短互连长度,从而降低芯片功耗和延迟,以更快地将信号从一个设备传输到另一个设备或在一个设备内传输。先进的封装技术可在更薄、更小的模块中实现所有这些功能,适用于移动、AR/VR、生物医学和可穿戴设备市场。
  TSV 广为人知的用途或许是在高带宽内存中,与 DDR5 内存相比,DRAM 芯片堆叠越来越高,能够以更小的体积和更低的功耗更快地传输数据。TSV 初用于 CMOS 图像传感器,但它们也支持与微机电系统 (MEMS)、RF 系统和新兴的逻辑器件背面电源方法的逻辑集成,该方法通过薄硅基板将电源连接到正面 CMOS 晶体管。TSV 的尺寸因应用而异,CMOS 图像传感器的 TSV 尺寸为几十到几百微米,硅中介层为几十微米,背面电源传输的 TSV 尺寸为 5nm 以下。
  图 1:TSV 的尺寸范围从 ?m 到 nm 直径,深度范围也很广。来源:imec
  尽管 TSV 的制造已有数十年历史,但这些工艺流程的高成本限制了 TSV 在现有应用之外的广泛普及。随着通孔变得越来越窄、越来越深,制造成本也随之增加,因为更深的沟槽需要更长的时间来蚀刻,连续衬垫和阻挡金属更难沉积,而且必须更地控制镀铜以确保可靠的连接。因此,设备和材料供应商非常注重为各种应用生产一致、可靠的 TSV,同时降低成本。
  一个关键的工艺考虑因素是 TSV 对周围区域施加的机械应力和热应力。通孔的纵横比(特征深度与直径之比)越大,制造工艺对周围硅片产生的拉伸应力就越大,这会影响载流子迁移率,进而影响晶体管的开关速度。这就是工程师们谈论所谓的“禁入区”的原因,禁入区是周围必须没有任何有源电路的区域。不幸的是,随着 I/O 数量的增加和 TSV 之间的间距越来越小,所需的禁入区不断缩小。在某种程度上,芯片布局正在从系统级优化 TSV 布局(系统级协同优化),以便更有效地利用宝贵的硅片空间。工程师们也在探索 TSV 邻近效应的原因,这有助于限度地缩小这个缓冲区的大小。
  Ansys产品营销总监 Marc Swinnen 表示:“中介层由硅制成,而 TSV 则用铜填充,因此 TSV 和中介层之间存在不同的膨胀。这意味着 TSV 的分布将决定物体的弯曲程度。理想情况下,您希望将这些 TSV 分布在一个完美的网格中,以便应力均匀地分散到各处,但 TSV 的放置方式并非如此。它们的放置是为了实现连接,这意味着您拥有 TSV 集群,然后是一些空隙。因此,TSV 分布将导致各处应力不对称。”
  为了测试紧密排列的 TSV 是否会产生影响长期可靠性的应力,索尼的 Masaki Haneda 及其同事近测量了三晶圆堆叠中的 TSV 邻近效应,这些堆叠中的 TSV 间距为 6?m,铜-铜混合键合连接为 1?m。研究人员表示:“特别是要以更密集和更精细的间距布局 TSV,了解 TSV 邻近效应对于限度地减少器件放置的禁入区非常重要。”他们将硅阱电阻放置在靠近第二晶圆上的 TSV 处,因为电阻对硅 TSV 邻近效应很敏感。在这种情况下,在测试了 TSV 中氧化物的应力诱导空洞和时间相关电介质击穿 (TDDB) 后,确保了高可靠性。
  TSV 对可靠性问题的敏感性很大程度上归因于工艺问题。与体积小得多的 BEOL 铜互连类似物一样,TSV 制造所涉及的所有步骤都依赖于之前工艺的良好结果。“填充不良的 TSV,例如填充不足或填充有空隙的通孔,会导致产量损失,” Lam Research先进封装技术总监 CheePing Lee 表示。“填充不良是一个具有挑战性的问题,可以归因于多种因素,例如传入晶圆质量差(电镀前种子覆盖不连续),或电镀设备或化学问题。”
关键词:TSV

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