电子电路布线与构装1月作

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1、電子電路佈線與構裝1月作業通訊四甲B09622027李忠憲TSV製程技術整合分析InternationalSEMATECH(ISMT)於公元2005年開始，將三維導線互連技術(3DInterconnects)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(HeterogeneousI

2、ntegrationofDifferentICs)，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(AreaArray)之構裝方式，則可提高垂直導線之連接密度。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(ViaFormation)、導孔的填充(ViaFilling)、晶圓接合(WaferBonding)、及各種TSV整合技術(ViaFist,ViaLast)等。

3、導孔的形成(ViaFormation)TSV導孔的形成可使用Bosch深反應性離子蝕刻(BoschDeepReactiveIonEtching;BoschDRIE)、低温型深反應性離子蝕刻(CryogenicDRIE)、雷射鑽孔(LaserDrilling)，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

4、為102到105Vias/Chip雷射鑽孔(LaserDrill)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(ActiveDevices)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(BoschDRIE)使用BoschDRIE會快速轉換SF6電漿蝕刻與聚合

5、物氣體(C4F8)表面鈍化兩道步驟，在聚合物沉積與低RFBias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。BoschDRIE所形成TSV的導孔側壁(ViaSidewall)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BoschDRIE製程步驟與其所形成TSV導孔之SEM照片。圖一：BoschDRIE製程步驟及其所形成TSV導孔之SEM照片。導孔的填充(ViaFilling)當TSV導孔形成後，接著

6、進行绝緣層(InsulationLayer)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(ThermalCVD)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(NitrideLayer)。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(CopperEl

7、ectroplating)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(3ppm/℃)與銅熱膨脹係數(16ppm/℃)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-MechanicalStress)，進而導致內部介電層(InternalDielectricLayer)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

8、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