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电接枝技术(Electrografting)在3D TSV工艺上扮演重要角色

电接枝技术(Electrografting)在3D TSV工艺上扮演重要角色

来源:
2016/04/27
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3D工艺持续发展的今日,作为堆叠芯片之间的一种电子互连技术,硅通孔(TSV)能为信号提供比传统焊线更短的传输路径。此外,TSV还能实现更多的输入/输出(I/O)。依靠TSV的直径和纵横比,可以实现更高的密度。因此这项技术能用比打线接合更低的功耗来实现性能提升。对3D硅通孔(TSV)来说,金属沉积工艺有什么作用和重要性?aveni首席執行官Bruno Morel表示,金属沉积是成功的TSV性能的关键工艺之一。跟如同平面器件,金属沉积是芯片层内部的“接线”。在芯片堆叠中,金属沉积对形成芯片之间的互连来说非常关键。器件速度和信号完整性与金属沉积的质量直接相关。

TSV中在势垒和晶种步骤中的常规金属沉积工艺使用的是传统的自上而下的沉积工艺,如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或原子层沉积(ALD),这些都依赖于工具在TSV侧壁和底面上共形地分配化学成分的能力。当用来实现高深宽比TSV的金属化时,可能会给传统工艺带来一些挑战。例如,由于反应物到狭窄电路细微结构的输送有限,以及反应物和抑制种类之间的平衡,都可因而造成夹断。如果反应物在更容易进入的电路细微结构顶部能够更快速地累积,那么沉积的薄膜会让宽度变窄,并最终封闭电路细微结构,从而导致空隙。

Morel表示,aveni获得专利的电接枝(eG)技术使用的是超共形薄膜生长,它能产生高质量的薄膜,并让通孔顶两个顶端的夹断(pinch-off)以及由夹断造成的空隙最小化。eG能够在TSV通常有的狭窄、高深宽比的电路细微结构中实现沉积。我们已经在40:1的超窄电路细微结构中沉积出了共形势垒,并且在多个客户现场的工艺记录(POR)也是如此。

此外,与传统技术相比,eG技术只需更少的超覆层(overburden)来用于金属填充。超覆层是为了补充狭窄功能区和宽阔电路细微结构之间的填充率差异而沉积额外的薄膜,它还被称为是负载效应。超覆层能在平坦的区域产生更厚的薄膜,并且需要更多化学机械抛光(CMP)。由于avenieG技术能够由下而上沉积薄膜,并且同时抑制平坦区域的薄膜生长,因此它只需更少的超覆层就能转化为更短的CMP时间以及节省相关成本。

Morel表示,「在aveni,我们有一个完整的特征描述和分析实验室,它使我们能使用各种不同的分析技术来描述我们薄膜的特性。我们用电阻率、附着性、应力、光电子能谱(XPS)、次级离子质谱分析法(SIMS )和扫描式电子显微镜(SEM/透射电子显微镜(TEM)来描述我们薄膜的特征。我们还与客户和研究机构合作,对工艺进行量化,并与其他方法进行比较,并且我们已经收集了大量能展示eG工艺稳定性和可靠性的特征数据。」法国原子能委员会电子与信息技术实验室(CEA-Leti)最近就在新加坡的2015电子封装技术大会上发表一篇论文,该论文比较了用于10:1深宽比TSV的势垒和晶种层的替代工艺。解决方案包括分别用两种不同的共形沉积技术来沉积一个扩散势垒层和一个晶种层。第一种技术是基于金属有机化学气相沉积(MOCVD TiN 工艺,第二种使用的是aveni的铜eG3D晶种层。进行了完整的集成和完全的电学测试,其中eG展现了在300毫米时获得的出色电气结果。

aveni的非酸性工艺仍会使用添加剂,但需要的添加剂要少于传统酸性化学工艺。至于跟ALD相比的速度,ALD的本质是重复采用能够自我限制的前驱体,并用一种缓慢可控的速度来产生高质量的薄膜。Morel表示,考虑到aveni的技术的优雅性和简易性,除了能生产出高质量的薄膜外,aveni认为它的速度要远快于ALDMorel表示,「我们认为与传统的气相工艺相比,eG能实现相当大的成本节约。虽然个体情况可能会不同,但我们的技术不像基于等离子或蒸汽的工艺那样需要真空设备。它是基于湿化学的一种工艺,并且能够与符合行业标准的电化学沉积工具兼容。」

Morel表示,市场上对aveni的技术能力有很高的兴趣,并且已经有众多关键客户与aveni接触。aveniCEA-Leti(在其3D IRT Nanoelec 项目中)和Teledyne DALSA 公司的TSV 过程记录(POR)。此外,aveni还被认可为顶级器件制造和代工客户提供先进互连技术。aveni不断收到的反馈是aveni的技术让未来设备成为可能。aveni能够成功地涂装和填充传统方法无法做到的先进电路细微结构。

aveni主要聚焦于半导体市场以及微电子机械系统(MEMS)和传感器市场的金属化应用,而3D TSV就是其中的一个部分。MEMS/传感器还不是一个主流市场,因此,现有技术的局限就在历史上表明,深宽比超过10:1TSV无法成功进行金属化。Morel表示,「在现实中,avenieG技术能为TSV提供突破性的能力,从而使更大的深宽比(最高40:1)能够融入到MEMS和传感器设计中。这对许多行业会有帮助,比如汽车业。因为汽车从设计到设备能够在消费产品中使用之间有一个相对较长的时间线(数量级为年)。连同我们的3D TSV,我们有能力实现内存和逻辑器件的单镶嵌和双镶嵌高级互连的金属化,而这正是我们的客户不断与我们开展业务的原因。 」

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