第四代微电子封装技术-TVS技术及其发展

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第四代微电子封装技术—TVS 技术及其发展

作者：罗艳碧

来源：《科技创新与应用》2014年第07期

摘要：随着微电子制造由二维向三维发展，三维芯片堆叠的封装方式成为发展的必然方向。但是使用传统金线键合的三维电路封装技术不仅会占用大量空间，同时会增加能耗、降低运行速度。因此，可实现芯片直接互联的TSV 技术孕育而生。TSV 技术可以使微电子封装达到最密连接，三维尺寸达到最小；同时TSV 技术降低了连接长度，可有效降低芯片能耗，提高运行速度。在DRAM 芯片制造中使用TSV 技术可以使IC 器件的性能大幅度提高，其中基于TSV 技术开发的混合存储立方体（HMC ）可以使存储器性能提高20倍，而体积和能耗缩小到原有1/10。但由于TSV 技术本身的缺点使其商业化过程步履艰难。而TSV 技术最大的缺点还是在于成本太高。

关键词：微电子封装；TSV ；金属化；键合；DRAM

引言

自1965年“摩尔定律”[1]提出以来，微电子器件的密度几乎沿着“摩尔定律”的预言发展。到了今天，芯片特征尺寸达到22nm ，再想通过降低特征尺寸来提高电路密度不仅会大幅提高成本，还会降低电路的可靠性。为了提高电路密度，延续或超越“摩尔定律”，微电子制造由二维向三维发展成为必然。其方法之一就是将芯片堆叠以后进行封装，由此产生了三维电路封装技术（3D IC packaging）。三维电路封装技术中，芯片电极是通过金线键合的技术来实现电路的导通。如图1a 所示，随着芯片叠层的增加，键合金线将占用大量的空间。同时由于连接的延长使得电路能耗升高、速度降低。因此，业界需要一种方法，能够使得硅芯片在堆叠的同时实现电路的导通，从而避免采用硅芯片以外的线路连接。传统半导体工艺主要是针对硅圆片表明进行加工并形成电路，而要实现硅芯片上下层之间的连接，需要一种能贯通硅芯片的加工工艺，即TSV 技术（图1b ）。早在1958年，半导体的发明人William Shockley，在其专利中就提到过硅通孔的制备方法[2]。而TSV （through-silicon via）工艺的概念在1990年代末才提出，香港应用技术研究院和台湾半导体制造公司于1998年申请相关美国专利[3，4]，而关于TSV 技术最早的论文发表于2000年[5]。相比传统金线键合，TSV 技术不仅能减少金线所占用的平面尺寸，由于减少了金线焊点使得Z 轴方向达到最密连接，三维尺寸达到最小；同时TSV 技术降低了连接长度，可有效降低芯片能耗，提高运行速度。

（a ）金线键合技术（b ）TSV 技术

TSV制造工艺分以下几个步骤，分别是：通孔制造，绝缘层、阻挡层制备，通孔金属化，芯片减薄和键合。总得来说TSV 技术难度远大于传统金线键合技术。