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TSV研发起步 未来命系成本和工艺路线

因为制程微缩和低介电值材料的限制,3D堆叠技术被视为能否以较小尺寸制造高效能芯片的关键,而硅通孔(TSV)可通过垂直导通整合晶圆堆叠的方式,达到芯片间的电路互连,有助于以更低的成本,提高系统的整合度与效能,是实现集成电路3D化的重要途径。目前,各大半导体厂商均已将TSV纳入技术蓝图,TSV应用开始起步。未来,TSV的应用将取决于制造成本的进一步降低,以及业界对TSV发展途径的认识统一。

TSV应用起步

TSV目前的应用主要集中在两个方面:一是网络大数据,二是内存制造领域。

TSV技术是半导体集成电路产业迈向3D时代的关键技术。它允许半导体裸片和晶圆以较高的密度互连在一起,将传统的芯片之间引线连接的方式彻底改变,通过在芯片晶圆上开凿微型导孔来实现上下的导通。尽管3D封装可以通过引线键合、倒装(Flip Chip)凸点等各种通路键合技术实现,但TSV技术依然是集成度最高、应用前景最广的方案。

随着各大半导体厂商陆续将TSV立体堆叠纳入技术蓝图,目前TSV应用市场已经开始启动,业界对未来TSV的应用前景十分看好。采访中,长电科技副总经理梁新夫告诉《中国电子报》记者:“TSV目前的应用主要集中在两个方面:一是网络大数据,这个领域对芯片性能要求很高,对价格也不是很敏感;二是内存制造领域,这个领域不断追求更大的存储容量。

市调机构Yole Developpement先进封装部市场暨技术分析师Lionel Cadix指出,3D IC通常使用TSV技术来堆栈内存和逻辑IC,预计此类组件将快速成长;预计到2017年应用TSV封装的3D IC或3D-WLCSP平台的产品产值可望增长到400亿美元,占整个半导体市场的9%%。

推进低成本方案是关键

相比其他解决方案成本更高,是阻碍TSV发展和实际应用的主因之一。

TSV虽然已经得到部分应用,无可否认仍然存在诸多不完善之处,这包括制造成本的降低、技术工艺的完善以及业界对其发展路径认识的统一。

“目前,采用TSV技术的相关成本仍要比其他解决方案更高。”梁新夫表示。这是阻碍TSV发展和实际应用的主因之一。

“TSV现在大家都在努力发展一些低成本的方案,把整个产品的成本降下来。长电实际上已经进行了相关技术的布局,同时推出一些产品。TSV有几种不同的类型,既有应用于主芯片的高密度产品,也有应用于某些特殊领域的芯片,如手机照相机模组、部分传感器等。这些领域的芯片可以通过非高密TSV技术加以实现,成本又可以承受。”梁新夫进一步告诉记者。

深孔难题逐步解决

TSV的结构深度是目前主要挑战,3D堆叠设备需要将大于10∶1深宽比的互连结构用铜进行金属化。

工艺制程也是制约TSV成熟和应用的重要因素。“最佳的TSV技术必须能够满足轮廓控制,同时又需要在工艺能力上具备灵活性,能够处理300mm晶圆,具有工艺的重复性、实用性、可靠性。最后还必须满足IC市场所要求的最好的性价比。”应用材料公司中国区事业部资深技术总监赵甘鸣指出。

刻蚀工艺是TSV的关键。尽管TSV制程的集成方式非常多,但都面临一个共同的难题。大多数情况下TSV制作都需要打通不同材料层,包括硅材料,IC中有各种绝缘或导电的薄膜层,刻蚀工艺是关键。

TSV结构的深度则是目前工艺技术中的重要挑战。集成3D堆叠设备需要将大于10∶1深宽比的TSV互连结构用铜进行金属化。孔隙加深有可能造成覆盖效果不佳而造成空洞,而实现无空洞填充又需要较厚的薄膜。只有低成本、可靠的孔隙填充才能实现TSV量产。

不过,这些问题正在逐步得到解决。比如,日前应用材料公司推出的Endura Ventura PVD系统能够完成连续薄屏障层和种子层的硅通孔沉积,沉积出高质量连续的铜种子层,从而打造出性能可靠的硅通孔。更薄的薄膜可带来更卓越的覆盖效果,进一步提高成品率,降低制造成本。

赵甘鸣表示,过去18个月该设备的出货量已经超过30台。

亟须达成路线共识

对于TSV工艺开发,目前最需要的是业界尽早就最佳工艺集成方案达成共识。

TSV与常规封装技术有一个明显的不同点,TSV制作可以集成到制造工艺的不同阶段。在晶圆制造COMS或BEOL步骤之前可完成硅通孔,也即通常被称作Via-first,此时TSV制作可以在Fab厂前端金属互连之前进行,实现core-to-core的连接。该方案目前在微处理器等高性能器件领域研究较多,主要作为SoC的替代方案。

此外,TSV也可放在封装阶段生产,通常被称作Via-last。该方案的明显优势是可以不改变现有集成电路流程和设计。目前,部分厂商已开始在高端的Flash和DRAM领域采用Via-last技术即在芯片的周边进行通孔,然后进行芯片或晶圆的层叠。“除此之外,目前还有进行中道封装的提法。”南通富士通总经理石磊表示。

“我们的态度是积极布局和参与TSV技术研发。现在业界还处在讨论之中,到底是前道走还是后道走,或者是中道走,没有统一的认识。只有产业界对不同的器件达成共识才能协同做成这件事情。我们现在能做的是先进行技术储备,预先完成一些技术的开发。TSV成熟与应用关键就要看应用领域的牵引以及前后道的配合。”石磊认为。

对工艺路线认识的不一致,无疑滞后了TSV技术的成熟与应用。Via-First工艺的设计需要在IC设计阶段进行,对关键尺寸控制的要求与Via-last制程不同。对于TSV工艺开发,目前最需要的是业界尽早就最佳工艺集成方案达成共识。正是因为业界未能达成共识,目前硅通孔技术可以说还处于开发的早期阶段。



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