從平面SoC向3D-IC和先進(jìn)封裝的轉(zhuǎn)變,需要更薄的晶圓,以提高性能、降低功耗,縮短信號(hào)傳輸所需的距離以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)所需的能量。
對(duì)超薄晶圓有需求的市場正在不斷擴(kuò)大。一個(gè)由12個(gè)DRAM芯片和一個(gè)基礎(chǔ)邏輯芯片組成的HBM模塊的總厚度,仍小于一片原生硅晶圓的厚度。在為人工智能應(yīng)用組裝扇出型晶圓級(jí)封裝以及先進(jìn)的2.5D和3D封裝方面,薄晶圓也起著關(guān)鍵作用,而這些人工智能應(yīng)用的增長速度比主流IC要快得多。再加上行業(yè)對(duì)輕薄手機(jī)、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療電子產(chǎn)品的需求,似乎如果沒有可靠地加工薄硅晶圓的能力,現(xiàn)代微電子將難以實(shí)現(xiàn)。
薄硅通孔(TSV)的顯露工藝是一種需要進(jìn)行背面處理的經(jīng)典工藝。Amkor Technology先進(jìn)3D/技術(shù)總監(jiān)Rick Reed表示:“在當(dāng)前的許多應(yīng)用中,引入硅通孔需要非??煽氐臏p薄工藝,而且由于幾乎總是需要進(jìn)行背面處理,這一工藝立即需要用到臨時(shí)鍵合和解鍵合工藝?!?/p>
任何晶圓減薄工藝的第一步都是確定目標(biāo)?!叭绻杵嫌兴^的盲TSV,并且您又不了解晶圓中所有TSV的深度范圍,那么就有可能研磨到其中一些TSV,”Reed解釋道,“由于銅在硅片中擴(kuò)散速度很快,它會(huì)導(dǎo)致漏電。而且它也會(huì)污研磨輪,因此后續(xù)的晶圓上就會(huì)沾上銅?!?/p>
在薄型器件晶圓的減薄和加工過程中,需要做出幾個(gè)關(guān)鍵決策。哪種臨時(shí)鍵合粘合劑與工藝流程最兼容?它能否在包括CMP和高溫沉積等多種工藝過程中,將薄晶圓固定到位,并在加工完成后又能被干凈地去除?哪種載體晶圓最適合該應(yīng)用,是硅晶圓還是玻璃晶圓?在幾種主流的解鍵合工藝中,哪種工藝能夠在加工完成后以合理的成本最好地去除粘合劑?
盡管有載體晶圓(也稱為處理晶圓)提供保護(hù),但超薄晶圓依然脆弱易碎。這使得它們?nèi)菀资艿綋p壞,在減薄過程中以及在隨后的高溫工藝(如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積,PECVD)中出現(xiàn)微碎裂和裂紋。當(dāng)超薄晶圓經(jīng)歷光刻圖案化、PECVD、回流、切割和解鍵合(去除載體)時(shí),損壞是影響良率的最大威脅。此外,由于晶圓之間的翹曲和/或空隙形成,還可能出現(xiàn)其他問題。
晶圓邊緣在斜面處是圓形的,但在減薄后,這一形狀會(huì)發(fā)生變化?!耙虼耍绻銓?duì)設(shè)備晶圓進(jìn)行研磨,通常會(huì)得到一個(gè)非常尖銳的邊緣,在理想情況下基本上只有一個(gè)原子那么薄,”蘇斯公司(Suss)的產(chǎn)品經(jīng)理托馬斯?拉普斯(Thomas Rapps)表示,“它非常脆弱。邊緣碎裂意味著邊緣的一部分會(huì)破裂,也可能引發(fā)貫穿整個(gè)晶圓的裂縫。因此,為了防止這種情況發(fā)生,通常會(huì)進(jìn)行邊緣切割,這也需要使用研磨輪。你要在晶圓邊緣切割出一個(gè)臺(tái)階,這個(gè)臺(tái)階的深度至少要達(dá)到最終晶圓的厚度?!?/p>
除了處理關(guān)鍵的良率問題,芯片制造商還在尋求適合其特定器件類型的解決方案,而設(shè)備可靠性是首要要求。Lam Research產(chǎn)品營銷總監(jiān)Ian Latchford表示:“隨著器件越來越復(fù)雜,應(yīng)用也變得越來越具體??蛻粜枰龋⑶蚁M看味加锌芍貜?fù)的工藝。他們不想要通用的解決方案,而是想要每次都以同樣的方式運(yùn)行且生產(chǎn)率高的解決方案?!?/p>
為了滿足這些需求,業(yè)界正在完善減薄步驟、粘合劑和去除劑的化學(xué)成分,以及臨時(shí)鍵合和解鍵合工藝(見圖1)。粘合劑通常是一種有機(jī)熱固性或熱塑性材料,通過旋涂的方式涂覆在載體晶圓上,而更薄的解鍵合材料通常旋涂在設(shè)備晶圓上。鍵合是在真空熱壓(TCB)或通過紫外線照射來完成的。載體晶圓為設(shè)備晶圓的減薄和加工提供了基礎(chǔ),直到在解鍵合過程中使用去除劑。
圖1:臨時(shí)鍵合(上)和解鍵合(下)的工藝流程。
圖源:Suss
硅與玻璃載體晶圓
業(yè)界既使用玻璃載體晶圓,也使用硅載體晶圓。玻璃成為流行載體的原因之一是,其熱膨脹系數(shù)(CTE)可以設(shè)計(jì)得接近硅的熱膨脹系數(shù),從而確保了它與堆疊結(jié)構(gòu)中其他材料的兼容性。例如,硼硅酸鹽玻璃的CTE接近硅的CTE,在較寬的溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定,并且它可以讓紅外(IR)或紫外(UV)激光穿過其表面,從而激活解鍵合釋放層。
Brewer Science業(yè)務(wù)開發(fā)工程師Hamed Gholami Derami表示:“對(duì)于機(jī)械解鍵合和紅外激光解鍵合,根據(jù)工藝要求,既可以使用硅載體,也可以使用玻璃載體。但對(duì)于紫外激光和光子解鍵合,則必須使用玻璃載體?!?/p>
硅載體晶圓具有吸引力,部分原因在于硅與所有晶圓加工設(shè)備和靜電吸盤都兼容。硅的CTE與硅器件的CTE完全匹配。硅的最后一個(gè)優(yōu)勢是,與玻璃晶圓相比,它能以更低的成本實(shí)現(xiàn)更低的TTV(總厚度變化)。
臨時(shí)鍵合的工作原理
在將一片晶圓臨時(shí)堆疊到另一片晶圓上時(shí),工程師通常會(huì)使用載體晶圓、“膠水”或臨時(shí)鍵合粘合劑,以及便于加工后移除的釋放層。在少數(shù)情況下,單個(gè)粘合劑層即可完成這兩項(xiàng)任務(wù)。重要的是,鍵合和解鍵合機(jī)制協(xié)同工作,使得加工后的材料從載體上釋放后能夠別干凈地移除。
有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以衡量一種粘合劑的優(yōu)劣。它可在低溫下實(shí)現(xiàn)鍵合,同時(shí)又能經(jīng)受高溫加工。它必須通過旋涂的方式在300毫米的表面上均勻沉積,而且還要實(shí)現(xiàn)高度的鍵合均勻性。
但適用于一種應(yīng)用的方法可能不適用于另一種應(yīng)用。Suss的Rapps表示:“主要問題在于,基本上沒有一種適用于所有可能工藝流程的解決方案,而材料選擇最重要的標(biāo)準(zhǔn)是溫度穩(wěn)定性。在臨時(shí)鍵合和去鍵合之間的下游工藝中,最高溫度是多少呢?有很多材料能夠承受高達(dá)250℃的溫度,這是因?yàn)槿绻氵M(jìn)行回流操作,通常不需要高于這個(gè)溫度。但只有少數(shù)材料能夠承受350℃的高溫?!?/p>
旋涂提供了一定程度的工藝靈活性。Rapps表示:“通過旋涂,你可以使材料平整,這樣它也可以嵌入某些特征結(jié)構(gòu)。因此,粘合劑有兩種功能——作為粘合劑,同時(shí)它還能使嵌入的特征結(jié)構(gòu)平整,這些特征結(jié)構(gòu)的表面形貌可能非常低或非常高。因此,在旋涂之后,我們會(huì)烘烤晶圓,然后將進(jìn)行鍵合。而且通常這種材料需要固化以穩(wěn)定鍵合效果,但這確實(shí)要具體看所采用的材料解決方案?!?/p>
晶圓減薄要點(diǎn)
接下來,晶圓將逐步減薄。要將晶圓減薄至100μm以下,需要在研磨、CMP和蝕刻工藝之間實(shí)現(xiàn)微妙的平衡,以滿足TTV的嚴(yán)格規(guī)范,TTV是晶圓上最厚和最薄測量值之間的差值。對(duì)于硅晶圓,通常使用激光干涉儀在晶圓的數(shù)百個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行測量,而TTV是大批量制造中必須保持的晶圓間和批次間的質(zhì)量指標(biāo)。
減薄晶圓有點(diǎn)像打磨木材。先從粗磨開始,然后使用越來越細(xì)的砂紙打磨,以獲得最光滑的最終效果。對(duì)于晶圓,每個(gè)步驟都能提高晶圓表明的均勻性,并降低TTV。
西亞系統(tǒng)公司(scia Systems)的產(chǎn)品與技術(shù)總監(jiān)Matthias Nestler解釋道:“最粗糙的方法是晶圓研磨步驟,這會(huì)使最終的厚度變化范圍達(dá)到幾微米。CMP步驟比晶圓研磨更精確,在這一步驟中,厚度變化可以達(dá)到幾百納米。接下來,通過等離子體蝕刻,厚度變化可以達(dá)到10到100納米。或者,以離子束蝕刻作為最后一步,在最佳情況下,我們可以將晶圓的厚度變化縮小到原來的二十分之一,也就是說,250納米的厚度變化可以減小到25納米,而且如果采用中間帶有測量步驟的兩步式修整工藝,我們還能做得更好?!?/p>
鑒于總厚度變化的重要性,工程師們熱衷于量化減薄和加工過程中的變化因素?!拔覀?cè)诠柰祝═SV)顯露工藝中使用玻璃載體,但即使是能買到最好的玻璃,其晶圓上的TTV也只有1微米,”Amkor的Reed表示,“然后,當(dāng)我們?cè)谏厦嫱可险澈蟿r(shí),這會(huì)增加幾微米的厚度變化。然后,我們的研磨工藝非常均勻,但仍然會(huì)引入大約2微米的TTV?!?/p>
干法蝕刻也會(huì)引入厚度變化,這種變化可能呈徑向分布?!八钥偨Y(jié)下來,大約會(huì)有5微米的厚度變化?!盧eed表示。
確保TSV顯露工藝精確的要點(diǎn)包括:
繪制由博世蝕刻法在硅中確定的TSV深度;
均勻旋涂鍵合粘合膠及解鍵合釋放層,后進(jìn)行烘烤、固化和鍵合;
采用粗磨、中磨和細(xì)磨方式將硅背面研磨至距TSV底部10微米以內(nèi),達(dá)到鏡面效果;
CMP粗磨、中磨、精磨;
利用等離子蝕顯露TSV;
沉積氮化硅薄膜作為拋光終止層;
在TSV頂部沉積厚的二氧化硅層;
再次進(jìn)行CMP以顯露TSV。
另一個(gè)需要密切監(jiān)測的參數(shù)是溫度。“我們現(xiàn)在正在對(duì)CMP工藝的溫度進(jìn)行原位控制,總體來說,這對(duì)CMP工藝有很多好處,”Axus Technology首席執(zhí)行 Dan Trojan說道,“主要的溫度限制因素是由聚氨酯制成的拋光墊的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)超過此溫度時(shí),聚合物會(huì)從液體變?yōu)楣腆w,此時(shí)摩擦力會(huì)大得多,并且很快就會(huì)出現(xiàn)問題。所以我們有一種方法可以在不稀釋研磨液的情況下對(duì)加工墊表面進(jìn)行基本冷卻,這也有助于提高去除率。我們還使用多區(qū)膜載體在晶圓上局部施加不同的壓力,而不是只施加一種壓力?!?/p>
目前,硅中介層最常見的TSV架構(gòu)可能采用直徑11微米、深度110微米的TSV,其中阻擋金屬層和氧化物絕緣層占了1微米的直徑。盡管已經(jīng)證實(shí)能夠制造例如深度55微米、直徑5微米的TSV,但目前業(yè)界似乎仍堅(jiān)持使用更厚、更昂貴的100微米硅中介層。
處理背面和邊緣缺陷
在薄晶圓工藝中,工程師面臨的最常見問題是如何防止缺陷或微裂紋,尤其是在晶圓邊緣。
僅在晶圓邊緣進(jìn)行的選擇性等離子蝕刻有助于去除邊緣缺陷,而選擇性CVD可以鈍化邊緣?!霸?D封裝領(lǐng)域,堆疊的晶圓結(jié)構(gòu)需要一些材料來填充邊緣的間隙,”Lam Research的Latchford表示,“由于CMP過程中產(chǎn)生的邊緣滾降現(xiàn)象,器件制造商在邊緣輪廓方面遇到了很多問題。然后他們必須對(duì)器件晶圓進(jìn)行減薄處理,最終可能會(huì)導(dǎo)致邊緣開裂,這對(duì)良率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以實(shí)際上,我們?cè)诖颂幊练e了幾微米厚的二氧化硅薄膜,以便在鍵合晶圓的工藝流程應(yīng)用中填充間隙。”
等離子蝕刻或離子束蝕刻工藝還可以消除CMP過程中引起的任何缺陷,例如壓表面劃痕、所謂的凹坑(硅晶格中的凹痕)和污漬。
尋找正確的釋放方法
對(duì)于解鍵合工藝,紫外線和紅外線激光燒蝕以及光子解鍵合已成為主要的機(jī)械分離機(jī)制,因?yàn)樗鼈兣c大型薄晶圓格式(300毫米晶圓,50μm厚)兼容,并且與熱滑動(dòng)和化學(xué)浸沒方法相比,能夠在對(duì)器件造成最小損傷的情況下分離晶圓(見圖2)。
圖2:最流行的晶圓解鍵合方法。
圖源:Brewer Science
熱滑動(dòng)解鍵合使用熔點(diǎn)較低的聚合物,即熱塑性塑料,這種聚合物在受熱時(shí)會(huì)流動(dòng),以便于滑動(dòng)和分離。遺憾的是,這種方法與諸如金屬PVD或電介質(zhì)的PECVD等熱工藝不兼容,因?yàn)檫@些熱工藝會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力,可能導(dǎo)致晶圓破裂。熱滑動(dòng)解鍵合還會(huì)使器件受到不必要的更多熱暴露,因?yàn)槠渌怄I合方法可在室溫下進(jìn)行。盡管如此,熱滑動(dòng)解鍵合仍是一種低成本方法,對(duì)于較小且稍厚的襯底來說,仍然是一種有用的選擇。
化學(xué)溶解的工作原理是將鍵合對(duì)浸入溶劑中,穿孔載體晶圓可以幫助加快該過程。溶劑消耗量大和處理量低阻礙了化學(xué)解鍵合方法的廣泛應(yīng)用。
光子解鍵合是一種相對(duì)較新的解鍵合方法,它使用脈沖寬帶光源,通過將光吸收層作為無機(jī)金屬釋放層,來使臨時(shí)鍵合的晶圓對(duì)實(shí)現(xiàn)解鍵合。光子解鍵合的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,與激光燒蝕方法相比,它的成本更低、處理速度更快,并且對(duì)釋放層焦距的變化容忍度較高。這使得它適用于具有一定翹曲或彎曲的鍵合晶圓對(duì)。對(duì)于那些將基板減薄到20μm以下,并使用非常高的下游溫度工藝(在這種工藝中,粘附力和TTV的控制至關(guān)重要)的應(yīng)用,光子解鍵合可能是一種首選的解鍵合方法。
機(jī)械解鍵合(又稱機(jī)械剝離)是將刀片插入晶圓對(duì)之間,以物理方式將它們分離。這種方法要求器件晶圓能夠承受一定的物理應(yīng)力。
激光燒蝕使用紫外線激光(254、308或355nm)或紅外線(1064nm)激光,再配合調(diào)諧到相應(yīng)波長的釋放層,通過吸收照明能量、發(fā)生化學(xué)變化并實(shí)現(xiàn)分離。它是最快的解鍵合方法,每小時(shí)大約可以處理20到30片晶圓,對(duì)晶圓產(chǎn)生的應(yīng)力也很小。但是,可能需要一個(gè)屏蔽層,來減少激光聲波對(duì)器件造成的任何損害。
結(jié)論
晶圓減薄、臨時(shí)鍵合、薄晶圓加工和解鍵合方法,正成為2.5D和3D封裝、晶圓堆疊和晶圓級(jí)扇出型封裝中必不可少的工藝步驟。芯片制造商正在與供應(yīng)商密切合作,選擇合適的粘合劑、釋放材料、鍵合機(jī)、解鍵合方法、研磨、CMP、蝕刻和清潔工藝,從而能夠以高良率和可靠性生產(chǎn)出厚度小于50μm的超薄器件。這需要熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和對(duì)晶圓邊緣的關(guān)注,在運(yùn)用這些關(guān)鍵的薄晶圓工藝時(shí),所有這些要素都是降低潛在缺陷、提高良率所必需的。