文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

無源TSV轉(zhuǎn)接板作為先進封裝的“交通樞紐”，是實現(xiàn)高密度異構(gòu)集成的核心。本文深度解析TSV高深寬比刻蝕與填充工藝，詳盡對比聚合物電鍍與大馬士革法RDL的制備差異，并拆解背面減薄、露銅及CoW組裝全流程，帶你攻克先進互連技術(shù)的制造難題。

無源TSV轉(zhuǎn)接板的制作包含兩個核心環(huán)節(jié)，分別是在無功能硅片上實現(xiàn)TSV（硅通孔）的制備以及RDL（重分布層）的制作。

TSV的制作

TSV的制備工藝流程如圖1所示。該流程首先采用熱氧化法或等離子體增強化學氣相沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD）技術(shù)，在硅基板表面制備SiN/SiO?絕緣層，具體結(jié)構(gòu)可參考圖1。完成光刻膠涂布與TSV光刻工藝后，利用Bosch深反應離子刻蝕（deep reactive ion etch，DRIE）技術(shù)，在硅基板中刻蝕形成高深寬比（10.5）的TSV通孔結(jié)構(gòu)。隨后，通過亞常壓化學氣相沉積（subatmosphere chemical vapor deposition, SACVD）工藝制備SiO?內(nèi)襯層，采用物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）技術(shù)沉積Ta阻擋層與Cu種子層。采用Cu電鍍工藝對TSV通孔結(jié)構(gòu)進行填充，最終形成的盲孔TSV，其頂部開口直徑約為10μm，深度約為105μm，深寬比達到10.5。針對這種高深寬比的通孔結(jié)構(gòu)，采用自下而上的電鍍機制，既能確保TSV通孔的無縫填充，又能使平面區(qū)域的Cu層厚度保持相對較薄。

圖2展示了TSV的SEM截面圖。從圖中可以觀察到，TSV的直徑在底部出現(xiàn)輕微減小，這是刻蝕過程中常見的正?，F(xiàn)象，屬于可預見的工藝特征。平面區(qū)域的Cu層厚度小于5μm，電鍍完成后的退火處理參數(shù)為400℃、持續(xù)30min。最后，通過化學機械拋光（chemical-mechanical polishing，CMP）工藝，去除平面區(qū)域多余的Cu覆蓋層，完成TSV的整體制作。

RDL的制作

通常來說，RDL由介質(zhì)層和金屬導電層兩部分組成，其制備方法至少有兩種。第一種方法是采用聚合物材料制作介質(zhì)層，常用的聚合物包括道康寧公司的聚酰亞胺（polyimide，PI）PWDC1000、陶氏化學公司的苯并環(huán)丁烯（benzocyclobutene，BCB）甲基環(huán)戊烯醇酮4024-40、HD Micro Systems公司的聚噁唑（polybenzo-bisoxazole, PBO）HD-8930以及旭硝子公司的氟化芳香族AL-X2010，金屬層則通過電鍍工藝（如Cu電鍍）制備而成。該方法已被半導體封測代工企業(yè)應用于圓片級（扇入）芯片尺寸封裝、嵌入式晶圓級（扇出）焊球陣列封裝以及（扇出）重分布芯片封裝的RDL制作中。第二種方法是銅大馬士革工藝，該工藝由傳統(tǒng)半導體后道制程改良而來，主要用于制備Cu金屬RDL。相較于第一種方法，銅大馬士革工藝能夠獲得更薄的結(jié)構(gòu)（包括介質(zhì)層和Cu RDL）、更精細的節(jié)距以及更小的線寬和線距。下文將首先詳細介紹聚合物/電鍍銅制備RDL的方法。

RDL的制作：聚合物與電鍍銅及刻蝕方法

在完成圖1和圖2所示的晶圓TSV制作基礎(chǔ)上，采用聚合物制備RDL的工藝流程如圖3所示，具體步驟如下，其中包含了UBM（凸點下金屬化）的制作過程：

1.在晶圓表面旋涂聚合物（如PI或BCB），并進行1h的固化處理，形成厚度為4~7μm的聚合物膜層。

2.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝（對準與曝光）在PI或BCB膜層上定義開口圖形。

3.對PI或BCB膜層進行刻蝕處理。

4.剝離晶圓表面的光刻膠。

5.在整個晶圓表面濺射Ti和Cu薄膜。

6.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝定義RDL的圖形。

7.在光刻膠的開口區(qū)域內(nèi)電鍍Cu，形成RDL金屬線路。

8.剝離光刻膠，露出已電鍍形成的Cu線路。

9.對Ti/Cu薄膜進行刻蝕，完成第一層RDL（RDL1）的制作。

10.重復步驟1~9，完成第二層RDL（RDL2）的制作，以此類推，根據(jù)需求制備多層RDL。

重復步驟1（用于UBM的介質(zhì)層制備）。

11.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝（對準與曝光）在PI或BCB膜層上定義凸點焊盤所需的通孔圖形，且該通孔圖形需覆蓋RDL對應的連接區(qū)域。

12.對PI或BCB膜層進行刻蝕，形成凸點焊盤所需的通孔。

13.剝離光刻膠。

14.在整個晶圓表面濺射Ti和Cu薄膜。

15.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝在凸點焊盤位置定義UBM所需的通孔圖形。

16.電鍍銅柱，作為UBM的核心結(jié)構(gòu)。

17.剝離光刻膠。

18.對Ti/Cu薄膜進行刻蝕，去除多余部分。

19.采用化學鍍鎳/浸金工藝處理，完成UBM的整體制作。

圖4展示了以聚合物（如BCB）作為鈍化層、以電鍍Cu作為金屬層的RDL典型截面圖。從圖中可以看出，鈍化層BCB1和BCB2的厚度為6~7μm，RDL的厚度約為4μm。需要注意的是，對于尺寸較大的圖形，可直接在PI或BCB膜層上進行光刻處理，無需額外涂覆第一次光刻膠，可簡化工藝步驟。

RDL的制作：SiO?與銅大馬士革電鍍及CMP方法

RDL的另一種制備方法是采用銅大馬士革工藝，該工藝在完成圖1和圖2所示的晶圓TSV制作基礎(chǔ)上實施，主要基于半導體后道工藝開發(fā)而成，具體工藝細節(jié)如圖5所示，步驟如下：

1.通過PECVD工藝在晶圓表面制備SiO?層，作為RDL的介質(zhì)層。

2.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝（對準與曝光）在SiO?層上定義通孔圖形。

3.采用反應離子刻蝕（reactive ion etch，RIE）技術(shù)對SiO?層進行刻蝕，形成所需通孔。

4.剝離光刻膠。

5.在整個晶圓表面濺射Ti和Cu薄膜，隨后通過電化學沉積（electrochemical deposition，ECD）工藝沉積Cu，填充通孔并形成金屬層。

6.對Cu層和Ti/Cu薄膜進行化學機械拋光（CMP）處理，完成V01（連接TSV與RDL1的通孔）的制作。

7.重復步驟1，制備第二層SiO?介質(zhì)層。

8.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝定義RDL1的線路圖形。

9.重復步驟3，對SiO?層進行刻蝕，形成RDL1線路的溝槽。

10.重復步驟4，剝離光刻膠。

11.重復步驟5，沉積Cu并填充溝槽。

12.對Cu層和Ti/Cu薄膜進行CMP處理，去除多余金屬，完成RDL1的制作。

13.重復步驟1~6，完成V12（連接RDL1與RDL2的通孔）的制作。

14.重復步驟7~12，完成RDL2及后續(xù)所有附加RDL層的制作。

15.重復步驟1，制備UBM所需的SiO?介質(zhì)層。

16.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝（對準與曝光）在SiO?層上定義凸點焊盤所需的通孔圖形，且該通孔圖形需覆蓋RDL對應的連接區(qū)域。

17.刻蝕SiO?層，形成凸點焊盤所需的通孔。

18.剝離光刻膠。

19.在整個晶圓表面濺射Ti和Cu薄膜。

20.采用光刻膠和掩膜板，通過光刻工藝在凸點焊盤位置定義UBM所需的通孔圖形。

21.電鍍銅柱，作為UBM的核心結(jié)構(gòu)。

剝離光刻膠。

22.對Ti/Cu薄膜進行刻蝕，去除多余部分。

23.采用化學鍍鎳/浸金工藝處理，完成UBM的整體制作。

需要說明的是，RDL也可通過銅雙大馬士革方法制備，具體工藝如圖6所示。圖7展示了采用銅大馬士革技術(shù)制備的RDL截面SEM圖像，其中最小RDL線寬為3μm，RDL1和RDL2的厚度為2.6μm，RDL3的厚度為1.3μm，各RDL層之間的介質(zhì)層厚度為1μm。

關(guān)于銅大馬士革電鍍工藝中接觸式光刻的提示

本文所介紹的RDL采用銅大馬士革工藝制備，在相同分辨率要求下，與步進/掃描式光刻相比，接觸式光刻能夠有效降低工藝成本。由于本工藝中RDL的最小線寬為3μm，因此必須將掩膜板放置在距離300mm晶圓表面（光刻膠層）極近的位置。在實際生產(chǎn)過程中，接觸式光刻掩膜板上的顆?？赡軙诠饪棠z層上形成空洞，進而可能導致V12（連接RDL1與RDL2的通孔）制作過程中出現(xiàn)如圖8所示的短路現(xiàn)象。為避免此類問題，在兩次光刻操作之間，對掩膜板進行清洗處理是十分必要的。若對成本不敏感，采用步進/掃描式光刻也是一種可行的替代方案，可進一步提升光刻精度和工藝穩(wěn)定性。

背面處理及組裝

背面處理與組裝的工藝流程如圖9所示。具體過程為：在完成TSV、RDL、鈍化層和UBM的制作后，通過粘結(jié)劑將轉(zhuǎn)接板晶圓的頂面臨時鍵合至支撐片晶圓上，隨后對轉(zhuǎn)接板晶圓進行背部研磨、硅刻蝕、低溫鈍化以及露銅工藝處理。之后，根據(jù)實際需求，可選擇進行背面RDL制作、UBM制作以及C4晶圓凸點成型。接著，將另一片帶有焊料凸點的支撐片晶圓臨時鍵合至轉(zhuǎn)接板晶圓的背面，并將第一片支撐片晶圓解鍵合。隨后進行芯片-晶圓（chip-on-wafer，CoW）鍵合，并實施底部填充工藝，增強連接可靠性。在完成芯片與轉(zhuǎn)接板晶圓的全部鍵合工作后，將第二片支撐片晶圓解鍵合，將粘結(jié)有芯片的薄轉(zhuǎn)接板晶圓轉(zhuǎn)移至劃片膠上進行分割處理。最后，將粘結(jié)有芯片的單個TSV/RDL轉(zhuǎn)接板通過自然回流焊接工藝連接到封裝基板上，并進行底部填充，完成整個組裝過程。

圖10展示了露銅工藝的詳細過程。在支撐片晶圓臨時鍵合完成后，對轉(zhuǎn)接板晶圓進行背部減薄處理，直至剩余數(shù)微米硅層（靠近TSV位置）時停止；隨后通過干法刻蝕（RIE）技術(shù)將硅層刻蝕至低于TSV數(shù)微米的位置，接著制備SiN/SiO?低溫鈍化層；之后，對SiN/SiO?緩沖層、阻擋層和銅種子層進行CMP處理，最終完成露銅工藝，具體工藝細節(jié)如圖11所示。