Современные технологии 3D-интеграции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

современные технологии

3D-интеграции

Александр ВАсильЕВ

[email protected]

современный рынок интегральных микросхем предъявляет к конструкции ис все более жесткие условия. Теперь они должны быть не только высокопроизводительными и иметь минимальные габаритные размеры, но и обеспечивать при этом максимально возможную функциональность. Повсеместная миниатюризация электронных приборов не оставляет выбора разработчикам современных технологий производства ис. На сегодняшний день для обеспечения более высокого уровня функциональности при минимальных размерах и максимальном быстродействии остается единственный путь развития конструкции ис — 3D-интеграция.

Трехразмерные

микросборки

Начало технологии производства 3D-ИС было положено в изделиях типа PoP (Package on Package — «корпус на корпусе»). Уменьшение габаритов ИС достигалось за счет монтажа корпусов в трехразмерные (3D) сборки с использованием межсоединений и коммутационных слоев, размещенных на самих корпусах (рис. 1). Являясь логичным развитием существующей технологии поверхностного монтажа, этот прием, тем не менее, нес промежуточный характер вследствие ряда труднопреодолимых ограни-

чительных факторов: теплораспределения, невысокой надежности соединений и количества элементов в микросборке. Однако такой прием давал возможность сократить время передачи сигнала с одной микросхемы на другую, а также позволял использовать существующую технологию поверхностного монтажа и, как следствие, уже имеющееся оборудование для обеспечения значительно большей степени интеграции.

Практически параллельно с идеей укладки в трехразмерную сборку корпусированных элементов возникла идея выполнять ту же операцию для кристаллов с последующей упаковкой в единый корпус. Такая сборка

3D ИС

3D 1C

(О

о.

I—

03

I-

I

X

D

X

<0

с

<¡)

I—

и

о;

(б

2

О

у

л

со

к

к

I

ЕС

V

Q.

О

К

(б

*

<ч

3D-SiP (Система в корпусе)

TSV (концептуальна решение)

.3D-S|Р ХСистемаЯ корпусе)

память + логика

Разварка п г щ выводов - '

SoC (Система на кристалле)

Все технологии существуют одновременно

Многокристльный модуль (2D)

1 кристалл

Разварка МШТ/^7

выводов

' £Ж7

2D SiP

(Система в корпусе)

Низкая

Средняя

Функциональность

Высокая Источник: Yole Development

Рис. 1. Примеры различных типов SD-микросборок

получила название “stacked die” и позволила сэкономить пространство за счет монтажа кристаллов друг на друга и последующего межсоединения методом разварки проволочных выводов. Логичным продолжением этой методики стала технология выполнения TSV (Through Silicon Vias — сквозных отверстий в кремнии), которая позволила убрать операцию разварки из технологической цепочки, обеспечив максимально возможный на сегодняшний день уровень интеграции ИС.

Благодаря технологии TSV стало возможным радикальное повышение функциональности микросхем памяти при сохранении первоначальных размеров ИС. Вследствие того, что каждый кристалл в модуле памяти имеет одинаковую топологию, оказалось возможным собирать 3D-моду-ли, состоящие из одинаковых кристаллов, но позволяющие многократно увеличить объем памяти для микросхемы по сравнению с однокристальными микросборками в том же объеме. Применение технологии TSV при сборке гибридных модулей обеспечило дополнительный импульс развитию устройств типа SiP (System in Package — «система в корпусе»), логическим продолжением которого станет единый элемент, собранный на кристальном уровне без применения промежуточных операций развар-ки проволочных выводов для коммутации элементов микросборки.

Типовой укрупненный технологический маршрут производства 3D ИС с TSV

Типовой технологический процесс производства 3D-ИС представлен на рис. 2. Вначале пластина проходит необходимое количество циклов литографии, затем, согласно топологии, травятся переходные отверстия. Они заполняются проводящим металлом (чаще всего медью), либо гальваническим методом заполнения токопроводящих отверстий с применением ускоряющих или замедляющих добавок, либо с помощью вакуумного осаждения. После заполнения отверстий может быть выполнена операция химико-механического полирования.

Для вскрытия «глухих» переходных отверстий выполняется операция утонения пластины, что также позволяет увеличить производительность и улучшить отвод теп-

Чистая пластина - Литография - Г лубокое травление/ сверление отверстий

► Осаждение барьера/ затравки/изолятора \АЛ/ Литография V W Заполнение отверстий

Осаждение барьера/ затравки/изолятора

Кристалл к пластине

Г

Разделение кристаллов

Подготовка контактных площадок

Пластина к пластине

Монтаж пластин

Демонтаж носителей

Демонтаж носителей

Рис. 2. Типовой технологический процесс производства 3D ИС

ла (например, SOI — Silicon on Insulator — технология «кремний на изоляторе», применяемая ведущими производителями микропроцессоров для повышения производительности). Операции утонения предшествует операция монтажа на временный носитель. Носителем, как правило, является кремниевая или стеклянная пластина, позволяющая утоненной пластине пройти дальнейшие шаги производственного цикла так, будто это пластина нормальной толщины. С обратной стороны утоненной пластины готовят контактные площадки под сборку.

Таблица. Сравнительная характеристика принципов сборки 3D-ИС

Критерий W2W, «пластина к пластине» C2W, «кристалл к пластине»

Размер пластин и кристаллов Одинаковый размер пластин и кристаллов Различные размеры пластин, различные размеры кристаллов

Оценка производительности Производительность оценивается в пластинах Производительность оценивается в кристаллах

Системная совместимость Работа только с пластинами Работа как с пластинами, так и с кристаллами

Коэффициент выхода годных Ниже, чем самый низкий из всех пластин в сборке Повышенный, так как осуществляется монтаж только годных кристаллов

Совмещение Меньше чем ±2 мкм (по всей пластине) Порядка ±10 мкм при производительности более 1000 кр./ч; менее ±2 мкм при производительности менее 100 кр./ч

Тип производства Кристальное производство или линия сборки Линия сборки

Для дальнейшей сборки кристаллов существует две основные разновидности монтажа 3D^G

• C2W (Chip to Wafer — «кристалл к пластине»);

• W2W (Wafer to Wafer — «пластина к пластине»).

В первом случае утоненная пластина подвергается резке и контролю по отдельным кристаллам, после чего проводят монтаж годных кристаллов на вторую пластину. Во втором случае пластины монтируются непосредственно одна к другой и только после этого они поступают на резку.

Каждый вариант имеет свои преимущества и свои недостатки (таблица). Так, например, для метода «кристалл к пластине» характерен более высокий коэффициент выхода годной продукции, однако с уменьшением размера кристалла и повышением требуемой точности монтажа метод «пластина к пластине» считается экономически более эффективным.

Технология TSV (Through Silicon Vias — выполнение сквозных переходных отверс-

Контактная площадка

Рис. 3. Пример изделия, выполненного с использованием технологии TSV

тий в кремнии) позволяет осуществлять межсоединения на уровне смонтированных в трехразмерную сборку пластин или кристаллов. Пример изделия с использованием технологии TSV показан на рис. 3. В техпроцесс выполнения сквозных переходных отверстий входят операции утонения пластин, глубокого плазменного травления и заполнения переходных отверстий.

В зависимости от последовательности технологических операций различают два основных подхода при производстве 3D^G

• Via First (выполнение переходных отвер-стий ДО формирования структур);

• Via Last (выполнение переходных отвер-стий ПОСЛЕ формирования структур).

Так, например, в случае формирования переходных отверстий до структур (Via First) процесс заполнения отверстий не ограничен максимально допустимым пределом для КМОП (450 °C). Такой подход не влияет на результирующий коэффициент выхода годных,

но заполнение отверстий является сложной в технологическом плане задачей. В случае формирования переходных отвер-стий после КМОП-структур (Via Last) результирующий коэффициент выхода годных понижается, однако заполнение переходных отверстий более технологично.

Типовой проект оснащения производства 3D^C

Типовой проект оснащения производства 3D-ИС подразделяется на три части:

• участок кристального производства (TSV, монтаж пластин);

• участок сборки и корпусирования;

• контрольно-измерительная лаборатория.

Учитывая специфику отечественных предприятий, поэтапный ввод проекта наиболее удобно начинать с оснащения участка сборки. Таким образом, появляется возможность при сравнительно небольших капиталовложениях начать производство достаточно широкой номенклатуры элементов в корпусах, обеспечивая рентабельность за счет большой разницы в стоимости между бескорпусными и кор-пусированными элементами.

Нишевая специфика российского рынка дает возможность продолжать производ-ство привычных изделий, повышая качество своего продукта за счет реализации современных технологий сборки и кор-пусирования. Основные позиции, которые обеспечат организацию такого участка:

• оборудование для прецизионной резки и разделения кристаллов;

• оборудование для монтажа кристаллов;

• оборудование для разварки проволочных выводов;

• оборудование для термических процессов (полимеризация клея, пайка);

• оборудование для герметизации и/или корпусирования. Оснащение участка кристального производства позволит полноправно участвовать в выпуске отечественной элементной базы, дефицит которой в настоящее время ощущается особенно остро. Критическими позициями с точки зрения эффективности кристального производства являются те, которые обеспечат ключевые технологические этапы: формирование переходных отверстий и монтаж пластин. Поэтому организация эффективного производства 3D-ИС невозможна без следующих элементов:

• оборудование для глубокого плазменного (или реактивно-ионного) травления/лазерного сверления отверстий;

• оборудование для заполнения (металлизации) отверстий;

• оборудование для монтажа пластин и кристаллов;

• оборудование для утонения пластин.

Для достижения высокого качества продукции, особенно изделий двойного назначения, необходима лаборатория контроля и измерений. Критическими элементами в такой лаборатории являются входной неразрушающий контроль пластин и контроль пластин перед сборкой, обеспечиваемый системами АОИ (автоматической оптической инспекции) и оборудованием для ультразвукового контроля, позволяющими получить объективную информацию о качестве монтажа пластин.

Разумеется, каждый проект оснащения производства 3D-ИС сугубо индивидуален и зависит от специфики конкретного предприятия. Однако методика комплексного клиент-ориентированного подхода к построению такого производства, отработанная и принятая в ЗАО Предприятие Остек, позволяет наиболее эффективно оснащать и сопровождать высокотехнологичные производства 3D-ИС в России. Проработка уже на стадии предварительного проекта вопросов комплектации оборудованием, поставки расходных материалов, обеспечения производственными помещениями, выполнения сервисного и технического обслуживания, обучения специалистов клиента и т. п. позволяет предоставлять наиболее полное, технологически выверенное и законченное индивидуальное комплексное решение для вашего предприятия. ■