TSV關(guān)鍵工藝設(shè)備特點(diǎn)及國(guó)產(chǎn)化展望

褚曉虹，陳峰，胡旭，沈祥國(guó)

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210000）

硅通孔（TSV）是目前半導(dǎo)體制造業(yè)中最為先進(jìn)的技術(shù)之一，因其具有更好的電性能、更低的功耗、更寬的帶寬、更高的密度、更小的外形尺寸、更輕的質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，已逐步成為未來發(fā)展的熱點(diǎn)與方向，是實(shí)現(xiàn)電路小型化、高密度、多功能化的首選解決方案，其在國(guó)內(nèi)應(yīng)用正方興未艾。具備該技術(shù)生產(chǎn)能力，對(duì)國(guó)內(nèi)微電子加工制造發(fā)展具有重大意義。

TSV技術(shù)主要涉及以下幾個(gè)關(guān)鍵工藝：深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）制作TSV孔，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）制作介電層，物理氣相沉積（PVD）制作阻擋層和種子層，電鍍銅（Cu）填孔，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）去除多余的金屬；另外由于芯片堆疊集成的需要，對(duì)于3D IC/Si集成而言，還有晶圓的減薄和薄晶鍵合等關(guān)鍵工藝。每一步工藝都有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。而這些關(guān)鍵工藝涉及的設(shè)備選擇與工藝選擇息息相關(guān)，在整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中起著關(guān)鍵的作用，在某種程度上直接決定了TSV的性能優(yōu)劣。

1 TSV 制造關(guān)鍵工藝流程

TSV制造的主要工藝流程依次為：深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）法行成通孔；使用化學(xué)沉積的方法沉積制作絕緣層、使用物理氣相沉積的方法沉積制作阻擋層和種子層；選擇一種電鍍方法在盲孔中進(jìn)行銅填充；使用化學(xué)和機(jī)械拋光（CMP）法去除多余的銅。而一旦完成了銅填充，則需要對(duì)晶圓進(jìn)行減??；最后是進(jìn)行晶圓鍵合。整體工藝路線會(huì)根據(jù)特定需求對(duì)典型工藝進(jìn)行變動(dòng)。

2 TSV關(guān)鍵工藝設(shè)備及特點(diǎn)

對(duì)應(yīng)TSV生產(chǎn)流程，會(huì)涉及到深孔刻蝕、PVD、CVD、銅填充、微凸點(diǎn)及電鍍、清洗、減薄、鍵合等二十余種設(shè)備，其中深孔刻蝕、氣相沉積、銅填充、CMP去除多余的金屬、晶圓減薄、晶圓鍵合等工序涉及的設(shè)備最為關(guān)鍵。

2.1 深孔刻蝕設(shè)備

深孔刻蝕是TSV的關(guān)鍵工藝，目前首選技術(shù)是基于Bosch工藝的干法刻蝕。深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備就是感應(yīng)耦合高密度等離子體干法刻蝕機(jī)（Inductively Coupled Plasma Etcher），它采用半導(dǎo)體刻蝕機(jī)的成熟技術(shù)，獨(dú)特設(shè)計(jì)的雙等離子體源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腔室內(nèi)等離子體密度的均勻控制，滿足硅高深寬比刻蝕工藝的要求。具有穩(wěn)定可靠的工藝性能、寬闊的工藝窗口和良好的工藝兼容性，用于晶片的高深寬比刻蝕。

2.2 氣相沉積設(shè)備

氣相沉積設(shè)備主要用于薄膜電路表面的高低頻低應(yīng)力氧化硅等薄膜淀積。設(shè)備具有低溫TEOS工藝沉積氧化硅薄膜，應(yīng)力易調(diào)控，適用于薄膜電路制造中保護(hù)膜層的沉積。設(shè)備應(yīng)具有預(yù)真空室、基片傳送模塊以及工藝模塊等，傳片及工藝過程自動(dòng)化。

絕緣層做好后，通過物理氣相沉積法（PVD）沉積金屬擴(kuò)散阻擋層和種子層，為后續(xù)的銅填充做好準(zhǔn)備。后續(xù)的電鍍銅填充要求TSV側(cè)壁和底部具有連續(xù)的阻擋層和種子層。種子層的連續(xù)性和均勻性被認(rèn)為是TSV銅填充最重要的影響因素。根據(jù)硅通孔的形狀、深寬比及沉積方法不同，種子層的特點(diǎn)也各有不同，種子層沉積的厚度、均勻性和粘合強(qiáng)度是很重要的指標(biāo)。

2.3 銅填充設(shè)備

深孔金屬化電鍍?cè)O(shè)備用于新一代高頻組件高深寬比通孔填孔電鍍銅工藝，解決高深寬比微孔內(nèi)的金屬化問題，提高互聯(lián)孔的可靠性。TSV填孔鍍銅工序是整個(gè)TSV工藝?yán)镒詈诵?、難度最大的工藝，對(duì)設(shè)備的要求比較高，成熟的用于TSV填孔鍍銅的設(shè)備價(jià)格昂貴。

2.4 減薄拋光設(shè)備

一旦完成了銅填充，則需要對(duì)晶圓進(jìn)行減薄拋光。TSV要求晶圓減薄至50μm甚至更薄，要使硅孔底部的銅暴露出來，為下一步的互連做準(zhǔn)備。目前晶圓減薄可以通過機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光、濕法及干法化學(xué)處理等不同的加工工序來實(shí)現(xiàn)。但晶圓很難容忍減薄過程中的磨削對(duì)晶圓的損傷及內(nèi)在應(yīng)力，其剛性也難以使晶圓保持原有的平整狀態(tài)，同時(shí)后續(xù)工藝的晶圓傳遞、搬送也遇到了很大的問題。目前業(yè)界的多采用一體機(jī)的思路，將晶圓的磨削、拋光、貼片等工序集合在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)。

3 TSV關(guān)鍵設(shè)備具體應(yīng)用

TSV關(guān)鍵工藝設(shè)備精密復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不同設(shè)備供應(yīng)商所采用不同的工藝方法，對(duì)附屬設(shè)備選擇、廠務(wù)條件配套、安全環(huán)境管理等都有很大的影響?，F(xiàn)根據(jù)實(shí)際的工藝需求、技術(shù)條件，以一套成熟TSV生產(chǎn)線設(shè)備為案例，推薦適宜的TSV設(shè)備。國(guó)內(nèi)外設(shè)備價(jià)格差距較大，由于此類同時(shí)考慮到國(guó)外禁運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，在遇到國(guó)內(nèi)有可提供工藝設(shè)備生產(chǎn)商時(shí)，我們應(yīng)該對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)備的工藝方法、可靠性、服務(wù)保障、用戶評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行特別考察，在確保滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下優(yōu)先推薦選擇國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

3.1 深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備選型應(yīng)用

本案例實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的深孔刻蝕設(shè)備是用于新一代高密度封裝基板的微納加工，目的是解決現(xiàn)有濕法刻蝕的精度和成品率問題，使用深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備完成精細(xì)深槽、高深寬比微納通孔的高精度干法刻蝕。具體要求支持晶圓尺寸最大8英寸向下兼容，在一般指標(biāo)基礎(chǔ)上要求刻蝕孔徑≤20μm，精度優(yōu)于±5%，刻蝕深度≥200μm。

目前國(guó)外主流深硅刻蝕設(shè)備主要由美國(guó)應(yīng)用材料、泛林半導(dǎo)體等設(shè)備廠商控制。但近年來，國(guó)內(nèi)微電子設(shè)備廠家進(jìn)步驚人，中微半導(dǎo)體設(shè)備有限公司、北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司等推出的等離子刻蝕機(jī)，均可實(shí)現(xiàn)高深寬比刻蝕，滿足絕大多數(shù)生產(chǎn)工藝需求，具有實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的側(cè)壁形貌控制、穩(wěn)定的均勻性、極高的刻蝕選擇比。在后續(xù)的設(shè)備采購(gòu)調(diào)研中，通過試片驗(yàn)證，北方華創(chuàng)生產(chǎn)的深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備可以滿足產(chǎn)品加工需求。它采用模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)包括工藝模塊（PM:Process Module）和傳輸模塊（TM:Transfer Module）。傳輸模塊裝有機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)晶片在其和工藝模塊之間的傳輸。設(shè)備具備智能化的軟件操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單片晶圓的自動(dòng)刻蝕工藝。

3.2 PECVD氣相沉積設(shè)備選型應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外有諸多公司均有各類成熟產(chǎn)品。比如英國(guó)的SPTS公司，為國(guó)內(nèi)MEMS、先進(jìn)封裝、LED等產(chǎn)業(yè)提供晶圓刻蝕、PVD、CVD等設(shè)備，目前綜合技術(shù)實(shí)力處于行業(yè)領(lǐng)先地位。其PECVD設(shè)備主要用于低溫單面淀積低應(yīng)力氮化硅、氧化硅薄膜。傳送手臂會(huì)自動(dòng)把基片轉(zhuǎn)送到工藝腔模塊。傳片及工藝過程自動(dòng)化；國(guó)內(nèi)的沈陽(yáng)拓荊科技有限公司，具有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，可搭配高低頻電源可快速沉積低應(yīng)力、高均勻性的氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等多種膜層，支持低溫TEOS工藝應(yīng)用于TSV等領(lǐng)域。設(shè)備配備EFEM、loadlock、傳送模塊、工藝模塊等。英國(guó)SPTS 對(duì)要求較高的膜層需要使用H2做后處理去除膜層中的水分，提高膜層長(zhǎng)期穩(wěn)定性，如膜層應(yīng)力、擊穿電壓、漏電流等指標(biāo)；沈陽(yáng)拓荊在沉積時(shí)采用很高的能量，針對(duì)不同的狀態(tài)把過程中的水進(jìn)行電離成活性基團(tuán)，消除膜層吸水的影響，保證膜層的連續(xù)性和穩(wěn)定性，不需要H2。

本案例實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的主要需求是用于薄膜電路表面的高低頻低應(yīng)力氧化硅等薄膜淀積。設(shè)備需要具有低溫TEOS工藝沉積氧化硅薄膜，應(yīng)力易調(diào)控，適用于薄膜電路制造中保護(hù)膜層的沉積。設(shè)備具有預(yù)真空室、基片傳送模塊以及工藝模塊等，傳片及工藝過程自動(dòng)化。故采購(gòu)的設(shè)備具有適用于氧化硅膜層沉積；具備高均勻性和低應(yīng)力沉積能力；菜單式沉積工藝；具備腔體清洗功能；工藝過程溫度可控；軟件可對(duì)工藝和模塊狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控；具備保存歷史工藝和狀態(tài)等主要功能。

3.3 PVD設(shè)備選型應(yīng)用

沉積設(shè)備領(lǐng)域，傳統(tǒng)的英國(guó)SPTS設(shè)備全球市場(chǎng)占有率較高，其前身為深反應(yīng)等離子刻蝕設(shè)備的兩家領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)Aviza和STS合并而成，目前綜合技術(shù)實(shí)力處于行業(yè)領(lǐng)先地位，全球MEMS領(lǐng)域市場(chǎng)占有率達(dá)90%，公司的 Sigma fxP磁控濺射設(shè)備用于8英寸基片物理氣相沉積。配置手動(dòng)上片盒，傳片及工藝過程自動(dòng)化。配置1個(gè)預(yù)熱模塊用于除氣功能，1個(gè)表面刻蝕模塊用于基片表面預(yù)清洗。另外還有2個(gè)沉積不同金屬材料沉積模塊（Ti&Cu），沉積速率快、均勻性好、應(yīng)力調(diào)控佳。設(shè)備應(yīng)用于制造不同TSV和MEMS器件。

近年來北方華創(chuàng)公司憑借自身實(shí)力，越來越多的占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。因此在實(shí)際的設(shè)備選型調(diào)研中，除了在SPTS進(jìn)行樣片試驗(yàn)以外，同時(shí)在北方華創(chuàng)公司也進(jìn)行了樣片生產(chǎn)。因?yàn)樵揚(yáng)VD設(shè)備在實(shí)際高密度封裝基板的微納加工生產(chǎn)中，是用來解決高深寬比微納通孔內(nèi)側(cè)壁難以沉積阻擋層/種子層問題，提高金屬化微納通孔互聯(lián)可靠性。故在選擇PVD設(shè)備時(shí)，除滿足20*200μm、20*100μm等高深寬比孔的側(cè)壁金屬薄膜沉積的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，還關(guān)注設(shè)備是否具有基板的除氣、預(yù)清洗和通孔側(cè)壁磁控濺射鍍膜工藝，智能化操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)功能。華創(chuàng)公司生產(chǎn)的Polaris T620設(shè)備具備除氣（degas）、預(yù)清洗（preclean）、高腔Ti濺射沉積、高腔Cu濺射沉積4個(gè)工藝模塊，以及自動(dòng)傳輸模塊和Facility模塊，完成8英寸及以下基板的除氣、預(yù)清洗和通孔側(cè)壁磁控濺射鍍膜工藝，具備智能化操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)，故而成為最終的選擇。

3.4 電鍍銅填充設(shè)備選型應(yīng)用

為進(jìn)一步確認(rèn)TSV填孔鍍銅設(shè)備的性能和針對(duì)特異的TSV孔型結(jié)構(gòu)需求，建議在選購(gòu)時(shí)，除考慮正常采購(gòu)原則外，需在廠家相應(yīng)設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)所需的TSV孔型結(jié)構(gòu)的樣品打樣，根據(jù)打樣要求需保證孔內(nèi)填充致密、無孔隙，鍍層厚度均勻性好等基本需求，再確定最終采購(gòu)的設(shè)備。根據(jù)本案例實(shí)際生產(chǎn)中的具體需求，要求設(shè)備具有高深寬比填孔電鍍功能；基片清洗甩干功能；鍍槽具備溫度控制、液位控制、PH測(cè)試、溫度過保護(hù)、加熱器防干燒、氮?dú)獗Ｗo(hù)等功能；鍍槽采用旋轉(zhuǎn)陰極，速度可調(diào)；工藝控制系統(tǒng)具備工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份等主要功能。

3.5 減薄拋光設(shè)備選型應(yīng)用

近年來，國(guó)產(chǎn)化超薄晶圓減薄拋光設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際同類設(shè)備的高性能水平。因本案例實(shí)際生產(chǎn)中，主要用于HTCC氮化鋁基板的貼片減薄拋光工藝加工，加工幅面φ305mm。除價(jià)格因素以外，考慮到廠房安裝、多工序并行加工、實(shí)際生產(chǎn)需求等，希望設(shè)備可以由減薄、拋光、貼片多臺(tái)相關(guān)設(shè)備按實(shí)現(xiàn)順序相近放置，以實(shí)現(xiàn)基板貼片、減薄、拋光和厚度測(cè)試等功能。北京特思迪半導(dǎo)體設(shè)備有限公司是生產(chǎn)減薄拋光CMP專業(yè)設(shè)備廠家，可以提供的基板減薄拋光系統(tǒng)，由1臺(tái)減薄設(shè)備、1臺(tái)拋光設(shè)備、1臺(tái)貼片設(shè)備組成，用于HTCC氮化鋁基板的減薄拋光貼片工藝加工，其中減薄設(shè)備通過快速減薄及在線厚度測(cè)量系統(tǒng)將基板加工至目標(biāo)厚度；拋光設(shè)備通過拋光墊和拋光液的作用對(duì)減薄后的表面進(jìn)行拋光，以降低基板表面粗糙度；貼片設(shè)備適用于將基板粘接到陶瓷載盤上，以作為減薄拋光的載體。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，符合該案例實(shí)際生產(chǎn)需求。

3.6 TSV設(shè)備安裝廠務(wù)需求

TSV設(shè)備對(duì)水、風(fēng)、電、氣等廠務(wù)配套條件要求較高，并且不同廠家提供的同類設(shè)備由于其采用的工藝方法不同所需要的廠務(wù)條件差別很大，如所購(gòu)買的等離子刻蝕設(shè)備、氣相沉積設(shè)備等用到多種特種氣體、液體有機(jī)物作為工藝介質(zhì)，有的供應(yīng)商提供的設(shè)備還需要用到氫氣、硅烷等易燃易爆氣體，反應(yīng)結(jié)束后的廢氣需要經(jīng)過專門的燃燒裝置進(jìn)行處理后才可以進(jìn)入廠房主排風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)備對(duì)冷卻水的壓力、流量等均有較高的要求。

由于涉及到特氣使用且部分屬于易燃易爆危險(xiǎn)氣體，所以必須通過對(duì)現(xiàn)有廠房條件、各個(gè)設(shè)備廠務(wù)需求的梳理對(duì)比，對(duì)整個(gè)TSV生產(chǎn)進(jìn)行系統(tǒng)考慮，在充分考慮到安全環(huán)保、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、實(shí)施成本的基礎(chǔ)上，從附屬設(shè)備采購(gòu)以及放置、工藝布局、界面劃分、設(shè)備安裝等方面入手，全面進(jìn)行規(guī)劃，在確保安全環(huán)保的前提下，以最合理的價(jià)格為各個(gè)設(shè)備正常使用的提供廠務(wù)保障。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著TSV 技術(shù)的發(fā)展，大量的傳統(tǒng)微電子設(shè)備即將淘汰。通過近幾年的TSV設(shè)備的逐步大量使用，國(guó)內(nèi)在使用深刻蝕、PVD/CVD、銅（Cu）填孔、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等用于TSV制程的關(guān)鍵設(shè)備領(lǐng)域積累了一定經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)期以來，該類設(shè)備依賴國(guó)外企業(yè)，存在成本高、交貨周期長(zhǎng)、應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化反應(yīng)較慢的情況。近年，國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商設(shè)備有了很大突破，盡管與國(guó)外最高水平相比還有一定差距，但在確保滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，國(guó)產(chǎn)設(shè)備各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如能達(dá)到國(guó)外設(shè)備同等或更高的水平，將會(huì)被優(yōu)先采用，市場(chǎng)前景廣闊。