无源TSV转接板的制作方法

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

无源TSV转接板作为先进封装的“交通枢纽”，是实现高密度异构集成的核心。本文深度解析TSV高深宽比刻蚀与填充工艺，详尽对比聚合物电镀与大马士革法RDL的制备差异，并拆解背面减薄、露铜及CoW组装全流程，带你攻克先进互连技术的制造难题。

无源TSV转接板的制作包含两个核心环节，分别是在无功能硅片上实现TSV（硅通孔）的制备以及RDL（重分布层）的制作。

TSV的制作

TSV的制备工艺流程如图1所示。该流程首先采用热氧化法或等离子体增强化学气相沉积（plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD）技术，在硅基板表面制备SiN/SiO₂绝缘层，具体结构可参考图1。完成光刻胶涂布与TSV光刻工艺后，利用Bosch深反应离子刻蚀（deep reactive ion etch，DRIE）技术，在硅基板中刻蚀形成高深宽比（10.5）的TSV通孔结构。随后，通过亚常压化学气相沉积（subatmosphere chemical vapor deposition, SACVD）工艺制备SiO₂内衬层，采用物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）技术沉积Ta阻挡层与Cu种子层。采用Cu电镀工艺对TSV通孔结构进行填充，最终形成的盲孔TSV，其顶部开口直径约为10μm，深度约为105μm，深宽比达到10.5。针对这种高深宽比的通孔结构，采用自下而上的电镀机制，既能确保TSV通孔的无缝填充，又能使平面区域的Cu层厚度保持相对较薄。

图2展示了TSV的SEM截面图。从图中可以观察到，TSV的直径在底部出现轻微减小，这是刻蚀过程中常见的正常现象，属于可预见的工艺特征。平面区域的Cu层厚度小于5μm，电镀完成后的退火处理参数为400℃、持续30min。最后，通过化学机械抛光（chemical-mechanical polishing，CMP）工艺，去除平面区域多余的Cu覆盖层，完成TSV的整体制作。

RDL的制作

通常来说，RDL由介质层和金属导电层两部分组成，其制备方法至少有两种。第一种方法是采用聚合物材料制作介质层，常用的聚合物包括道康宁公司的聚酰亚胺（polyimide，PI）PWDC1000、陶氏化学公司的苯并环丁烯（benzocyclobutene，BCB）甲基环戊烯醇酮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，金属层则通过电镀工艺（如Cu电镀）制备而成。该方法已被半导体封测代工企业应用于圆片级（扇入）芯片尺寸封装、嵌入式晶圆级（扇出）焊球阵列封装以及（扇出）重分布芯片封装的RDL制作中。第二种方法是铜大马士革工艺，该工艺由传统半导体后道制程改良而来，主要用于制备Cu金属RDL。相较于第一种方法，铜大马士革工艺能够获得更薄的结构（包括介质层和Cu RDL）、更精细的节距以及更小的线宽和线距。下文将首先详细介绍聚合物/电镀铜制备RDL的方法。

RDL的制作：聚合物与电镀铜及刻蚀方法

在完成图1和图2所示的晶圆TSV制作基础上，采用聚合物制备RDL的工艺流程如图3所示，具体步骤如下，其中包含了UBM（凸点下金属化）的制作过程：

1.在晶圆表面旋涂聚合物（如PI或BCB），并进行1h的固化处理，形成厚度为4~7μm的聚合物膜层。

2.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺（对准与曝光）在PI或BCB膜层上定义开口图形。

3.对PI或BCB膜层进行刻蚀处理。

4.剥离晶圆表面的光刻胶。

5.在整个晶圆表面溅射Ti和Cu薄膜。

6.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺定义RDL的图形。

7.在光刻胶的开口区域内电镀Cu，形成RDL金属线路。

8.剥离光刻胶，露出已电镀形成的Cu线路。

9.对Ti/Cu薄膜进行刻蚀，完成第一层RDL（RDL1）的制作。

10.重复步骤1~9，完成第二层RDL（RDL2）的制作，以此类推，根据需求制备多层RDL。

重复步骤1（用于UBM的介质层制备）。

11.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺（对准与曝光）在PI或BCB膜层上定义凸点焊盘所需的通孔图形，且该通孔图形需覆盖RDL对应的连接区域。

12.对PI或BCB膜层进行刻蚀，形成凸点焊盘所需的通孔。

13.剥离光刻胶。

14.在整个晶圆表面溅射Ti和Cu薄膜。

15.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺在凸点焊盘位置定义UBM所需的通孔图形。

16.电镀铜柱，作为UBM的核心结构。

17.剥离光刻胶。

18.对Ti/Cu薄膜进行刻蚀，去除多余部分。

19.采用化学镀镍/浸金工艺处理，完成UBM的整体制作。

图4展示了以聚合物（如BCB）作为钝化层、以电镀Cu作为金属层的RDL典型截面图。从图中可以看出，钝化层BCB1和BCB2的厚度为6~7μm，RDL的厚度约为4μm。需要注意的是，对于尺寸较大的图形，可直接在PI或BCB膜层上进行光刻处理，无需额外涂覆第一次光刻胶，可简化工艺步骤。

RDL的制作：SiO₂与铜大马士革电镀及CMP方法

RDL的另一种制备方法是采用铜大马士革工艺，该工艺在完成图1和图2所示的晶圆TSV制作基础上实施，主要基于半导体后道工艺开发而成，具体工艺细节如图5所示，步骤如下：

1.通过PECVD工艺在晶圆表面制备SiO₂层，作为RDL的介质层。

2.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺（对准与曝光）在SiO₂层上定义通孔图形。

3.采用反应离子刻蚀（reactive ion etch，RIE）技术对SiO₂层进行刻蚀，形成所需通孔。

4.剥离光刻胶。

5.在整个晶圆表面溅射Ti和Cu薄膜，随后通过电化学沉积（electrochemical deposition，ECD）工艺沉积Cu，填充通孔并形成金属层。

6.对Cu层和Ti/Cu薄膜进行化学机械抛光（CMP）处理，完成V01（连接TSV与RDL1的通孔）的制作。

7.重复步骤1，制备第二层SiO₂介质层。

8.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺定义RDL1的线路图形。

9.重复步骤3，对SiO₂层进行刻蚀，形成RDL1线路的沟槽。

10.重复步骤4，剥离光刻胶。

11.重复步骤5，沉积Cu并填充沟槽。

12.对Cu层和Ti/Cu薄膜进行CMP处理，去除多余金属，完成RDL1的制作。

13.重复步骤1~6，完成V12（连接RDL1与RDL2的通孔）的制作。

14.重复步骤7~12，完成RDL2及后续所有附加RDL层的制作。

15.重复步骤1，制备UBM所需的SiO₂介质层。

16.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺（对准与曝光）在SiO₂层上定义凸点焊盘所需的通孔图形，且该通孔图形需覆盖RDL对应的连接区域。

17.刻蚀SiO₂层，形成凸点焊盘所需的通孔。

18.剥离光刻胶。

19.在整个晶圆表面溅射Ti和Cu薄膜。

20.采用光刻胶和掩膜板，通过光刻工艺在凸点焊盘位置定义UBM所需的通孔图形。

21.电镀铜柱，作为UBM的核心结构。

剥离光刻胶。

22.对Ti/Cu薄膜进行刻蚀，去除多余部分。

23.采用化学镀镍/浸金工艺处理，完成UBM的整体制作。

需要说明的是，RDL也可通过铜双大马士革方法制备，具体工艺如图6所示。图7展示了采用铜大马士革技术制备的RDL截面SEM图像，其中最小RDL线宽为3μm，RDL1和RDL2的厚度为2.6μm，RDL3的厚度为1.3μm，各RDL层之间的介质层厚度为1μm。

关于铜大马士革电镀工艺中接触式光刻的提示

本文所介绍的RDL采用铜大马士革工艺制备，在相同分辨率要求下，与步进/扫描式光刻相比，接触式光刻能够有效降低工艺成本。由于本工艺中RDL的最小线宽为3μm，因此必须将掩膜板放置在距离300mm晶圆表面（光刻胶层）极近的位置。在实际生产过程中，接触式光刻掩膜板上的颗粒可能会在光刻胶层上形成空洞，进而可能导致V12（连接RDL1与RDL2的通孔）制作过程中出现如图8所示的短路现象。为避免此类问题，在两次光刻操作之间，对掩膜板进行清洗处理是十分必要的。若对成本不敏感，采用步进/扫描式光刻也是一种可行的替代方案，可进一步提升光刻精度和工艺稳定性。

背面处理及组装

背面处理与组装的工艺流程如图9所示。具体过程为：在完成TSV、RDL、钝化层和UBM的制作后，通过粘结剂将转接板晶圆的顶面临时键合至支撑片晶圆上，随后对转接板晶圆进行背部研磨、硅刻蚀、低温钝化以及露铜工艺处理。之后，根据实际需求，可选择进行背面RDL制作、UBM制作以及C4晶圆凸点成型。接着，将另一片带有焊料凸点的支撑片晶圆临时键合至转接板晶圆的背面，并将第一片支撑片晶圆解键合。随后进行芯片-晶圆（chip-on-wafer，CoW）键合，并实施底部填充工艺，增强连接可靠性。在完成芯片与转接板晶圆的全部键合工作后，将第二片支撑片晶圆解键合，将粘结有芯片的薄转接板晶圆转移至划片胶上进行分割处理。最后，将粘结有芯片的单个TSV/RDL转接板通过自然回流焊接工艺连接到封装基板上，并进行底部填充，完成整个组装过程。

图10展示了露铜工艺的详细过程。在支撑片晶圆临时键合完成后，对转接板晶圆进行背部减薄处理，直至剩余数微米硅层（靠近TSV位置）时停止；随后通过干法刻蚀（RIE）技术将硅层刻蚀至低于TSV数微米的位置，接着制备SiN/SiO₂低温钝化层；之后，对SiN/SiO₂缓冲层、阻挡层和铜种子层进行CMP处理，最终完成露铜工艺，具体工艺细节如图11所示。

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