真空共晶炉/真空焊接炉——硅通孔详讲

在上一篇《真空共晶炉/真空焊接炉——堆叠封装》中我们提到了半导体封装的各类方法，其中一种是通过硅通孔将芯片叠层封装起来，组成一个3D的芯片。今天我们来详细谈一下硅通孔这项技术。

图1.硅通孔示意图

首先是硅通孔的三种主要集成方案：
硅通孔集成方案根据在芯片制造流程中执行的顺序不同，主要可以分为三大类：Via-First（先通孔）、Via-Middle（中通孔）、Via-Last（后通孔）。Via-First是指在制造晶体管之前就制作硅通孔，因为无高温后的工艺，所以对晶体管的影响最小，但是硅通孔需承受后续所有高温工艺，可能造成变形或铜污染，这类方案主要应用于对热预算不敏感的MEMS（微机电系统）以及部分传感器。Via-Last则是在晶圆完成全部正面工艺并减薄后，从晶圆背面制作硅通孔，这种方案完全避开了硅通孔对前端工艺的任何影响，适用于集成已经制造好的芯片（如：将已知合格的芯片进行3D集成）或是部分图像传感器，但从背面进行精密对准和刻蚀的难度非常高。Via-Middle是目前最主流的方案，在晶体管制造完成之后和晶圆背面减薄和封装之前进行，这样既能避开前端的高温，又能与后端封装工艺良好衔接，广泛应用于高性能CPU、GPU、3D堆叠存储器等。

 

下面我们来对Via-Middle的制作工艺流程进行一个详解，核心流程如下：

第一步：深反应离子刻蚀
使用DRIE（深反应离子刻蚀）工艺，通过交替的钝化与刻蚀循环，在已经完成晶体管制造的硅晶圆正面刻蚀出深宽比极高的垂直通孔。孔径5~10μm、深度50~100μm、深宽比10:1至20:1。

图2.离子刻蚀示意图

第二步：绝缘层、阻挡层、种子层沉积
绝缘层：采用化学气相沉积等技术在硅通孔孔壁和晶圆表面沉积一层绝缘介质（通常为二氧化硅），用于电气隔离，防止后续填充的导电铜与硅衬底短路，确保硅通孔功能正常。
阻挡层：在绝缘层上沉积一层极薄（几纳米到几十纳米）的氮化钽等材料，防止后续铜原子在高温或电场作用下扩散到硅中，污染晶体管，导致器件失效。
种子层：在阻挡层上通过物理气相沉积一层薄铜，作为后续电镀铜的导电基板。
 

第三步：铜电镀填充
采用电化学电镀，将晶圆浸入电镀液中作为阴极，通过电流使铜离子沉积，由孔底向上均匀生长并完全填充硅通孔，此步骤需要控制填充速度，避免在孔中央形成空洞。

图3.铜电镀填充示意图

第四步：化学机械抛光
使用化学腐蚀与机械研磨相结合的化学机械抛光工艺，去除晶圆表面过剩的铜、阻挡层和种子层，使表面恢复平坦，为后续在晶圆正面制作多层互连布线和焊盘做准备。
 

第五步：晶圆正面互联层制造
在平坦化的晶圆正面，继续完成标准的后道工艺，制造多层金属布线，将硅通孔的上端与芯片自身的电路连接起来。
 

第六步：临时键合与晶圆背面减薄
临时键合：将晶圆正面朝下用特殊胶粘合到一片刚性支撑载体上，以支撑后续减薄。
背面减薄：通过物理研磨、抛光或化学刻蚀，将晶圆背面进行减薄直到硅通孔的铜柱末端暴露出来。晶圆厚度可能从775μm减至50μm或更薄。需要注意的是整个晶圆必须均匀减薄，控制应力以防止薄晶圆翘曲或破裂，不能过度研磨损坏硅通孔的铜柱。
 

第七步：再布线与凸点制作
再布线：制作背面再布线层，增加一层金属层，将硅通孔露出的焊盘重新布局到更便于连接的位置。
凸点制作：在背面RDL(重布线层)的焊盘上制作微焊球，用于与另一片芯片或基板进行垂直互连。

图4.凸点示意图

第八步：解键合
使用激光、热滑移、化学溶剂等方法，将已经完成背面工艺的超薄晶圆从载体上分离下来，并清洗干净临时键合胶。
 

至此，一个完整的、带有硅通孔、背面凸点的“可堆叠芯片”就制作完成了，下一步就是芯片对晶圆、晶圆对晶圆的精密键合流程，从而实现3D集成。
接下来我们就再来讲讲如何用硅通孔的方式连接芯片，从而组成3D芯片。一共有两种实现方法：面对面（Face to Face——F2F）和面对背（Face to Back——F2B），如下图所示：

图5.图.“面对面”连接和“面对背”连接示意图

两大实现连接的方法以及各自的优缺点：
面对面连接：简单来说就是把芯片的金属层相互对准并连接在一起，两个芯片之间的连线非常短。针对面对面连接，优缺点非常明显：
优点：得益于非常短的互连距离，可以实现更快的信号传输和更低的功耗，适用于需要高速数据传输的高性能计算或大带宽通信等。
缺点：对对准技术的精确度要求很高，需要把金属层对准才能确保电路能够正常连接；且因为金属层被夹在里面，导致堆积的热量难以散发。
 

面对背连接：将芯片的基底朝下，像垒积木一样一层一层叠加起来，用硅通孔实现层间的垂直连接。
优点：不同于面对面需要对准金属线那样的高精度对准技术要求，面对背只需要对准硅通孔的孔就行了；另外堆积的热量能够更好地散发。
缺点：信号通过硅通孔传输，势必会带来更长的信号传输延迟和更高的功耗，而且制造工艺也因为硅通孔的缘故而变得更加复杂，提高了制造成本。
 

在实际生产中，面对背的连接更容易做一些，应用也更为广泛。
 

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图6.成都共益缘设备示意图

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