在上一篇《真空共晶爐/真空焊接爐——堆疊封裝》中我們提到了半導(dǎo)體封裝的各類方法，其中一種是通過硅通孔將芯片疊層封裝起來，組成一個(gè)3D的芯片。今天我們來詳細(xì)談一下硅通孔這項(xiàng)技術(shù)。

首先是硅通孔的三種主要集成方案：
硅通孔集成方案根據(jù)在芯片制造流程中執(zhí)行的順序不同，主要可以分為三大類：Via-First（先通孔）、Via-Middle（中通孔）、Via-Last（后通孔）。Via-First是指在制造晶體管之前就制作硅通孔，因?yàn)闊o高溫后的工藝，所以對(duì)晶體管的影響最小，但是硅通孔需承受后續(xù)所有高溫工藝，可能造成變形或銅污染，這類方案主要應(yīng)用于對(duì)熱預(yù)算不敏感的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）以及部分傳感器。Via-Last則是在晶圓完成全部正面工藝并減薄后，從晶圓背面制作硅通孔，這種方案完全避開了硅通孔對(duì)前端工藝的任何影響，適用于集成已經(jīng)制造好的芯片（如：將已知合格的芯片進(jìn)行3D集成）或是部分圖像傳感器，但從背面進(jìn)行精密對(duì)準(zhǔn)和刻蝕的難度非常高。Via-Middle是目前最主流的方案，在晶體管制造完成之后和晶圓背面減薄和封裝之前進(jìn)行，這樣既能避開前端的高溫，又能與后端封裝工藝良好銜接，廣泛應(yīng)用于高性能CPU、GPU、3D堆疊存儲(chǔ)器等。

下面我們來對(duì)Via-Middle的制作工藝流程進(jìn)行一個(gè)詳解，核心流程如下：

第一步：深反應(yīng)離子刻蝕
使用DRIE（深反應(yīng)離子刻蝕）工藝，通過交替的鈍化與刻蝕循環(huán)，在已經(jīng)完成晶體管制造的硅晶圓正面刻蝕出深寬比極高的垂直通孔?？讖?~10μm、深度50~100μm、深寬比10:1至20:1。

第二步：絕緣層、阻擋層、種子層沉積
絕緣層：采用化學(xué)氣相沉積等技術(shù)在硅通孔孔壁和晶圓表面沉積一層絕緣介質(zhì)（通常為二氧化硅），用于電氣隔離，防止后續(xù)填充的導(dǎo)電銅與硅襯底短路，確保硅通孔功能正常。
阻擋層：在絕緣層上沉積一層極薄（幾納米到幾十納米）的氮化鉭等材料，防止后續(xù)銅原子在高溫或電場作用下擴(kuò)散到硅中，污染晶體管，導(dǎo)致器件失效。
種子層：在阻擋層上通過物理氣相沉積一層薄銅，作為后續(xù)電鍍銅的導(dǎo)電基板。

第三步：銅電鍍填充
采用電化學(xué)電鍍，將晶圓浸入電鍍液中作為陰極，通過電流使銅離子沉積，由孔底向上均勻生長并完全填充硅通孔，此步驟需要控制填充速度，避免在孔中央形成空洞。

第四步：化學(xué)機(jī)械拋光
使用化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨相結(jié)合的化學(xué)機(jī)械拋光工藝，去除晶圓表面過剩的銅、阻擋層和種子層，使表面恢復(fù)平坦，為后續(xù)在晶圓正面制作多層互連布線和焊盤做準(zhǔn)備。

第五步：晶圓正面互聯(lián)層制造
在平坦化的晶圓正面，繼續(xù)完成標(biāo)準(zhǔn)的后道工藝，制造多層金屬布線，將硅通孔的上端與芯片自身的電路連接起來。

第六步：臨時(shí)鍵合與晶圓背面減薄
臨時(shí)鍵合：將晶圓正面朝下用特殊膠粘合到一片剛性支撐載體上，以支撐后續(xù)減薄。
背面減?。和ㄟ^物理研磨、拋光或化學(xué)刻蝕，將晶圓背面進(jìn)行減薄直到硅通孔的銅柱末端暴露出來。晶圓厚度可能從775μm減至50μm或更薄。需要注意的是整個(gè)晶圓必須均勻減薄，控制應(yīng)力以防止薄晶圓翹曲或破裂，不能過度研磨損壞硅通孔的銅柱。

第七步：再布線與凸點(diǎn)制作
再布線：制作背面再布線層，增加一層金屬層，將硅通孔露出的焊盤重新布局到更便于連接的位置。
凸點(diǎn)制作：在背面RDL(重布線層)的焊盤上制作微焊球，用于與另一片芯片或基板進(jìn)行垂直互連。

第八步：解鍵合
使用激光、熱滑移、化學(xué)溶劑等方法，將已經(jīng)完成背面工藝的超薄晶圓從載體上分離下來，并清洗干凈臨時(shí)鍵合膠。

至此，一個(gè)完整的、帶有硅通孔、背面凸點(diǎn)的“可堆疊芯片”就制作完成了，下一步就是芯片對(duì)晶圓、晶圓對(duì)晶圓的精密鍵合流程，從而實(shí)現(xiàn)3D集成。
接下來我們就再來講講如何用硅通孔的方式連接芯片，從而組成3D芯片。一共有兩種實(shí)現(xiàn)方法：面對(duì)面（Face to Face——F2F）和面對(duì)背（Face to Back——F2B），如下圖所示：

兩大實(shí)現(xiàn)連接的方法以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)：
面對(duì)面連接：簡單來說就是把芯片的金屬層相互對(duì)準(zhǔn)并連接在一起，兩個(gè)芯片之間的連線非常短。針對(duì)面對(duì)面連接，優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯：
優(yōu)點(diǎn)：得益于非常短的互連距離，可以實(shí)現(xiàn)更快的信號(hào)傳輸和更低的功耗，適用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅苡?jì)算或大帶寬通信等。
缺點(diǎn)：對(duì)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的精確度要求很高，需要把金屬層對(duì)準(zhǔn)才能確保電路能夠正常連接；且因?yàn)榻饘賹颖粖A在里面，導(dǎo)致堆積的熱量難以散發(fā)。

面對(duì)背連接：將芯片的基底朝下，像壘積木一樣一層一層疊加起來，用硅通孔實(shí)現(xiàn)層間的垂直連接。
優(yōu)點(diǎn)：不同于面對(duì)面需要對(duì)準(zhǔn)金屬線那樣的高精度對(duì)準(zhǔn)技術(shù)要求，面對(duì)背只需要對(duì)準(zhǔn)硅通孔的孔就行了；另外堆積的熱量能夠更好地散發(fā)。
缺點(diǎn)：信號(hào)通過硅通孔傳輸，勢必會(huì)帶來更長的信號(hào)傳輸延遲和更高的功耗，而且制造工藝也因?yàn)楣柰椎木壒识兊酶訌?fù)雜，提高了制造成本。

在實(shí)際生產(chǎn)中，面對(duì)背的連接更容易做一些，應(yīng)用也更為廣泛。

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