薄化制程良率升級(jí) 2.5D矽中介層晶圓成本下探
[導(dǎo)讀]2.5D矽中介層(Interposer)晶圓制造成本可望降低。半導(dǎo)體業(yè)界已研發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化的制程、設(shè)備及新型黏著劑，可確保矽中介層晶圓在薄化過程中不會(huì)發(fā)生厚度不一致或斷裂現(xiàn)象，并能順利從載具上剝離，有助提高整體生產(chǎn)良率，
2.5D矽中介層(Interposer)晶圓制造成本可望降低。半導(dǎo)體業(yè)界已研發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化的制程、設(shè)備及新型黏著劑，可確保矽中介層晶圓在薄化過程中不會(huì)發(fā)生厚度不一致或斷裂現(xiàn)象，并能順利從載具上剝離，有助提高整體生產(chǎn)良率，減少成本浪費(fèi)。
2.5D矽中介層(Interposer)是一項(xiàng)全新的互連技術(shù)，可為不同應(yīng)用提供諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)階段，現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)已為先進(jìn)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)矽中介層發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，但實(shí)際上，矽中介層早已用于發(fā)光二極體(LED)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。
多步驟晶圓制程助力矽中介層成本調(diào)降有譜
就2.5D矽中介層的優(yōu)點(diǎn)而言，其中一項(xiàng)最吸引人的是晶粒分割(Die Partitioning)技術(shù)。有別于系統(tǒng)單晶片(SoC)將邏輯、記憶體或射頻(RF)等不同的系統(tǒng)功能整合在單一元件的作法，矽中介層則采用模組化的方式，將不同的功能放在不同的晶粒上。由于銅制程的微凸塊(Micro Bump)和重分布層(Redistribution Layer)的關(guān)系，晶片與晶片之間透過矽中介層的互連，其電性特征與晶片內(nèi)互連的特征非常相似，此可大幅降低功耗和提高頻寬。
不過，除了所有技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，最重要的仍是成本因素。若要延伸矽中介層技術(shù)的使用性，關(guān)鍵前提是大幅降低成本。以下有幾個(gè)可降低矽中介層成本的方法。
第一種方法是用多晶矽(Polycrystalline Silicon)或玻璃取代單晶矽晶圓(Crystal Silicon Wafer)，可降低基板的成本；另一種方法是藉由加大基板的尺寸來降低成本。18寸晶圓和矩形面板都是有可能降低成本的方法，然而，兩種方法都會(huì)產(chǎn)生巨大的改變，且需要截然不同的制程產(chǎn)業(yè)體系。不過，其中一個(gè)可運(yùn)用在現(xiàn)有晶圓制程體系最被看好的方法，是在晶圓級(jí)制程中產(chǎn)生更多制程步驟。
目前，一般的制程架構(gòu)是先產(chǎn)出矽中介層晶片，然后將晶粒分別堆疊在中矽中介層上；在中介層上的晶片堆疊技術(shù)是晶片級(jí)整合的最后一個(gè)制程步驟。雖然這種已知良品晶片(Known Good Die)的制程極被看好，但也會(huì)產(chǎn)生很多制程問題。
首先，這樣大尺寸且很薄的矽中介層晶粒，它的弓形度(Bow)及撓曲度(Warp)就是一個(gè)很大的問題，不僅在晶粒處理時(shí)有難度，且對(duì)準(zhǔn)和熱壓接合(Thermo-compression Bonding)也會(huì)相當(dāng)困難。此外，后續(xù)的晶粒接合過程亦非常緩慢，因此也會(huì)產(chǎn)生昂貴的成本。一種較為明智的作法是用晶粒-晶圓級(jí)(C2W)整合的方式進(jìn)行晶粒堆疊，這可加速制程周期；另一方面也可在晶片堆疊(如產(chǎn)生均溫板或散熱片)后進(jìn)行晶圓級(jí)制程。
基于尺寸大小和成本因素的考慮，矽中介層晶圓的厚度要非常薄。目前，一般的厚度是100微米(μm)，已可符合大小的考慮。然而，矽穿孔(TSV)制程是一種可降低成本的主要作法；制作一個(gè)10微米×50微米TSV的成本會(huì)比制作一個(gè)10微米×100微米TSV低很多。
晶圓薄化可透過將矽中介層晶圓臨時(shí)接合到載具晶圓上，然后針對(duì)晶圓背面減薄則可完成。載具晶圓會(huì)有機(jī)械性支持的作用，避免晶圓發(fā)生斷裂現(xiàn)象，且會(huì)補(bǔ)償矽中介層晶圓內(nèi)所需的應(yīng)力。
減少晶圓的厚度是一種可降低矽中介層成本的方法，但在剝離制程(Debonding)后，厚度較薄的晶粒則在機(jī)械性穩(wěn)定度、應(yīng)力和矽中介層晶粒的弓形度/撓曲度的處理上都有可能出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)。其中，可以解決這些難題的方法是在薄薄的矽中介層晶圓，仍在載具晶圓上時(shí)即進(jìn)行晶粒-晶圓級(jí)接合。隨后，其他步驟則可進(jìn)行晶圓級(jí)制程。
晶粒-晶圓級(jí)整合是一個(gè)促成凸塊后置(Bump-last)整合架構(gòu)的步驟。用膠合連接矽中介層的覆晶凸塊(C4 Bump)非常脆弱，同時(shí)在熱壓接合制程中容易脫離。不過在接合制程后才產(chǎn)生覆晶凸塊，則可完全避免凸塊脫離的風(fēng)險(xiǎn)。凸塊后置的形成亦會(huì)產(chǎn)生一個(gè)薄薄的黏著層，這可提升暫時(shí)接合制程的產(chǎn)量，同時(shí)也可減少黏著劑的用量和降低成本；再者，凸塊后置Bump Last的形成也代表凸塊的回焊(Reflow)溫度不會(huì)讓背面制程有所限制。
2.5D矽中介層(Interposer)是一項(xiàng)全新的互連技術(shù)，可為不同應(yīng)用提供諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)階段，現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)已為先進(jìn)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)矽中介層發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，但實(shí)際上，矽中介層早已用于發(fā)光二極體(LED)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。
多步驟晶圓制程助力矽中介層成本調(diào)降有譜
就2.5D矽中介層的優(yōu)點(diǎn)而言，其中一項(xiàng)最吸引人的是晶粒分割(Die Partitioning)技術(shù)。有別于系統(tǒng)單晶片(SoC)將邏輯、記憶體或射頻(RF)等不同的系統(tǒng)功能整合在單一元件的作法，矽中介層則采用模組化的方式，將不同的功能放在不同的晶粒上。由于銅制程的微凸塊(Micro Bump)和重分布層(Redistribution Layer)的關(guān)系，晶片與晶片之間透過矽中介層的互連，其電性特征與晶片內(nèi)互連的特征非常相似，此可大幅降低功耗和提高頻寬。
不過，除了所有技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，最重要的仍是成本因素。若要延伸矽中介層技術(shù)的使用性，關(guān)鍵前提是大幅降低成本。以下有幾個(gè)可降低矽中介層成本的方法。
第一種方法是用多晶矽(Polycrystalline Silicon)或玻璃取代單晶矽晶圓(Crystal Silicon Wafer)，可降低基板的成本；另一種方法是藉由加大基板的尺寸來降低成本。18寸晶圓和矩形面板都是有可能降低成本的方法，然而，兩種方法都會(huì)產(chǎn)生巨大的改變，且需要截然不同的制程產(chǎn)業(yè)體系。不過，其中一個(gè)可運(yùn)用在現(xiàn)有晶圓制程體系最被看好的方法，是在晶圓級(jí)制程中產(chǎn)生更多制程步驟。
目前，一般的制程架構(gòu)是先產(chǎn)出矽中介層晶片，然后將晶粒分別堆疊在中矽中介層上；在中介層上的晶片堆疊技術(shù)是晶片級(jí)整合的最后一個(gè)制程步驟。雖然這種已知良品晶片(Known Good Die)的制程極被看好，但也會(huì)產(chǎn)生很多制程問題。
首先，這樣大尺寸且很薄的矽中介層晶粒，它的弓形度(Bow)及撓曲度(Warp)就是一個(gè)很大的問題，不僅在晶粒處理時(shí)有難度，且對(duì)準(zhǔn)和熱壓接合(Thermo-compression Bonding)也會(huì)相當(dāng)困難。此外，后續(xù)的晶粒接合過程亦非常緩慢，因此也會(huì)產(chǎn)生昂貴的成本。一種較為明智的作法是用晶粒-晶圓級(jí)(C2W)整合的方式進(jìn)行晶粒堆疊，這可加速制程周期；另一方面也可在晶片堆疊(如產(chǎn)生均溫板或散熱片)后進(jìn)行晶圓級(jí)制程。
基于尺寸大小和成本因素的考慮，矽中介層晶圓的厚度要非常薄。目前，一般的厚度是100微米(μm)，已可符合大小的考慮。然而，矽穿孔(TSV)制程是一種可降低成本的主要作法；制作一個(gè)10微米×50微米TSV的成本會(huì)比制作一個(gè)10微米×100微米TSV低很多。
晶圓薄化可透過將矽中介層晶圓臨時(shí)接合到載具晶圓上，然后針對(duì)晶圓背面減薄則可完成。載具晶圓會(huì)有機(jī)械性支持的作用，避免晶圓發(fā)生斷裂現(xiàn)象，且會(huì)補(bǔ)償矽中介層晶圓內(nèi)所需的應(yīng)力。
減少晶圓的厚度是一種可降低矽中介層成本的方法，但在剝離制程(Debonding)后，厚度較薄的晶粒則在機(jī)械性穩(wěn)定度、應(yīng)力和矽中介層晶粒的弓形度/撓曲度的處理上都有可能出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)。其中，可以解決這些難題的方法是在薄薄的矽中介層晶圓，仍在載具晶圓上時(shí)即進(jìn)行晶粒-晶圓級(jí)接合。隨后，其他步驟則可進(jìn)行晶圓級(jí)制程。
晶粒-晶圓級(jí)整合是一個(gè)促成凸塊后置(Bump-last)整合架構(gòu)的步驟。用膠合連接矽中介層的覆晶凸塊(C4 Bump)非常脆弱，同時(shí)在熱壓接合制程中容易脫離。不過在接合制程后才產(chǎn)生覆晶凸塊，則可完全避免凸塊脫離的風(fēng)險(xiǎn)。凸塊后置的形成亦會(huì)產(chǎn)生一個(gè)薄薄的黏著層，這可提升暫時(shí)接合制程的產(chǎn)量，同時(shí)也可減少黏著劑的用量和降低成本；再者，凸塊后置Bump Last的形成也代表凸塊的回焊(Reflow)溫度不會(huì)讓背面制程有所限制。
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