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从3D IC/TSV 的不同名词看3D IC 技术 (下)
 

【作者: 唐經洲】2010年05月05日 星期三

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TSV制程关键名词解析


穿晶片孔(Through Chip Via; TSV)


此为Toshiba在其chip scale camera module(CSCM)技术中用到的名词(图一)。此技术就是为了设计3D CIS。



《图一 Toshiba 的chip scale camera module (CCM)技术》


晶片间穿孔 (Interchip via; ICV)


@內文:此为IZM 1998至2009年名词。通常与ICV-SLID (Inter-Chip Via Solid Liquid Inter-Diffusion)合用(图二)。 ICV 的意思是Inter-Chip Vias, 也就是从最上层的TEOS 挖孔到最下层的TEOS,这也是一种TSV 技术,而SLID 是透过Cu-Sn间的相互扩散到到黏合效果,用来作电器与机械的相连之用,也就是当电器可以相连的时候,这些接点也是有一定的应力可以粘住两个晶元。




《图二 Fraunhofer IZM 的 ICV 技术(左)与SLIT 技术(右)》




垂直连线 (Vertical Interconnect; VIC)


这个名词不是在说TSV,是1997 年的时候美国Starkey 实验室的名词。当初是为了一个耳内(in-the-ear; ITE)的助听器所设计的一个三维封装内的一个垂直导线技术。如图 3是Starkey 以MCM 技术所设计的ITE 助听器,虽然是MCM ,但是其封装是立体的。垂直的导线也不是 TSV。当然依造这个架构,TSV 技术可以使其封装的体积更小。



《图三  Starkey 第一个3D 封装的助听器(1997)》


打线孔 (Bond Vias)


此为 2009 年 ,Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) 教授 James Lu 的名词。首先,RPI 对于Via-Last制程的TSV就分为Plug TSV 与Bridge TSV 两种(如图 4)。 Plug TSV 看来是一个TSV 与该层的元件有所接触,而Bridge TSV 仅是做讯号线的穿越,也就是如同 SOC 绕线中常谈到的Feed Through。 Via-First 的制程中(图5),出现了Bond Via这个名词,这个名词不是为了替换TSV,反而是用以跟TSV 区隔,因为,RPI 的Via-First 3D 整合技术中,需要在键合层做出类似「挖洞」的动作。传统「两层中间的层」(interstrata layer)上不会挖洞,而是先将柱子做好,然后外部的Adhesive 再包住这个柱子,但是RPI 看来是用TSV 的技术在Adhesive 上面挖洞。因为根据文献,这个Bond Via 也包含了Isolation Layer, Barrier/Liner Layer, 与Seed Layer,填孔的金属则用金属键合(m​​etal)、共晶键合(Eutectic)或者是利用锡铅凸块( solder)的方式填入。这个名词的确很有意思,因为,这个名词结合了原有打线(bonding wire) 的bond与挖洞 的 via两个名词。理论上,打线就不是Via,既然挖洞了就不会是用bonding wire。所以他们强调,这个 Via 是透过Boding 所创造出来的。



《图四 RPI 的Plug Via 与Bridge Via ‎》


《图五  RPI 的TSV 与 Bond Via 关联图》


矽穿孔 (Silicon Through via; TSV)


此为IBM 在 JSSC 2006、韩国KAIST 在2007 年与 IBM 在 DAC 2008 的名词。图 七是KAIST 为了抑制一般数位电路中常看到的SSN (Simultaneous Switching Noise)与减少PDN (Power Distribution Network) 的电阻所发展的3D IC,可以看到STV 就是我们所谓的TSV。这个铜STV 大小为75um、高度为90um、间距则为150um。



《图六 韩国KAIST 的STV 观念》


矽穿孔/堆叠 (Thru Silicon Via/Stacking; TSV/TSS)


这是Qualcomm 在2008 SEMICON Taiwan 的名词。名词都一样,只是多了一个TSS 说明堆叠的事情。



铜柱 (Cu Pillar/Cu Post)


这个名词并不是在说明TSV,而是ST (2009) 说明上下两个Chip 透过 Cu-Cu 键结后所形成的类似柱状结构(图七)。




《图七  ST 的Cu Pillar 示意图 (2009) (Source: ST‎)》




铜桩 (Cu Post)


这个名词也不是TSV 的名词,ITRS 与INEMI 2009 都曾经用过这个名词,用以说明WL-CSP 的Bumping 结构。也是 Univ. of Arkansa 的名词。



《图八 ITRS/iNEMI 的Cu Post 示意图 (2009) (Source: iNEMI) 》


结论


由上面几个不同的TSV 名词可知:



●TSV ​​是3D Integration 其中的一种可用的连线方式,它并不是唯一。



●不ㄧ定要Through Silicon,也可以Through GaAS,也可以Through interposer 或者是Through interstrata layer



●过程中的Via formation 并没有「Through」(贯穿),而是只是有一个洞而已,这个洞称之为盲洞(blind via)。



●挖洞并不ㄧ定要有「挖」的动作,其实早在1992 年休斯公司为了军事需求所设计的3-D VLSI Computer,所用的技术与TSV 很像,但是并不是用挖孔的方式,却是用「conductive vias through the silicon wafer」的方式‎,单纯称之为「feedthrough」,这种孔也是穿越过矽晶片,但是,却不是用「外力挖洞」的方式,而是利用晶圆片上温度的差异,使铝原子具有热移动能力(thermal migration) 能力,将上层的铝颗粒(AL drop) 金属融入到晶圆片后贯穿出晶圆片。



●光是有TSV 也不能连接上下两层晶圆,必须透过RDL 或者是Bonding 层内的绕线。



●TSV ​​不一定是在晶圆内部,也有可能是在Interposer 上。



●同一片晶圆上的CSV 的尺寸大小可能不一。



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