eng
Выпуск #2/2025
Д. Суханов
ЭКСТРЕМАЛЬНОЕ УТОНЕНИЕ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН И ФОРМИРОВАНИЕ НАНО-TSV ДЛЯ 3D ГЕТЕРОГЕННОЙ ИНТЕГРАЦИИ
ЭКСТРЕМАЛЬНОЕ УТОНЕНИЕ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН И ФОРМИРОВАНИЕ НАНО-TSV ДЛЯ 3D ГЕТЕРОГЕННОЙ ИНТЕГРАЦИИ
Просмотры: 643
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.243.2.112.114
Рассмотрены современные технологии, которые дают возможность выполнить утонение кремниевых пластин до 500 нм и сформировать нано-TSV с размерами ~180 × 250 нм и глубиной 500 нм.
Рассмотрены современные технологии, которые дают возможность выполнить утонение кремниевых пластин до 500 нм и сформировать нано-TSV с размерами ~180 × 250 нм и глубиной 500 нм.
Экстремальное утонение кремниевых пластин и формирование нано-TSV
для 3D гетерогенной интеграции
Д. Суханов
Схемы интеграции 3D-систем на кристалле требуют применения процесса бондинга «пластина к пластине» (Wafer-to-Wafer, W2W), позволяющего напрямую соединять внутренние слои (Back End Of Line, BEOL) двух пластин, в сочетании со сквозными отверстиями в кремнии (Through-Silicon Via, TSV). Для развития микроэлектроники и продолжения «жизни» закона Мура [1] необходимо использовать новый подход, сочетающий экстремальное утонение кремния с последующим травлением наноразмерных TSV. Это позволит обеспечить электрические соединения с очень высокой плотностью интеграции. В данной статье рассмотрены современные технологии, которые дают возможность выполнить утонение кремниевых пластин до 500 нм и сформировать нано-TSV с размерами ~180 × 250 нм и глубиной 500 нм.
Что такое TSV и нано-TSV?
В чем их отличие?
TSV обычно используют для соединения обратной стороны пластины с лицевой через несколько микрон утоненной Si-пластины. Размеры микро-TSV обычно составляют ~1 мкм
в диаметре и 5 мкм в глубину. Для субмикронных межсоединений толщину Si-плаcтины необходимо уменьшить, чтобы сохранить соотношение сторон TSV ниже 10:1. В идеале, для нано-TSV с размерами ~180 × 250 нм требуется, чтобы слой Si был тоньше 1 мкм.
На рис. 1 показаны типовые структуры устройств для микро- и нано-TSV.
Что представляет собой утонение кремниевых пластин в разрезе формирования нано-TSV?
Утонение Si-пластин до толщин в 5 мкм может быть достигнуто путем шлифовки, химико-механической полировки (ХМП) и сухого травления. Окончательное изменение общей толщины (Total Thickness Variation, TTV) обычно составляет 2 мкм [3]. Сухим травлением удаляется 40–50 мкм Si (остается 5 мкм). Однако при однородности травления на уровне ±2 % это приводит к TTV ~1,8 мкм. Такие комбинации процессов не могут решить проблему утонения до ~0,5 мкм.
Для достижения желаемой конечной толщины в 0,5 мкм используется комбинация сухого и жидкостного травлений вместе со стоп-слоем [4]. Эпитаксиальный слой SiGe25% толщиной 50 нм сначала выращивается на Si-пластине, а поверх него выращивается закрывающий слой эпитаксиального Si толщиной 500 нм. Этот закрывающий слой Si и является отправной точкой для изготовления нано-TSV.
Следующим этапом является процесс FEOL (front end of line) в закрывающем слое Si толщиной 500 нм. Затем верхняя пластина, на которой располагаются конечные устройства, и несущая пластина соединяются диэлектрическими слоями «лицом к лицу».
Следующая часть технологического процесса показана на рис. 2. Верхняя пластина утоняется шлифованием до 50 мкм. Оставшаяся толщина Si должна быть больше, чем толщина, на которую повлияло механическое воздействие, поскольку недопустимо попадание трещин и дислокаций в активные области устройств. Затем еще 1 мкм полируется с помощью ХМП. На этапе сухого травления удаляется еще ~40 мкм Si, чтобы оставить 10 мкм над слоем SiGe. После сухого травления оставшийся Si имеет TTV около 2 мкм. Этап жидкостного травления удаляет оставшиеся 10 мкм Si с SiGe. Жидкостное травление компенсирует 2 мкм TTV, оставляя TTV у слоя SiGe на уровне ~20 нм. Сам слой SiGe подвергается жидкостному травлению с использованием реагента с высокой степенью селективности SiGe к Si, обнажая эпитаксиальный слой Si толщиной 500 нм.
На рис. 3 показана толщина Si и TTV рабочей пластины во время процессов утонения. Окончательный Si имеет TTV около 70 нм, что идентично изменению толщины эпитаксиально выращенного слоя Si. После этого пластины готовы к проведению процессов по формированию нано-TSV.
Формирование нано-TSV
Процесс формирования нано-TSV (180 × 250 нм с глубиной 500 нм) показан на рис. 4. Травление нано-TSV выполняется с использованием быстрого Bosch-процесса. Травление должно останавливаться на тонком диэлектрическом слое, покрывающем металлический слой M1, в противном случае могут возникнуть проблемы с надежностью конечных устройств [5]. После травления нано-TSV конформно осаждается 10 нм оксида кремния путем атомно-слоевого осаждения. Затем лайнеры TSV и M1 протравливаются за одну операцию, чтобы обнажить M1. Нано-TSV покрывают барьерным слоем Ta/TaN и затравочным слоем из системы металлов, после чего заполняют всё Cu и выравнивают поверхность с помощью ХМП. Наконец, формируется Cu-пробка, которая завершает металлический слой на обратной стороне (back side metal, BSM1).
Существуют два типа TSV/нано-TSV: «фиктивные» (dummy) TSV, которые «ставятся» на диэлектрик с мелкощелевой изоляцией (shallow trench isolation, STI); «посаженные» (landing) TSV, которые подключаются к M1.
На рис. 5 показаны результаты отработки процесса травления нано-TSV. Bosch-процесс был настроен в части уменьшения времени цикла, чтобы получить меньший уровень «зубчатости» стенки, соответствующий размерам нано-TSV.
Какое будущее ожидает 3D гетерогенную интеграцию с применением нано-TSV?
Интеграция с применением нано-TSV реализует потребность микроэлектронной отрасли в поиске новых схем и в разработке новых процессов.
На сколько хватит данного решения – давайте следить за развитием событий в микроэлектронном мире вместе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Суханов Д. Шаг по направлению к квантовой электронике или жизнь микроэлектроники в эпоху постМура // Вектор высоких технологий. 2021. №2 (52). С. 20–25.
2. Thomas D., Jourdain A. Extreme Si thinning and nano-TSVs to advance 3D heterogeneous integration // Chip Scale Review. 2021. V. 25. No. 1. PP. 34–38.
3. Jourdain A. et al. Extreme thinning of Si wafers for via-last and multi-wafer stacking applications. – IEEE 68th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). 29 May – 01 June 2018.
4. Jourdain A. et al. Extreme wafer thinning and nano-TSV processing for 3D heterogeneous integration.
для 3D гетерогенной интеграции
Д. Суханов
Схемы интеграции 3D-систем на кристалле требуют применения процесса бондинга «пластина к пластине» (Wafer-to-Wafer, W2W), позволяющего напрямую соединять внутренние слои (Back End Of Line, BEOL) двух пластин, в сочетании со сквозными отверстиями в кремнии (Through-Silicon Via, TSV). Для развития микроэлектроники и продолжения «жизни» закона Мура [1] необходимо использовать новый подход, сочетающий экстремальное утонение кремния с последующим травлением наноразмерных TSV. Это позволит обеспечить электрические соединения с очень высокой плотностью интеграции. В данной статье рассмотрены современные технологии, которые дают возможность выполнить утонение кремниевых пластин до 500 нм и сформировать нано-TSV с размерами ~180 × 250 нм и глубиной 500 нм.
Что такое TSV и нано-TSV?
В чем их отличие?
TSV обычно используют для соединения обратной стороны пластины с лицевой через несколько микрон утоненной Si-пластины. Размеры микро-TSV обычно составляют ~1 мкм
в диаметре и 5 мкм в глубину. Для субмикронных межсоединений толщину Si-плаcтины необходимо уменьшить, чтобы сохранить соотношение сторон TSV ниже 10:1. В идеале, для нано-TSV с размерами ~180 × 250 нм требуется, чтобы слой Si был тоньше 1 мкм.
На рис. 1 показаны типовые структуры устройств для микро- и нано-TSV.
Что представляет собой утонение кремниевых пластин в разрезе формирования нано-TSV?
Утонение Si-пластин до толщин в 5 мкм может быть достигнуто путем шлифовки, химико-механической полировки (ХМП) и сухого травления. Окончательное изменение общей толщины (Total Thickness Variation, TTV) обычно составляет 2 мкм [3]. Сухим травлением удаляется 40–50 мкм Si (остается 5 мкм). Однако при однородности травления на уровне ±2 % это приводит к TTV ~1,8 мкм. Такие комбинации процессов не могут решить проблему утонения до ~0,5 мкм.
Для достижения желаемой конечной толщины в 0,5 мкм используется комбинация сухого и жидкостного травлений вместе со стоп-слоем [4]. Эпитаксиальный слой SiGe25% толщиной 50 нм сначала выращивается на Si-пластине, а поверх него выращивается закрывающий слой эпитаксиального Si толщиной 500 нм. Этот закрывающий слой Si и является отправной точкой для изготовления нано-TSV.
Следующим этапом является процесс FEOL (front end of line) в закрывающем слое Si толщиной 500 нм. Затем верхняя пластина, на которой располагаются конечные устройства, и несущая пластина соединяются диэлектрическими слоями «лицом к лицу».
Следующая часть технологического процесса показана на рис. 2. Верхняя пластина утоняется шлифованием до 50 мкм. Оставшаяся толщина Si должна быть больше, чем толщина, на которую повлияло механическое воздействие, поскольку недопустимо попадание трещин и дислокаций в активные области устройств. Затем еще 1 мкм полируется с помощью ХМП. На этапе сухого травления удаляется еще ~40 мкм Si, чтобы оставить 10 мкм над слоем SiGe. После сухого травления оставшийся Si имеет TTV около 2 мкм. Этап жидкостного травления удаляет оставшиеся 10 мкм Si с SiGe. Жидкостное травление компенсирует 2 мкм TTV, оставляя TTV у слоя SiGe на уровне ~20 нм. Сам слой SiGe подвергается жидкостному травлению с использованием реагента с высокой степенью селективности SiGe к Si, обнажая эпитаксиальный слой Si толщиной 500 нм.
На рис. 3 показана толщина Si и TTV рабочей пластины во время процессов утонения. Окончательный Si имеет TTV около 70 нм, что идентично изменению толщины эпитаксиально выращенного слоя Si. После этого пластины готовы к проведению процессов по формированию нано-TSV.
Формирование нано-TSV
Процесс формирования нано-TSV (180 × 250 нм с глубиной 500 нм) показан на рис. 4. Травление нано-TSV выполняется с использованием быстрого Bosch-процесса. Травление должно останавливаться на тонком диэлектрическом слое, покрывающем металлический слой M1, в противном случае могут возникнуть проблемы с надежностью конечных устройств [5]. После травления нано-TSV конформно осаждается 10 нм оксида кремния путем атомно-слоевого осаждения. Затем лайнеры TSV и M1 протравливаются за одну операцию, чтобы обнажить M1. Нано-TSV покрывают барьерным слоем Ta/TaN и затравочным слоем из системы металлов, после чего заполняют всё Cu и выравнивают поверхность с помощью ХМП. Наконец, формируется Cu-пробка, которая завершает металлический слой на обратной стороне (back side metal, BSM1).
Существуют два типа TSV/нано-TSV: «фиктивные» (dummy) TSV, которые «ставятся» на диэлектрик с мелкощелевой изоляцией (shallow trench isolation, STI); «посаженные» (landing) TSV, которые подключаются к M1.
На рис. 5 показаны результаты отработки процесса травления нано-TSV. Bosch-процесс был настроен в части уменьшения времени цикла, чтобы получить меньший уровень «зубчатости» стенки, соответствующий размерам нано-TSV.
Какое будущее ожидает 3D гетерогенную интеграцию с применением нано-TSV?
Интеграция с применением нано-TSV реализует потребность микроэлектронной отрасли в поиске новых схем и в разработке новых процессов.
На сколько хватит данного решения – давайте следить за развитием событий в микроэлектронном мире вместе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Суханов Д. Шаг по направлению к квантовой электронике или жизнь микроэлектроники в эпоху постМура // Вектор высоких технологий. 2021. №2 (52). С. 20–25.
2. Thomas D., Jourdain A. Extreme Si thinning and nano-TSVs to advance 3D heterogeneous integration // Chip Scale Review. 2021. V. 25. No. 1. PP. 34–38.
3. Jourdain A. et al. Extreme thinning of Si wafers for via-last and multi-wafer stacking applications. – IEEE 68th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). 29 May – 01 June 2018.
4. Jourdain A. et al. Extreme wafer thinning and nano-TSV processing for 3D heterogeneous integration.
Отзывы читателей
