semiengineering.com; JUNE 15TH,2023

High-Density Fan-Out Packaging With Fine Pitch Embedded Trace RDL

高密度扇出封裝與細間距嵌入式線路RDL；具有有機介電層的雙大馬士革工藝（Dual Damascene, DM）銅制程克服了細線路定義的挑戰(zhàn)。

在新冠疫情期間，人工智能（AI）、高性能計算（HPC）和數(shù)據(jù)中心應用對高性能設備的需求大幅增加。與此同時，集成電路（IC）行業(yè)努力將硅技術節(jié)點最小化，以滿足在緊密成本約束下對計算性能的無休止要求。目前，使用納米片技術引入了2納米節(jié)點技術。該設計在相同功耗下提供了45%的速度提升，與7納米節(jié)點相比。然而，隨著節(jié)點尺寸的減小和晶圓產(chǎn)出顯著降低，設計成本和開發(fā)時間大幅增加，因為微小的缺陷可能會導致單個芯片的整體功能受損。芯片組技術是克服這些限制、以合理和可承受的價格為消費者提供最先進產(chǎn)品的最有效解決方案之一。

芯片組將先進節(jié)點大小的核心模塊與小型芯片分開，以提高晶圓產(chǎn)出并重復使用先前節(jié)點模塊的知識產(chǎn)權（IP），以降低設計成本。為了互連這些具有不同節(jié)點大小和不同材料的異構塊芯片，需要采用先進的集成電路封裝技術。以往，多芯片模塊（MCM）翻轉(zhuǎn)芯片球柵陣列（FCBGA）一直被傳統(tǒng)采用作為層壓基板上多芯片的異構接口。然而，由于基板的電路徑顯著長，它不適用于先進節(jié)點IC。采用2.5D硅穿孔（TSV）技術的模塊接口作為高性能封裝的新候選方案被引入，其具有極短的電路徑，但由于硅間質(zhì)的限制，在高頻（4-6 GHz）應用中性能有限[1]。因此，最近出現(xiàn)了一種高密度扇出（HDFO）接口，它去除了硅（Si）和無機介質(zhì)，并采用有機介質(zhì)。特別是Amkor Technology的HDFO被稱為基于硅片的扇出技術（S-SWIFT）封裝，為異構集成提供了更高帶寬的芯片間互連。

先前的研究已經(jīng)證明了它的出色性能[1, 2]。為了展示S-SWIFT方法，需要解決許多關鍵的設計方面，包括：微細間距μ-凸點接口、在熱組裝過程中準確控制組件的翹曲、毛細管封裝、過模封裝技術、穿模界面（如Cu高柱）、中端線（MEOL）過程和模側(cè)凸點過程。高密度重分布層（RDL）技術是展示HDFO插接模塊可行性的核心技術之一。HDFO中的RDL提供芯片間的接口，需要更高密度的RDL來互連具有較小節(jié)點大小的芯片塊。半添加工藝（SAP）用于制造HDFO模塊的RDL。

然而，SAP在定義細間距特征方面面臨一些挑戰(zhàn)。細線可能會因為高縱橫比而坍塌，由于與基板的接觸面積小，可能會出現(xiàn)分層，并且用作模板的光刻膠可能會殘留在通孔中[3]。為了克服這些問題，提出了一種使用有機介電層的DM銅制程的方法。在過程中，嵌入在有機介電層中的RDL可以防止種子層下挖問題。通過光刻在味之素疊層膜（ABF）型聚合物層上實現(xiàn)了DM銅制程的RDL [4]。評估了DM銅制程RDL在高頻應用中的優(yōu)勢。隨后，引入了一種實現(xiàn)DM銅制程RDL中小通孔的特殊制作方法[5]。使用高數(shù)值孔徑（NA）（0.48）的光刻工具，實現(xiàn)了顯著高分辨率的RDL（500納米）。還研究了使用光刻和干法刻蝕的方法進行DM銅制程RDL的聚苯并噁唑（PBO）制作[6]。討論了干法刻蝕后的開裂和銅電沉積后的過載問題。

為了克服上述挑戰(zhàn)，開發(fā)了一種嵌入式線路RDL（ETR）工藝，并驗證了ETR的圖案性能和可靠性。為了實現(xiàn)ETR，進行了關鍵的工藝優(yōu)化和材料修改。同時，還演示了使用ETR將ASIC、高帶寬存儲器（HBM）和基板相互連接的S-SWIFT封裝。這些設計元素成功通過了JEDEC標準的可靠性測試。

嵌入式線路RDL的能力

SAP通常用于制造通用封裝的RDL，其標準工藝流程如圖1（a）所示。首先，在載體晶圓上旋涂液態(tài)光可顯有機介電層，并通過光刻將通孔圖案對準。為了使Cu RDL能夠電沉積，通過濺射工藝在后烘烤的介電膜上沉積了屏障和Cu種子層。在種子層上，按照光刻膠（PR）工藝對齊RDL圖案，并進行Cu RDL的電沉積。最后，順序剝離和刻蝕PR模板以及Cu/屏障層。如前所述，由于其方便和可靠的工藝性能，SAP是通用IC封裝RDL解決方案的主流技術。然而，通過SAP進行RDL的尺寸縮小存在種子層下挖或側(cè)壁刻蝕等挑戰(zhàn)[7]。

通過在介電層中嵌入線路，可以解決這些挑戰(zhàn)而無需刻蝕過程。如圖1（b）和（c）所示，通過在預形成的鈍化層上電沉積Cu，并去除Cu過載，將DM銅嵌入有機介電圖案中。這種結(jié)構沒有Cu坍塌風險，也沒有側(cè)壁刻蝕問題，三面面對的屏障金屬具有增強的可靠性。此外，DM銅結(jié)構在高頻信號傳遞特性方面具有優(yōu)勢，因為即使在高頻信號中電流集中在淺層RDL表面時，三面面對的光滑Cu表面受電子散射的影響較小。[4]在圖1（b）的頂部顯示了在有機介電膜上形成具有RDL和通孔的DM銅結(jié)構的工藝流程。通孔和RDL結(jié)構是通過兩遍光刻工藝分別形成的，其中包括有機介電材料的旋涂、軟烘烤、紫外（UV）曝光、顯影和熱固化過程。

通過采用新穎的光刻技術，簡化了先前的工藝流程。如圖1（c）的頂部所示，通過對厚涂有機介電膜進行單次紫外（UV）曝光，可以形成通孔和RDL圖案。與當前的DM銅方法相比，這種方法減少了40%的RDL工藝步驟，甚至比SAP減少了33%。因此，工藝成本也可以降低。此外，由于通孔和RDL可以通過一次特殊設計的光刻遮罩進行形成，可以避免通孔和捕獲墊之間的錯位。

新的ETR工藝的圖案能力如圖2所示。可以形成具有2/1 μm線/空間的RDL溝槽圖案（圖2（a））和各種尺寸的通孔圖案（圖2（b））。如圖2（c）所示，ETR的最小通孔分辨率在頂部為3.15 μm，在底部為1.64 μm。這種方法在先進電路設計方面也具有優(yōu)勢。在通孔和RDL層疊加期間，RDL層需要一個用于補充對準工具的布局精度的捕獲墊，但ETR工藝則不需要。因此，額外的區(qū)域可以用于RDL，從而增加RDL的密度。

圖3展示了ETR工藝的RDL層疊加能力。由于細小的RDL圖案形成在介電膜的頂部，并且每個層面都是平坦的，因此ETR工藝可以實現(xiàn)顯著穩(wěn)定的層疊加。使用ETR工藝可以獲得具有2/1-μm線/空間和堆疊的無墊通孔，關鍵尺寸為2 μm的四層RDL。

關鍵工藝開發(fā)

為了實現(xiàn)ETR工藝，需要從旋涂有機介電膜開始對工藝參數(shù)進行精細控制。開發(fā)了極端均勻涂覆技術，以防止在有機介電膜的非均勻涂覆區(qū)域形成的化學機械拋光（CMP）陰影中產(chǎn)生金屬殘留物。圖4顯示了隨著極端均勻涂覆因子水平的變化，有機介電膜的橫截面厚度分布的變化。在均勻度水平為0的情況下，未應用極端均勻涂覆。從晶圓邊緣到180毫米處存在0.26 μm的涂覆高度差，導致CMP產(chǎn)生陰影。因此，在DM工藝后，晶圓邊緣殘留了較厚的Cu殘留物，盡管中心區(qū)域清晰可見。從圖5（a）和（b）的整個晶圓和放大圖像中可以看出，晶圓邊緣的RDL電路短路。

隨著極端均勻涂覆水平的提高，晶圓邊緣的CMP陰影減小。隨著極端均勻涂覆水平增加到3級，凹型曲率涂覆剖面減小，而采用極端均勻涂覆水平4時，變?yōu)橥剐屯扛财拭妫瑳]有CMP陰影。此外，由于采用極端均勻涂覆，膜厚總差異從未進行極端均勻涂覆的0.47 μm降低到進行極端均勻涂覆水平4的0.12 μm。由于極端均勻涂覆減小了CMP陰影，DM銅工藝后晶圓邊緣不會殘留Cu殘留物。這在圖5（c）中顯示，并且晶圓邊緣的放大圖像顯示在圖5（d）中。因此，通過應用顯著改善涂覆均勻性的4級涂覆配方，實現(xiàn)了非常高的良率。

圖6顯示了具有寬且細的RDL混合圖案的Cu電沉積ETR結(jié)構的橫截面圖像。在細小的RDL和小孔圖案的狹窄溝槽結(jié)構中，可以實現(xiàn)快速的Cu填充，這是因為電鍍液中的加速劑集中在Cu生長表面的大曲率區(qū)域上，并減小了曲率[8]。最初，這種孔填充原理僅適用于SAP方法中的小孔，但在DM銅工藝中，它也適用于狹窄溝槽結(jié)構。然而，在寬RDL的大溝槽中，由于除了溝槽角部分以外沒有具有大曲率的區(qū)域來集中加速劑物種，因此孔填充不起作用。因此，溝槽底部的電鍍速率幾乎與頂部表面平行，并且為了填充寬RDL，不可避免地需要在頂部表面形成較厚的過盈層。因此，需要進行大量的Cu CMP。

DM銅工藝的Cu CMP過程通常使用3個CMP平臺的3個步驟進行：（1）大塊Cu去除，（2）Cu拋光和（3）阻擋層和氧化層去除。在ETR工藝中，通過將Cu CMP與單個CMP平臺和濕法蝕刻工藝相結(jié)合，簡化了Cu去除過程。這種方法有利于降低工藝成本和提高工藝速度。首先，使用單個CMP平臺進行高速Cu CMP工藝進行大塊Cu去除。幾乎4μm的Cu過盈層以900 nm/min的去除速率迅速去除。在這種情況下，全晶圓區(qū)域的CMP均勻性的精細控制是困難的。因此，不可避免地需要超過CMP來完成整個晶圓表面的大塊Cu去除，并且阻止層的作用對于防止與過度CMP相關的問題（如過度凹陷或金屬或介電層消失）非常重要。圖7（a）顯示了晶圓區(qū)域的凹陷深度在整個超過CMP比例的情況下都受到均勻控制，且不超過90 nm，因為CMP停止層限制了超過CMP。

Cu殘留物在去除CMP和阻擋層之后通過經(jīng)濟高效的濕法蝕刻工藝而不是多步驟的CMP去除。Cu濕法蝕刻工藝清除了Cu殘留物。此外，由于刻蝕時間可以均勻控制Cu凹陷，因此還可以實現(xiàn)額外的Cu RDL高度控制，如圖7（b）所示。最后，阻擋層也通過標準的濕法蝕刻工藝清除。

S-SWIFT演示

使用如圖8所示的標準S-SWIFT組裝流程進行了ETR的S-SWIFT演示[1]。四層ETR疊加在硅晶圓上，無鉛焊料微球在ETR頂部進行電沉積。將帶有ASIC和HBM的多芯片與微球?qū)R，并通過質(zhì)量回流工藝連接。接下來，在ETR和多芯片之間進行毛細管填充。隨后，使用環(huán)氧模具化合物（EMC）對連接的芯片進行模具化處理，然后進行模具研磨以暴露多芯片以接觸熱界面材料（TIM）。使用紫外可分離膠粘劑在HDFO的前側(cè)上附著第二載體晶圓，并通過晶圓研磨和干法刻蝕工藝組合將背側(cè)晶圓移除，以形成背側(cè)的Cu柱。在Cu柱和無鉛焊料電沉積之后，使用紫外激光去除載體晶圓，并進行晶圓鋸切工藝。單個模塊被貼附在層壓基板上，并在模塊和基板之間施加填充材料。然后，使用TIM材料將蓋子貼附在S-SWIFT模塊的前側(cè)，并在背側(cè)附著焊球。

圖9顯示了S-SWIFT組裝過程的順序圖像。即使使用了SAP的標準組裝參數(shù)而沒有進行任何修改，S-SWIFT組裝仍然成功地進行了演示，沒有出現(xiàn)任何問題。如果對HDFO模塊使用了不同的RDL制造方法和不同的有機介電材料，由于機械特性的微小差異和包裝中可用的結(jié)構區(qū)域，它們可能對組裝過程沒有明顯影響。通過圖10中的橫截面圖像可以確定芯片和基板上的所有焊球都良好地附著在HDFO模塊上。雖然本文未提及，但通過X射線分析和掃描聲學斷層掃描（SAT）也已經(jīng)確認了這一點。因此，可以得出結(jié)論，通過使用ETR的S-SWIFT封裝實現(xiàn)了多芯片和基板的異質(zhì)互連。

可靠性性能

由于ETR周圍的種子層充當屏障，ETR的結(jié)構在電流、熱和濕度對可靠性的影響方面具有優(yōu)勢。特別是，該層阻止了Cu離子在偏壓高度加速應力測試（BHAST）期間由電流流動進入封裝層。

制作了兩層具有組合結(jié)構電路的ETR以驗證Cu離子遷移特性。在85％濕度和130°C條件下，對具有3.3 V偏壓的組合電路進行了96小時的BHAST。在此測試中使用了原型有機介電材料。在BHAST后，大多數(shù)組合電路由于來自沒有屏障層的ETR頂部的Cu離子遷移而短路（表1）。

在BHAST期間，有機介電材料內(nèi)部的Cu離子遷移現(xiàn)象類似于金屬的電沉積過程[9]。組合電路陽極處的Cu被3.3V陽極電位離子化，并通過有機介電材料內(nèi)部的水分，隨著溫度的支持而遷移到組合電路的陰極。Cu離子在組合電路的陰極處通過陰極電位被還原為Cu。這一連鎖反應導致了組合電路之間的樹枝狀Cu電極形成，從而引起了短路故障。最初，可以通過控制反應物的擴散來控制該反應。首先，通過控制工藝條件，防止水分吸附到聚合物內(nèi)部。結(jié)果，水分吸收隨著優(yōu)化的工藝條件而減少。接下來，進行了介電材料改進，以防止Cu被陽極電位電離。因此，抑制了Cu的陽極反應和通過水分擴散的反應物。因此，如表I所示，使用改進的有機介電材料和優(yōu)化的RDL工藝條件制備的樣品通過了BHAST測試。這些改進的介電材料和優(yōu)化的工藝條件被用于成功展示具有4層RDL的S-SWIFT封裝的可行性。

可靠性測試被用于評估S-SWIFT封裝中的ETR結(jié)構。所有可靠性測試條件，包括濕度浸泡等級4（MSL4），溫度循環(huán)測試條件G（T/C G），非偏壓高加速應力測試（UHAST）和高溫存儲（HTS）測試都符合JEDEC標準。如表2所示，所有樣品通過了T/C G 1500個周期、UHAST 360小時和HTS 1000小時的測試。

結(jié)論

嵌入式線路RDL已經(jīng)成為先進的高密度風扇封裝的RDL制造工藝，采用了一種具有減少周期時間和結(jié)構優(yōu)勢的新型光刻技術。它提供了一種有效的方法來實現(xiàn)具有小于2/1 μm線/空間和無捕獲墊的多層RDL。由于RDL層的平整性，ETR的疊層能力已經(jīng)確認可以達到6層。通過實施均勻涂覆、CMP和濕法腐蝕等創(chuàng)新的單元工藝技術，成功制備了ETR。通過修改介電材料和優(yōu)化工藝條件的努力，改善了HAST中的可靠性。

最后，通過使用ETR技術和Flip Chip組裝實現(xiàn)了ASIC和HBM的異構集成，成功演示了S-SWIFT封裝。組裝的單元通過了行業(yè)標準的器件級可靠性要求。