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依公知及经验整理,原创保护,禁止转载。

专栏 《深入理解DDR》

全文 3300 字。

1 概念

1.1 什么是HBM TSV

使用 TSV 堆叠多个DDR DRAM成为一块HBM, 成倍提高了存储器位宽, 一条位宽相当于高速公路的一条车道, 车道越多, 在相同的车速下, 传输运输量自然越大。

1.2 TSV优点

(1) 高密度
减少了横向面积,在小尺寸的消费电子产品领域有优势, 提高系统集成度,在有限的空间集成更多芯片。

(2)提高电信号质量
相对于引线的方式,TSV的互连距离短,信号质量更好

(3)显著提升了存储器处理速度

(4)功耗也降低了。

1.3 TSV缺点

(1) 设计和实现复杂
(2)增加了测试成本

2 TSV技术

为了更快理解TSV封装,我们先比较下传统的引线键合和TSV的区别。

2.1 引线键合 vs TSV

在这里插入图片描述图: 引线键合 (来源: SK 海力士)
使用细线将芯片连接在电路板
在这里插入图片描述图: TSV 连接 (来源: SK 海力士)
在芯片上钻几百个孔, 电极直接穿透硅层,减少面积。

2.2 TSV 结构

TSV 示意图
在这里插入图片描述DRAM层与层之间是通过 TSV 即所谓 硅通孔来完成,PHY通过中间介质层和 GPU/CPU/Soc通信。

HBM TSV技术的关键是使用硅穿越孔连接多个芯片层。每个芯片层由一系列DRAM芯片组成,而这些层叠在一起,形成一个整体。硅穿越孔允许在不同芯片层之间进行数据传输,并且通过垂直连接提供了高带宽和低延迟的内存访问。

在这里插入图片描述图. TSV 实物图
中间柱子就是 TSV.

在这里插入图片描述图: TSV 截面图
看可截面图,从外到里分别是:
insulation layer: 绝缘层
Barrier layer: 阻挡层
Seed layer: 种子层,主要Cu, 铜, 这是TSV 主体。

2.3 TSV 分类(时间)

在这里插入图片描述图片来源: Cadence楷登PCB及封装资源中心

根据 TSV 在TVS 在制造哪个环节做,分为三种工艺:
Via First: 先做 TSV, 再做有源器件和互连
Via Middle: 先做有源器件, 再做 TSV, 最后做互连
Via Last:先做有源器件和互连, 再做 TSV

2.4 TSV 工艺流程

TSV 制造流程可以分为三大部分 [来源]:

  • TSV孔的制造、
  • 正面制程-大马士革工艺
  • 背面制程-露铜刻蚀和RDL制程。

TSV制造流程包括以下步骤:

    1. TSV刻蚀:使用深反应离子刻蚀(DRIE)技术来制造TSV孔。
    1. 刻蚀后清洗:采用湿法清洗方法对深孔进行清洗。
    1. TSV线层:使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术沉积二氧化硅保护层,以形成介电层。
    1. TSV障碍层/种子层沉积:采用物理气相沉积(PVD)技术,制造金属扩散障碍层和种子层。
    1. 铜填充:采用铜/钨电镀技术对孔进行填充。
    1. 铜退火:对电镀后的铜进行退火处理,提高铜的电迁移可靠性,并降低电阻率约20%。

正面制程-大马士革工艺

    1. 孔刻蚀、
    1. 刻蚀后清洗、
    1. TVS 阻挡层 / 种子层沉积、
    1. 电镀和化学机械抛光。

背面制程-露铜刻蚀和RDL制程包括以下步骤:

    1. 键合:进行临时键合。
    1. 薄片减厚:对薄片进行减薄处理。
    1. 露铜刻蚀:采用干法刻蚀的方式将TSV的铜柱露出(通过BFRBVR工艺)。
    1. 刻蚀后清洗:使用湿法清洗方法进行清洗。
    1. 钝化:采用PECVD技术对TSV表面进行钝化处理。
    1. SiO2化学机械抛光:去除铜柱上的氮化硅,从而为RDL准备。
    1. RDL制程:包括去胶、RDL物理气相沉积、光刻和金属阻挡层物理气相沉积等步骤。`

参考

1https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202403041625382250_1.pdf?1709568943000.pdf
2内存那些事儿----HBM和GPU算力
33D堆叠技术与TSV工艺
4高端封装技术:攻克存储器系统性能和容量限制

在这里插入图片描述

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