半導體商導入意願濃厚 TSV應用加溫

TSV技術應用即將遍地開花。

隨著各大半導體廠商陸續將TSV立體堆疊納入技術藍圖，TSV應用市場正加速起飛，包括影像感應器、功率放大器和處理器等元件，皆已開始採用；2013年以後，3D TSV技術更將由8寸晶圓逐漸邁向12寸晶圓應用。

三維矽穿孔的應用已相當廣泛，目前至少用於包含影像感應器、快閃記憶體、動態隨機存取記憶體、處理器、現場可編程閘陣列、類比元件及功率放大器等元件。

據專家評估，能夠整合各家廠商異質晶片的究極3D IC，預估將在2015年左右問世，並且導入量產。

CoC晶片堆疊開先河

3D IC在專家的定義中總是與TSV脫不了關聯，但是進入立體堆疊的第一步，卻是晶片級技術CoC。

CoC會先將晶片磨薄，並且在沒應用TSV的情形下，仍可進行晶片鍵合，這個作法首先是由AT&T貝爾實驗室所提出，而英飛凌在2005年時所發表銅/鋅擴散焊球製程，也是應用這種CoC互連技術。

索尼在2005年使用CoC技術，把微處理器併到記憶體上，以滿足PlayStation效能需求。

然而當時索尼指出，想要達到預期的良率水準，仍需一段更長的時間。

另外，在數位相機與手機的應用上，瑞薩電子也應用過CoC技術。

他們採用的主要原因之一，是因為須要在記憶體與中央處理器或特殊應用積體電路間提供更大的資料傳輸能力。

而CoC技術另外也具有可協助減少接線端子板數目、有更快的執行速度以及更小的尺寸等好處。

當時瑞薩在Ni的凸塊底層金屬，使用SnAg焊球，做為其微凸塊之用。

當然，應用CoC技術時，廠商最注意也是其最特別的地方，在於其可供應高速資料傳輸的特性，因為記憶體晶片使用微凸塊與邏輯IC直接互連，且應用獨立的記憶體晶片，也毋須再內嵌DRAM，且不會有效能下降風險。

另外，這種微凸塊結構提供比打線接合更多的互連，且有更低的寄生電容、電阻及電感，因此會讓DRAM與邏輯晶片間有更大的訊號頻寬，而有更快的資料傳輸率。

TSV立體堆疊應用普遍

在堆疊晶片的技術上，除了選擇使用CoC技術外，正宗的選項當然是TSV技術。

影像感應器最先採用

影像感應器是TSV技術的第一波應用；包括東芝、意法半導體、三星，以及Oki Electric，都已經有生產線，而美光的TSV影像感應器則已被移轉到子公司Aptina。

Tessera買了ShellCase後，已發展出可應用在影像感應器上的TSV技術。

台灣的精材、日本的三洋以及中國蘇州的晶方皆已獲得該技術授權。

首德也發展出類似架構，如可用在產生低電阻與高品質電路的背面孔蝕刻及光阻劑噴洒塗膜等技術，且也準備好授權。

研究報告指出，在互補式金屬氧化物半導體影像感應器產品上使用背面挖洞技術，可提供較小封裝尺寸的優點，如ST與Leti共同發表的產品--具有二十三個輸入輸出的影像感應器，可以產生直徑70微米TSV孔徑，且最小可達間距是150微米。

功率放大器藉TSV技術接地

在功率放大器的相關應用上，IBM發表過可以使用塊晶技術來製造應用TSV的功率放大器，以0.35奈米的技術節點應用於移動式設備上。

對於任何高頻操作的功率放大器來說，在射極接地導線的電感，會減少電晶體可得的功率，為了克服這個現象，IBM選擇在基底的背面進行蝕刻，以產生TSV的穿孔並且進行接地，這是他們在GaAs HBT功率放大器所做的附加動作。

在2008年，IBM宣布開始提供此技術於其上市商品SiGe功率放大器上，其晶片尺寸為1.125毫米×1.2毫米，且有十個TSV孔，這種作法與以往接合處只能在晶片邊緣四周有所不同。

必要時，此種TSV技術還可以置放在靠近電能槽附近，亦即能夠比打線接合封裝的方式減少大約20%的尺寸大小，也可以有傳統打線封裝電感的二十分之一，但是以結構來看，IBM的作法仍屬於單一晶片，並沒有做任何的晶片堆疊，可是至少有應用TSV技術。

TSV實現更高效能處理器

現今設備的運算能力，已被CPU、快取與主記憶體間的頻寬及訊號延遲等問題所限制，使用3D IC整合堆疊技術可讓微處理器縮短互連長度，因而改善系統效能。

想要對微處理器進行3D整合堆疊時，會有兩項主要挑戰，首先是如何把3D堆疊製程整合到高效能微處理器製程中，主要考量是如何對張力強化的矽元件與低介電係數介電質做處理，因為這兩者都對應力較為敏感；而3D堆疊通常會把元件層薄化到小於50微米，也就讓元件更容易產生應力效應，還有TSV接合的區域也會在堆疊時，因熱膨脹係數沒有搭配好，而產生熱機械應力與張力效應。

第二個主要的挑戰，則是須要解決當3D堆疊有效地增加電晶體密度後，讓堆疊體在散熱上更加錯綜複雜的問題。

這是因為微處理器有更高的耗電密度，且可用的散熱路徑有限，處理過熱的問題於是更加關鍵。

雖然在堆疊後的微處理器結構下，散熱會變得更差。

這類產品的第一波應用，是把快取記憶體接合到處理器。

在設計上，處理器會全面的被重新分區，這將涵蓋邏輯與邏輯晶片的相互堆疊空間，以便充分應用3D堆疊的好處，並達到較低的耗電與雜訊，但首先需要有更好的3D設計工具來支援Repartition。

索尼在2012年啟動應用TSV技術至新一代遊戲機的CPU/圖形處理器開發計劃，主要是想讓PlayStation遊戲機有更長的架上壽命，且藉由一系列的高規格、頂尖技術包含TSV互連的封裝，不斷地在其產品生命周期內更新其平台。

TSV邁向12寸晶圓應用

最近幾個月來，TSV已漸漸朝應用在12寸的晶圓上發展，但目前仍是以8寸為主要應用，幾個研發聯盟也都已有12寸TSV試產線，可以供材料、設備、製程等相關供應商進行研發。

首先，表2整理8寸與12寸晶圓在未來使用TSV堆疊至少兩顆晶片的應用產量，這個預測值包含各式應用，其中可以看出在2011年前，12寸晶圓的應用都僅止於研發階段，但在2013年開始便快速發展。

在那之前，各式的研發，都將於無晶圓、整合元件製造商、封裝廠，甚至於晶圓代工與封測代工廠進行。

目前影像感應器產品，並沒有太多的堆疊結構，但在各大廠的技術藍圖上，已將數位訊號處理器晶片堆疊進去；其中，又以CMOS影像感應器較會使用立體堆疊。

如先前所述，藉由使用背面顯影技術，影像感應器可拜TSV之賜而達到更小的尺寸。

表3是針對使用背面進行TSV製程的影像感應器所做的產量預估。

值得一提的是，影像感應器已進入3D堆疊應用，並且預測將於2013年，產量可達15億顆。

由於縮小尺寸是消費者的主要偏好，這個預測實現的可能性非常地高。

雖然僅有少數的資料探討到3D堆疊在功率放大器上，但從2009年起，使用TSV技術來製造功率放大器的應用已有其市場，主要還是在8寸的晶圓尺寸上，由於應用面比較廣，從2010年至2014年，產能將會大幅提升，表4即為使用TSV於功率放大器的應用預測。

CPU處理器應用TSV技術，預測大概會從22奈米之後才會開始，晶片尺寸大約263平方毫米，但使用TSV堆疊DRAM於CPU處理器上，預測必須到2014年之後才會有商品出現。

從表5可以看出應用於處理器上的TSV直至2013年後才會有產量出來，在這之前僅止於研發階段，而且目標大多鎖定12寸晶圓尺寸。

圖形處理器也可以在3D TSV技術上找到其本身的利基，輝達剛成立時，僅能夠將一百萬個電晶體製作在處理器上，而現在則可使用40奈米的技術將32億個電晶體擠進單一顆圖形處理器上。

可是耗電仍是個大麻煩，在進入90奈米後，耗電便一直增加，藉由使用應變矽、電軌、休眠模式及多重門檻電壓等技術，輝達宣稱可以在20毫米×20毫米的晶片尺寸下，維持僅130瓦的耗電。

另一個問題，則是漏電流。

根據輝達的說法，直流電在一開始會超過交流電壓，而當電晶體有較高的門檻電壓時，漏電流將更為嚴重，在接下來的兩代圖形處理器，將會有100億個電晶體，而漏電流須設法趨近零。

圖形處理器需TSV，以便讓邏輯晶片可以連結到DRAM與各個晶片上，而使得尺寸大大縮小。

廠商陸續導入TSV技術

TSV技術的應用，在固態技術協會宣布寬I/O介面DRAM應用TSV堆疊的標準後，才算有一個共通架構讓廠商得以取得共識。

不難想像，實際上還是有許多應用TSV的空間，只是基於成本、效能、可靠度、良率等不同層面的考量下，主流技術還未能轉到3D IC的身上。

話雖如此，自2008年起，陸續有半導體大廠正式將應用TSV的立體堆疊，規畫到技術藍圖中，如2011年12月台積電便決定獨力開發與供應TSV的製程服務。

雖然目前在市場上已有許多的公司規劃且有意導入TSV技術到自家的核心產品上，但由於成本較難估算，且價值鏈架構並不穩定，仍需時間來加以釐清，才可加速TSV市場應用。