成果報告書詳細
管理番号20110000000713
タイトル*平成22年度中間年報 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 省エネ情報機器のための超並列バスによるヘテロジニアス・マルチチップ積層 Cool System の研究開発(2)
公開日2011/6/7
報告書年度2010 - 2010
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P09015
部署名エネルギー対策推進部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
1)微細接続電極によるチップ接続技術の開発
本研究開発では、LSIチップ間のバス通信配線を最短で接続するため、従来に比べてバス幅を拡張した超並列通信バス接続を、LSIチップの中心部に形成することを特徴とする。このLSIチップの周辺部には、超並列通信バスに加えて電源や外部とのI/O用の微細接続電極を同時に形成する必要がある。そのため、微細接続電極を用いたチップ接続技術の開発では、平成22年度末までに、チップ中心部に超並列通信バス用の微細接続電極を配置して、これを用いたフリップチップ実装を行うことを目標として、具体的には、チップ中心部に10μmの寸法を持つ錐形微細バンプを50μmピッチで40個×40個=1600個のアレイ配置したテストチップを試作し、フリップチップ実装に必要となる基礎特性評価を行った。
積層LSI各層のLSIチップ厚みは数十μmと一般的なLSIチップ厚みと比較して非常に薄く脆弱であるために,マイクロバンプを熱圧着する積層プロセスにおいては低温・低荷重接合によってLSIチップに与える機械的ダメージを低減する必要がある.一般的にマイクロバンプははんだやめっきプロセスによって形成されるが,我々は,ナノ粒子を高速に堆積させる成膜技術によって自己完結的に錐形状をしたマイクロバンプを形成する技術を研究開発している.この技術において、錐形バンプの形成は図1に示すナノ粒子堆積技術を用いて行う。同図で1気圧のヘリウムガス雰囲気のナノ粒子生成チャンバー内で、高周波加熱で約1500℃に加熱されたルツボ内の成膜金属(Au)を蒸発させる。この金属蒸気はヘリウムガスで冷却され、凝縮してナノメートルオーダーの粒子(ナノ粒子)となり、成膜チャンバーに連結されるナノ粒子搬送管を通じて同チャンバーに導かれる。成膜チャンバーは真空排気されているため、ナノ粒子はノズルより噴出し、精密ステージにマウントされた基板上に噴射、堆積される。
英文要約Title:Energy-saving innovation Project of Leading Research on Heterogeneous Multi-Chip-Stacking Cool System with Ultra-Wide Inter-chip Bus for Energy-saving Information Appliances (FY2009-FY2011) FY2010 Annual Report
  It is very important to make an ultra-wide inter-chip bus on a LSI chip in order to realize a heterogeneous multi-chip-stacking cool system. Micro cone-shaped bumps of more than 1000 which are fabricated on center part of the chip by a nano-particle deposition method are used to the inter-chip bus connections. The micro cone-shaped bump can be compressed at a small suppression pressure without enlargement of the bump size.
10μm-cone-shaped Au bumps were formed at the central area of the chips fabricating by an ultra violet (UV) lithography and a nano-particle deposition method. X-ray diffraction (XRD) analysis was performed for determination of the crystallite size compared with other deposition methods of sputter and evaporation.
The cross section of the bump was observed to investigate growth mechanism using FIB (Focused Ion Beam) and SEM (Scanning Electron Microscope). It was found that the nano-particle deposition proceeded simultaneously at a bottom and a top edge of photo-resist hole pattern with growth directions of perpendicular and horizontal respectively.
The strain-stress properties were measured for the micro cone-shaped Au bumps and the conventional pillar-shaped bumps to estimate the required pressure of the flip-chip bonding of the heterogeneous multi-chip-stacking cool system. The pressure value should be reduced more than 10 times compared with the conventional one.
A computer simulation of the nano-particle deposition method was performed to investigate the growth mechanism of the micro cone-shaped Au bumps. The distribution profile of the nano-particle deposition at the photo-resist hole pattern.
Base on the above conditions, the flip-chip bonding of test chips with 10 micron cone-shaped 40x40 array bump was performed.
A fabrication process of the low capacitance through-silicon-via (TSV) was determined as following process steps of (1) photolithography for through-hole pattern, (2) deep reaction ion etching (DRIE) of Bosch process method, (3) SiO2 insulator formation by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) with a tetraethoxysilane (TEOS) , (4) barrier metal formation, (5) Cu seed layer formation by a vacuum dry process, which is different from common spatter deposition method, (7) Cu implanting into the TSV by a plating method, (8) thinning the silicone thickness by back-grinding and chemical-mechanical polishing (CMP) methods, (9) wiring electrode formation by evaporation method.
In order to check the above-mentioned process, test sample was made for confirmation of the SiO2 insulator formation in the 10 micron diameter TSV and the Cu implanting into the TSV. The SiO2 insulator thickness of more than 0.2 micron was observed at the top edge, inner surface, bottom and bottom edge, which means that the low capacitance of 2pF of the TSV can be realized. Cu implantation of the TSV was also confirmed without the void.
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