基于sv技術(shù)的三維集成技術(shù)

基于sv技術(shù)的三維集成技術(shù)

1維集成技術(shù)隨著設(shè)備規(guī)模的減小和芯片集成度的提高，傳統(tǒng)的二維集成技術(shù)面臨著巨大的困難。首先,由于單個芯片上集成的器件增多,全局互連線隨之延長,由此帶來互連線功耗增加、延遲增大等問題,限制了芯片性能的提高三維集成技術(shù)并不是指某一代技術(shù),而是指在第三維上進行芯片堆疊和互連布線,從而優(yōu)化電路連接的技術(shù)和工藝。三維集成技術(shù)一般可以分為晶體管堆疊、管芯級鍵合、管芯-晶圓鍵合、晶圓級鍵合。晶圓級鍵合中,各層芯片之間的互連是通過硅通孔(TSV)實現(xiàn)的應用于三維集成技術(shù)中的鍵合技術(shù)根據(jù)鍵合材料劃分,主要有直接鍵合、聚合物粘膠鍵合、共晶鍵合、金屬擴散鍵合、混合鍵合等。下面,分別對幾種鍵合方式進行介紹。2直接鍵合晶圓的工藝改進直接鍵合也稱為熔融(fusion)鍵合,其基本原理是讓兩個非常平整、潔凈的晶圓表面接觸形成范德瓦爾斯力。直接鍵合可以在硅與硅之間或氧化硅和氧化硅之間進行。鍵合過程中,隨著相互接近的兩個表面間氧氣轉(zhuǎn)化為固相的氧化硅,氧氣先前占據(jù)的體積大幅減小,從而在兩個晶圓表面之間形成局部真空,通過外部大氣壓使晶圓緊密接觸直接鍵合形成后不受高溫的影響,對后續(xù)工藝的要求較低,而且與其他鍵合方法相比,直接鍵合中熱膨脹引起的失配很少,因此改進了對準精度,提高了互連密度、良率和產(chǎn)量。實際上,制備高度平整和潔凈的晶圓表面幾乎是不可能的。一方面,晶圓表面很難做到在小的局域范圍內(nèi)高度平整;另一方面,由于晶圓各部分溫度不均勻,會產(chǎn)生翹曲。此外,這種工藝對顆粒沾污特別敏感,在鍵合過程中,很小的顆粒可能會造成很大的空隙3準工藝兼容晶圓鍵合技術(shù)聚合物粘膠鍵合是將聚合物粘合劑旋涂在一片或兩片晶圓的表面,面對面對準后施加壓力,讓晶圓表面緊密接觸,對聚合物粘合劑加熱或采用紫外線光處理,使粘合劑從液態(tài)或粘彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。聚合物粘膠鍵合與標準CMOS工藝兼容,可以在任何材料之間形成鍵合。對鍵合表面的平整度和潔凈度要求不高,可以在相對低溫下(鍵合溫度視聚合物材料而異,從室溫到450℃不等)達到所需鍵合強度。對器件沒有離子污染,具有很好的表面平坦度,可以很好地吸收晶圓鍵合過程中產(chǎn)生的殘余應力。用作粘合劑的主要是合成的有機大分子聚合物,其中BCB以上鍵合工藝中采用的是后通孔(via-last)技術(shù),所以高深寬比通孔的制作會導致工藝復雜度增加,并帶來成本上升。此外,作為粘合劑的聚合物體積會縮小,造成芯片移位,影響鍵合精度,所以一般用在對精度要求不高的晶圓鍵合工藝中。另外,還要考慮粘合劑對器件及機臺設(shè)備的潛在污染4銅-銅鍵合鍵合金屬擴散鍵合主要是銅-銅鍵合,在鍵合的同時完成垂直通孔連接,鍵合后對準精度較高,密封性較其他方法好,而且金屬具有很高的熱導率,在三維集成芯片中,上層芯片產(chǎn)生的熱量可以通過金屬通孔和金屬鍵合材料傳導到下層,從而實現(xiàn)較好的散熱功能。由于銅與CMOS后端工藝兼容,具有很好的電學特性,而且具有成本優(yōu)勢,在CMOS集成電路晶圓級鍵合中一般都用銅作為鍵合材料,它可以同時實現(xiàn)電學連接和機械連接的功能。銅-銅鍵合有兩種方法,一種是在室溫下就可實現(xiàn)的表面激活銅鍵合,另一種是熱壓法鍵合。對于固體而言,由于物質(zhì)內(nèi)部原子的熱運動,在兩個面相互接觸時,原子會向彼此內(nèi)部擴散,如果外加一定的壓力和溫度,擴散過程會加劇,這就是熱壓法鍵合的原理。銅表面在較高溫度下受到一定壓力的擠壓,發(fā)生塑性形變,使接觸面積不斷增大。經(jīng)過一段時間的高溫退火后,接觸面之間形成直徑較大的銅晶粒,使接觸表面達到鍵合強度。由于溫度較高,熱壓鍵合法對銅表面的潔凈度及腔體的真空度要求較低。影響鍵合質(zhì)量的因素主要包括圖形密度、壓力、溫度、時間等。K.N.Chen等人在銅-銅鍵合方面進行了系統(tǒng)的研究Intel公司的P.R.Morrow等人在2006年首次用銅-銅鍵合工藝在300mm晶圓上實現(xiàn)了基于應力/低5融狀態(tài)的cuamec共晶鍵合是指在較低溫度下兩種或多種金屬熔合并發(fā)生化學反應,形成機械特性不同于單質(zhì)金屬的合金相,即金屬間化合物(IMC,IntermetallicCompound),進而實現(xiàn)電學連接的鍵合。以Cu-Sn為例,首先,熔融狀態(tài)的Sn與Cu反應形成亞穩(wěn)態(tài)金屬間化合物CuIMEC利用先通孔工藝以及TLP(transientliquidphase)鍵合技術(shù),在200mm晶圓上實現(xiàn)了Cu-Sn鍵合點間距為60μm的芯片堆疊鍵合過程中,每堆疊一層芯片,就需要重復一次相同的高溫工藝,這樣有可能影響到前面已經(jīng)形成的連接點,并且產(chǎn)出也不高。利用單次回流技術(shù),可以提高共晶鍵合的產(chǎn)出,從而降低成本。新加坡科技研究局(A*STAR)隨著凸焊點尺寸和間距的不斷縮小,共晶鍵合的挑戰(zhàn)隨之而來。小尺寸凸焊點中焊料的用量比大尺寸凸焊點中焊料的用量小得多,這意味著生成的金屬間化合物(IMC)相對焊料的比例大大增加。隨著金屬間化合物的比例增加,由其引起的電遷移現(xiàn)象更加明顯,可靠性問題需要進一步解決6聚合物粘合劑使用混合鍵合是指在晶圓堆疊時需要電學連接的地方采用金屬鍵合完成,而其他地方則采用介質(zhì)直接鍵合提供機械支撐。介質(zhì)的選擇需要考慮的最主要因素是能夠與金屬鍵合時的溫度預算和表面處理工藝相兼容。因此,聚合物粘合劑和氧化硅均可作為混合鍵合的介質(zhì)。為了避免使用聚合物粘合劑帶來的可靠性問題,K.N.Chen提出一種同時用銅和氧化硅作為鍵合材料的混合鍵合結(jié)構(gòu)lock-n-key與其他幾種方法一樣,混合鍵合與管芯級鍵合和晶圓級鍵合工藝相兼容?？紤]到晶圓級鍵合的低成本及高對準精度,并且高對準精度可以保證高互連密度,因此,大多數(shù)研究都傾向于在晶圓級鍵合中應用混合鍵合。但是,晶圓級鍵合中堆疊芯片的尺寸必須相同,且鍵合后整個系統(tǒng)良率較低。對于異質(zhì)集成系統(tǒng)的制造而言,管芯-晶圓鍵合更有優(yōu)勢,一方面,這種方法對堆疊芯片的尺寸沒有限制;另一方面,可以保證鍵合工藝中采用的是已知好芯片(knowngooddie),所以良率也會比晶圓級鍵合高。為了提高管芯-晶圓鍵合的產(chǎn)出并降低制造成本,可以采用集體混合鍵合(collectivehybridbonding)方法7鍵合工藝的比較本文介紹了三維集成技術(shù)