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(gè)芯片上集成的器件增多,全局互連線隨之延長(zhǎng),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(jìn)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(jí)鍵合、管芯-晶圓鍵合、晶圓級(jí)鍵合。晶圓級(jí)鍵合中,各層芯片之間的互連是通過硅通孔(TSV)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)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(kuò)散鍵合、混合鍵合等。下面,分別對(duì)幾種鍵合方式進(jìn)行介紹。2直接鍵合晶圓的工藝改進(jìn)直接鍵合也稱為熔融(fusion)鍵合,其基本原理是讓兩個(gè)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(jìn)行。鍵合過程中,隨著相互接近的兩個(gè)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(gè)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(duì)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(jìn)了對(duì)準(zhǔn)精度,提高了互連密度、良率和產(chǎn)量。實(shí)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(huì)產(chǎn)生翹曲。此外,這種工藝對(duì)顆粒沾污特別敏感,在鍵合過程中,很小的顆?？赡軙?huì)造成很大的空隙3準(zhǔn)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(duì)面對(duì)準(zhǔn)后施加壓力,讓晶圓表面緊密接觸,對(duì)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容,可以在任何材料之間形成鍵合。對(duì)鍵合表面的平整度和潔凈度要求不高,可以在相對(duì)低溫下(鍵合溫度視聚合物材料而異,從室溫到450℃不等)達(dá)到所需鍵合強(qiáng)度。對(duì)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(yīng)力。用作粘合劑的主要是合成的有機(jī)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(huì)導(dǎo)致工藝復(fù)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(huì)縮小,造成芯片移位,影響鍵合精度,所以一般用在對(duì)精度要求不高的晶圓鍵合工藝中。另外,還要考慮粘合劑對(duì)器件及機(jī)臺(tái)設(shè)備的潛在污染4銅-銅鍵合鍵合金屬擴(kuò)散鍵合主要是銅-銅鍵合,在鍵合的同時(shí)完成垂直通孔連接,鍵合后對(duì)準(zhǔn)精度較高,密封性較其他方法好,而且金屬具有很高的熱導(dǎo)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(dǎo)到下層,從而實(shí)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(xué)特性,而且具有成本優(yōu)勢(shì),在CMOS集成電路晶圓級(jí)鍵合中一般都用銅作為鍵合材料,它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接和機(jī)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(shí)現(xiàn)的表面激活銅鍵合,另一種是熱壓法鍵合。對(duì)于固體而言,由于物質(zhì)內(nèi)部原子的熱運(yùn)動(dòng),在兩個(gè)面相互接觸時(shí),原子會(huì)向彼此內(nèi)部擴(kuò)散,如果外加一定的壓力和溫度,擴(kuò)散過程會(huì)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(shí)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(dá)到鍵合強(qiáng)度。由于溫度較高,熱壓鍵合法對(duì)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(shí)間等。K.N.Chen等人在銅-銅鍵合方面進(jìn)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(shí)現(xiàn)了基于應(yīng)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(xué)反應(yīng),形成機(jī)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接的鍵合。以Cu-Sn為例,首先,熔融狀態(tài)的Sn與Cu反應(yīng)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(shí)現(xiàn)了Cu-Sn鍵合點(diǎn)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(fù)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(diǎn),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(diǎn)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(diǎn)中焊料的用量比大尺寸凸焊點(diǎn)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(duì)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(jìn)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(shí)需要電學(xué)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(jī)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(shí)的溫度預(yù)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(shí)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(jí)鍵合和晶圓級(jí)鍵合工藝相兼容。考慮到晶圓級(jí)鍵合的低成本及高對(duì)準(zhǔn)精度,并且高對(duì)準(zhǔn)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(jí)鍵合中應(yīng)用混合鍵合。但是,晶圓級(jí)鍵合中堆疊芯片的尺寸必須相同,且鍵合后整個(gè)系統(tǒng)良率較低。對(duì)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(shì),一方面,這種方法對(duì)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(huì)比晶圓級(jí)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)