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解析!晶圆键合机三维集成电路关键技术

更新时间:2023-02-24  |  点击率:781
  晶圆键合机的晶圆级三维集成是一个新的概念,利用许多高级技术实现电路密度的增加和体积的缩小。下面介绍三项重要的关键技术。
 
  1、对准和键合:
  对准不精确导致电路故障或可靠性差。因此,对准精度的高低主导了的晶片接触面积和三维集成电路堆叠的成品率。对准精度与对准器和对准标记有关。也受操作员个人经验的影响。
 
  铜被广泛用于标准CMOS制造中。因此,铜是三维集成中连接两个设备层或晶圆的较好的选择。铜晶圆键合的原理是让两个晶片接触然后热压缩。在键合过程中,两个晶片的铜层可以相互扩散以完成键合过程。集成的质量与晶圆表面的清洁度和键合时间有关。
 
  一般来说,温度至少300~400℃才能完成铜键合。可以根据其界面的形态来确定键合质量。为了获得好的铜晶片键合的结果,条件是400℃加热30分钟,接着400℃氮气环境退火30或60分钟。虽然高温和高压可能会提高键合质量,但相应的成本和设备的损耗也成为需要关注的主要问题。因此,在较低的温度和压力下的键合方法是三维集成的主要目的。
  
  2、晶片减薄技术:
  三维集成技术极大的增大集成电路密度的同时也带来了散热困难的问题。由于硅基板和金属材料之间存在电阻,当通过电流时,会有发热效应。而热量不断的产生会使芯片的背面产生一种内应力,而内应力较大时会使芯片直接破裂,加快了芯片的损坏速度。通过使用芯片减薄工艺,不仅可以有 效的降低集成电路的内阻,优化各芯片的散热性能,还提高了电路的稳定性的和缩小了芯片体积,更符合集成电路整体小型化的趋势。
 
  3、硅基板穿孔技术(TSV):
  硅通孔的概念是由诺贝尔奖得主WilliamShockley最早提出来的,硅基板穿孔(TSV)在晶片与晶片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直导通,实现晶片之间互联的技术。该技术能够使晶片在三维方向上堆叠的密度达到最大,因此不同基板的晶片通过硅基板穿孔技术进行立体堆栈整合后,不仅可缩短金属导线的和联机电阻,更能减小晶片的体积。
 
  ①先通孔工艺。先通孔工艺是在CMOS器件制作之前,在空白硅片上完成通孔制作和导电材料的填充。在这个方案中,填充材料不能是金属,比如铜。此外,由于在这个阶段还没有金属互连,先通孔工艺的纵宽比是小于后通孔工艺的。
 
  ②后通孔工艺。后通孔工艺是在BEOL完成后,在CMOS即将制作完成和但还未进行减薄工艺处理的硅片上预留的空白区进行钻蚀通孔。该技术包括钻孔和填充过程,为了不破坏设备和电路,应在低于热预算的温度环境下制作。
 
  ③TSV工艺流程。整个硅基板穿孔过程可大致分为两个部分:第一部分是通孔的蚀刻,第二部分填充通孔。硅基板穿孔的蚀刻难度取决于减薄后的晶圆的厚度。当目标蚀刻深度太深,通孔的开口尺寸通过需要相应地扩大,这也导致晶片尺寸的增加。填充材料也是需要考虑的问题。铜、钨和多晶硅是典型的硅基板穿孔填充材料的选择。在这些材料中,铜和钨的只能用在后通孔方案中,而多晶硅可用于先通孔和后通孔方案中。铜是一种工艺兼容材料,残余应力少,电子性能好,但难以填充高纵宽比的通孔。相反,钨很容易填充到高宽比的通孔,但其残余应力高是一个很大的问题。多晶硅可用于硅基板穿孔的先通孔方案中,但它的电阻比金属高。考虑到每种材料的优点和缺点,硅基板穿孔填充材料的选择对三维集成具有重要意义,特别是对于晶圆键合机的晶圆级三维集成。