基于sv技术的三维集成技术

基于sv技术的三维集成技术

1维集成技术随着设备规模的减小和芯片集成度的提高，传统的二维集成技术面临着巨大的困难。首先,由于单个芯片上集成的器件增多,全局互连线随之延长,由此带来互连线功耗增加、延迟增大等问题,限制了芯片性能的提高三维集成技术并不是指某一代技术,而是指在第三维上进行芯片堆叠和互连布线,从而优化电路连接的技术和工艺。三维集成技术一般可以分为晶体管堆叠、管芯级键合、管芯-晶圆键合、晶圆级键合。晶圆级键合中,各层芯片之间的互连是通过硅通孔(TSV)实现的应用于三维集成技术中的键合技术根据键合材料划分,主要有直接键合、聚合物粘胶键合、共晶键合、金属扩散键合、混合键合等。下面,分别对几种键合方式进行介绍。2直接键合晶圆的工艺改进直接键合也称为熔融(fusion)键合,其基本原理是让两个非常平整、洁净的晶圆表面接触形成范德瓦尔斯力。直接键合可以在硅与硅之间或氧化硅和氧化硅之间进行。键合过程中,随着相互接近的两个表面间氧气转化为固相的氧化硅,氧气先前占据的体积大幅减小,从而在两个晶圆表面之间形成局部真空,通过外部大气压使晶圆紧密接触直接键合形成后不受高温的影响,对后续工艺的要求较低,而且与其他键合方法相比,直接键合中热膨胀引起的失配很少,因此改进了对准精度,提高了互连密度、良率和产量。实际上,制备高度平整和洁净的晶圆表面几乎是不可能的。一方面,晶圆表面很难做到在小的局域范围内高度平整;另一方面,由于晶圆各部分温度不均匀,会产生翘曲。此外,这种工艺对颗粒沾污特别敏感,在键合过程中,很小的颗粒可能会造成很大的空隙3准工艺兼容晶圆键合技术聚合物粘胶键合是将聚合物粘合剂旋涂在一片或两片晶圆的表面,面对面对准后施加压力,让晶圆表面紧密接触,对聚合物粘合剂加热或采用紫外线光处理,使粘合剂从液态或粘弹性状态转变为固态。聚合物粘胶键合与标准CMOS工艺兼容,可以在任何材料之间形成键合。对键合表面的平整度和洁净度要求不高,可以在相对低温下(键合温度视聚合物材料而异,从室温到450℃不等)达到所需键合强度。对器件没有离子污染,具有很好的表面平坦度,可以很好地吸收晶圆键合过程中产生的残余应力。用作粘合剂的主要是合成的有机大分子聚合物,其中BCB以上键合工艺中采用的是后通孔(via-last)技术,所以高深宽比通孔的制作会导致工艺复杂度增加,并带来成本上升。此外,作为粘合剂的聚合物体积会缩小,造成芯片移位,影响键合精度,所以一般用在对精度要求不高的晶圆键合工艺中。另外,还要考虑粘合剂对器件及机台设备的潜在污染4铜-铜键合键合金属扩散键合主要是铜-铜键合,在键合的同时完成垂直通孔连接,键合后对准精度较高,密封性较其他方法好,而且金属具有很高的热导率,在三维集成芯片中,上层芯片产生的热量可以通过金属通孔和金属键合材料传导到下层,从而实现较好的散热功能。由于铜与CMOS后端工艺兼容,具有很好的电学特性,而且具有成本优势,在CMOS集成电路晶圆级键合中一般都用铜作为键合材料,它可以同时实现电学连接和机械连接的功能。铜-铜键合有两种方法,一种是在室温下就可实现的表面激活铜键合,另一种是热压法键合。对于固体而言,由于物质内部原子的热运动,在两个面相互接触时,原子会向彼此内部扩散,如果外加一定的压力和温度,扩散过程会加剧,这就是热压法键合的原理。铜表面在较高温度下受到一定压力的挤压,发生塑性形变,使接触面积不断增大。经过一段时间的高温退火后,接触面之间形成直径较大的铜晶粒,使接触表面达到键合强度。由于温度较高,热压键合法对铜表面的洁净度及腔体的真空度要求较低。影响键合质量的因素主要包括图形密度、压力、温度、时间等。K.N.Chen等人在铜-铜键合方面进行了系统的研究Intel公司的P.R.Morrow等人在2006年首次用铜-铜键合工艺在300mm晶圆上实现了基于应力/低5融状态的cuamec共晶键合是指在较低温度下两种或多种金属熔合并发生化学反应,形成机械特性不同于单质金属的合金相,即金属间化合物(IMC,IntermetallicCompound),进而实现电学连接的键合。以Cu-Sn为例,首先,熔融状态的Sn与Cu反应形成亚稳态金属间化合物CuIMEC利用先通孔工艺以及TLP(transientliquidphase)键合技术,在200mm晶圆上实现了Cu-Sn键合点间距为60μm的芯片堆叠键合过程中,每堆叠一层芯片,就需要重复一次相同的高温工艺,这样有可能影响到前面已经形成的连接点,并且产出也不高。利用单次回流技术,可以提高共晶键合的产出,从而降低成本。新加坡科技研究局(A*STAR)随着凸焊点尺寸和间距的不断缩小,共晶键合的挑战随之而来。小尺寸凸焊点中焊料的用量比大尺寸凸焊点中焊料的用量小得多,这意味着生成的金属间化合物(IMC)相对焊料的比例大大增加。随着金属间化合物的比例增加,由其引起的电迁移现象更加明显,可靠性问题需要进一步解决6聚合物粘合剂使用混合键合是指在晶圆堆叠时需要电学连接的地方采用金属键合完成,而其他地方则采用介质直接键合提供机械支撑。介质的选择需要考虑的最主要因素是能够与金属键合时的温度预算和表面处理工艺相兼容。因此,聚合物粘合剂和氧化硅均可作为混合键合的介质。为了避免使用聚合物粘合剂带来的可靠性问题,K.N.Chen提出一种同时用铜和氧化硅作为键合材料的混合键合结构lock-n-key与其他几种方法一样,混合键合与管芯级键合和晶圆级键合工艺相兼容。考虑到晶圆级键合的低成本及高对准精度,并且高对准精度可以保证高互连密度,因此,大多数研究都倾向于在晶圆级键合中应用混合键合。但是,晶圆级键合中堆叠芯片的尺寸必须相同,且键合后整个系统良率较低。对于异质集成系统的制造而言,管芯-晶圆键合更有优势,一方面,这种方法对堆叠芯片的尺寸没有限制;另一方面,可以保证键合工艺中采用的是已知好芯片(knowngooddie),所以良率也会比晶圆级键合高。为了提高管芯-晶圆键合的产出并降低制造成本,可以采用集体混合键合(collectivehybridbonding)方法7键合工艺的比较本文介绍了三维集成技术