如何看待混合鍵合的技術(shù)難題？

發(fā)布時(shí)間：2021-03-05

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1. 引言
       對(duì)于半導(dǎo)體，通常每個(gè)人都認(rèn)為這是造成醉大ma煩的事情，是當(dāng)一些根本性的變化（例如，使用旨在醉大化性能的工藝將兩個(gè)芯片鍵合在一起）時(shí)，這個(gè)問題就變得更加復(fù)雜。
2. 鍵合實(shí)例
       舉個(gè)恰當(dāng)?shù)睦樱篊MP用于混合鍵合中線金屬化的后端。盡管這是一個(gè)成熟的過程，但對(duì)于焊盤更大且銅凹槽要求更嚴(yán)格的混合鍵合，它并不容易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的用于倒裝芯片組裝的鍵合機(jī)具有3微米或更高的對(duì)準(zhǔn)精度。一個(gè)拇指的行業(yè)潛規(guī)則估計(jì)，焊盤需要比接合器的準(zhǔn)確度大五倍得到充足的產(chǎn)量。淺且均勻的銅凹槽對(duì)于無空隙鍵合是必需的，但是CMP凹槽深度往往會(huì)隨著焊盤尺寸的增加而增加。將混合鍵合縮放到3微米以下將需要改進(jìn)CMP工藝。
3. 技術(shù)討論
       除其他事項(xiàng)外，在結(jié)合層和下面的金屬層中，都需要針對(duì)圖案密度效應(yīng)優(yōu)化CMP工藝。EV Group業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Thomas Uhrmann指出，接觸焊盤通常集中在芯片的邊緣，而其余的芯片區(qū)域則是空白的。因此，為了實(shí)現(xiàn)均勻的CMP性能，可能需要虛擬焊盤。下方的互連結(jié)構(gòu)也可能影響晶圓形狀和晶圓應(yīng)力。
       無論焊盤大小如何，較高的焊盤密度都更容易導(dǎo)致鍵合空隙。不久旭Kim和他的同事在IMEC，在工作提出在2020年IEEE電子元器件和技術(shù)會(huì)議，解釋說，如果一個(gè)孤立的墊突出，它可以容納附近的電介質(zhì)表面遠(yuǎn)離彼此，從而產(chǎn)生空隙。但是，如果密集陣列中的焊盤突出，則相鄰的空隙會(huì)聚結(jié)以形成較大的間隙。
       焊盤設(shè)計(jì)可以幫助補(bǔ)償對(duì)齊限制。Imec 3D系統(tǒng)集成計(jì)劃的主管Eric Beyne解釋說，一種方法是將一個(gè)晶片上的一個(gè)小的，略微突出的銅墊與另一個(gè)晶片上一個(gè)更寬的，稍微凹入的銅墊相匹配。大小差異取決于鍵合系統(tǒng)的覆蓋公差。這種設(shè)計(jì)可確保即使較小的焊盤沒有精確地對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)晶圓，也可以仍然發(fā)生不與電介質(zhì)重疊的牢固結(jié)合。另一種解決方案，也證明了Imec的產(chǎn)品使用短銅線而不是方形焊盤，一層上的水平線與下一層的垂直線匹配。不僅線條不太容易凹陷，而且即使重疊失配會(huì)相當(dāng)大地偏移線條的“中心”，也會(huì)成功鍵合。

圖1：TEM混合Cu / SiCN與Cu / SiCN的鍵合。頂部銅焊盤為270nm，底部銅焊盤為400nm，間距為700nm

       為了防止出現(xiàn)空隙和其他缺陷，混合鍵合需要平坦，干凈的接觸表面。在晶圓對(duì)晶圓的鍵合中，可以依靠控制良好的CMP工藝來提供這樣的表面。之后，Xperi小組使用去離子水沖洗和等離子處理完成了目標(biāo)晶片的制備。該公司認(rèn)為，室溫銅氧化的風(fēng)險(xiǎn)被夸大了，因此不需要采取積極的清潔步驟以去除任何氧化物。
       Xperi認(rèn)為高溫下的氧化是一個(gè)更嚴(yán)重的問題。因此，它一直致力于降低其工藝的溫度要求，醉近報(bào)告稱對(duì)其進(jìn)行200°C退火1小時(shí)。烏爾曼說，EV Group的鍵合處理室不是為沉積或蝕刻而設(shè)計(jì)的，而是使用相對(duì)溫和的等離子體來改變表面反應(yīng)性。例如，當(dāng)初始介電粘附步驟使用水將表面拉在一起并促進(jìn)鍵合時(shí)，表面處理會(huì)試圖產(chǎn)生OH基團(tuán)，改變表面鍵合等。
4. 單片管芯潔凈度問題
       盡管晶圓間鍵合通?？梢栽诟蓛舻钠鹗急砻嫔线M(jìn)行，但作為異質(zhì)集成方案一部分的混合鍵合卻是另一種動(dòng)物。無論工藝是將切單的芯片直接放在目標(biāo)晶圓上，還是放在中介層或臨時(shí)基板上，挑戰(zhàn)都是相似的。
       在管芯到晶片（或中介層）的鍵合中，管芯的切單是潛在的巨大顆粒和其他污染物源，導(dǎo)致鍵合界面處出現(xiàn)空隙和其他缺陷。Xperi組發(fā)現(xiàn)的所有故障均歸因于顆粒引起的空隙，而不是與CMP相關(guān)的缺陷，例如形貌變化。Imec的研究人員正在研究等離子切割，玻璃載體和其他保護(hù)層，以改善缺陷率。
5. 技術(shù)難點(diǎn)
       混合鍵合醉具挑戰(zhàn)性的問題之一是成本。這就提出了關(guān)于它在供應(yīng)鏈中實(shí)際適合的位置的疑問。代工廠和IDM的芯片制造商都將這種處理視為晶圓廠后端生產(chǎn)線的延伸。相對(duì)于其他類型的包裝，Beyne表示所涉及的設(shè)備更昂貴，更自動(dòng)化，并且對(duì)過程清潔度的要求也更加嚴(yán)格。
       另一方面，異構(gòu)集成的關(guān)鍵論點(diǎn)之一是集成包可能包含來自多個(gè)不同公司的組件。系統(tǒng)集成商寧可不要過分依賴特定的晶圓廠。同時(shí)，代工廠希望同時(shí)制造集成封裝和所有組件芯片。

兩種觀點(diǎn)之間的緊張關(guān)系為OSAT開辟了市場(chǎng)機(jī)會(huì)。但是，實(shí)際上利用機(jī)會(huì)并不是那么容易。包裝歷來是低利潤(rùn)，低附加值的業(yè)務(wù)。異構(gòu)包裝要求更昂貴的處理，但也增加了價(jià)值。為了在財(cái)務(wù)上可行，使自己成為一家商店的商店需要自己獲取一些價(jià)值。沒有它，混合鍵合可能仍然是大批量單制造商組件的專有領(lǐng)域。

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