混合鍵合推動異構(gòu)集成發(fā)展

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

隨著人工智能（AI）、無人駕駛、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）和5G等前沿應(yīng)用的快速發(fā)展，半導(dǎo)體制造商需要在不增加生產(chǎn)成本的前提下開發(fā)出高帶寬、高性能、低功耗設(shè)備。隨著傳統(tǒng)的二維硅片微縮技術(shù)達(dá)到其成本極限，半導(dǎo)體行業(yè)正轉(zhuǎn)向異構(gòu)集成技術(shù)。異構(gòu)集成是指不同特征尺寸和材質(zhì)的多種組件或晶片的制造、組裝和封裝，使其集成于單個(gè)器件或封裝之中，以提高新一代半導(dǎo)體器件的性能。

經(jīng)過集成式晶片到晶圓鍵合后附在晶圓上的獨(dú)立晶片

晶圓到晶圓（W2W）混合鍵合涉及不同生產(chǎn)線的晶圓堆疊和電連接處理，是異構(gòu)集成的核心工藝，在CMOS圖像傳感器以及各類內(nèi)存以及邏輯技術(shù)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。然而，在組件或晶片尺寸不相同的情況下，晶片到晶圓（D2W）混合鍵合更適用于異構(gòu)集成。憑借新型D2W鍵合解決方案和市場領(lǐng)先的W2W混合鍵合解決方案，加之異構(gòu)集成能力中心（Heterogeneous Integration Competence Center?）帶來的豐富行業(yè)合作經(jīng)驗(yàn)，EV集團(tuán)（EVG）為D2W鍵合應(yīng)用提供有力支持。

01融熔和混合鍵合技術(shù)

融熔或直接晶圓鍵合可以通過每個(gè)晶圓表面上的介電層實(shí)現(xiàn)永久連接，用于工程基板或?qū)愚D(zhuǎn)移，例如背照式CMOS圖像傳感器。

混合鍵合擴(kuò)展了融熔鍵合，在鍵合界面中嵌入金屬焊盤，允許晶圓的面對面（face-to-face）連接?；旌湘I合的主要應(yīng)用是先進(jìn)的三維（3D）器件堆疊。

融熔或直接晶圓鍵合允許介電層和更精確活化的官能團(tuán)懸垂，在氫橋鍵（hydrogen bridge bond）的幫助下在晶圓之間橋接。該預(yù)粘合步驟在室溫和大氣條件下進(jìn)行。只有在隨后的退火步驟中，低能氫橋鍵才會變成共價(jià)鍵。

融熔鍵合傳統(tǒng)上用于工程基板，最近用于使用全面積電介質(zhì)的堆疊晶圓。由于在環(huán)境條件下進(jìn)行預(yù)鍵合，小于100nm的高精度對準(zhǔn)允許3D集成場景使用晶圓到晶圓融熔鍵合。此外，銅焊盤可以與介電層并行加工，允許在環(huán)境溫度下預(yù)粘合介電層，而電接觸可以在退火期間通過金屬擴(kuò)散鍵合實(shí)現(xiàn)。這種特殊情況稱為混合鍵合?；旌湘I合的主要應(yīng)用包括CMOS圖像傳感器、存儲器以及3D片上系統(tǒng)（SoC）。

02D2W融熔和混合鍵合

作為異構(gòu)集成的核心工藝，W2W混合鍵合，已經(jīng)在CMOS圖像傳感器和各種存儲器、邏輯技術(shù)方面獲得良好的成功記錄。然而，由于許多小芯片（chiplet）的尺寸不一定相同，因此D2W混合鍵合方法可能更實(shí)用。異構(gòu)集成有幾種不同的D2W鍵合方法，包括集成式D2W（Collective D2W,Co-D2W）和直接放置D2W（Direct Placement,DP-D2W）鍵合，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表1所示。

△表1：Co-D2W和DP-D2W兩種鍵合方法對比

03Co-D2W鍵合

在過去幾年中，Co-D2W鍵合已經(jīng)在硅光子學(xué)等應(yīng)用中有限批量生產(chǎn)中實(shí)施。在Co-D2W鍵合中，是在單個(gè)工藝步驟中將多個(gè)晶片一次轉(zhuǎn)移到最終晶圓上。Co-D2W鍵合工藝的制造流程如圖1所示，包括四個(gè)主要部分：晶片載體（晶圓）制備、載體填充（在載體上放置晶片）、晶圓鍵合（臨時(shí)和永久）和載體分離。

△圖1：Co-D2W鍵合工藝的制造流程。

04DP-D2W鍵合

用于異構(gòu)集成的另一種混合D2W鍵合方法是DP-D2W鍵合，其中使用拾放式倒裝芯片鍵合機(jī)將晶片逐一單獨(dú)鍵合到目標(biāo)晶圓上。圖2顯示了DP-D2W鍵合工藝的制造流程，其成本包括三個(gè)主要部分：載體填充（在載體上放置晶片，為清潔做準(zhǔn)備）、晶片清潔和活化、直接貼裝倒裝芯片。

圖2：DP-D2W鍵合工藝的制造流程。

目前有多種D2W鍵合技術(shù)和設(shè)備可供使用，可以根據(jù)應(yīng)用和客戶要求進(jìn)行選擇。在Co-D2W鍵合中，單個(gè)晶片放置于集成式晶片載體之上，再送至目標(biāo)晶圓進(jìn)行晶片轉(zhuǎn)移，此時(shí)可使用W2W混合鍵合系統(tǒng)（如GEMINI FB）完成晶片與目標(biāo)晶圓的鍵合。在DP-D2W鍵合中，則使用拾放式倒裝晶片鍵合機(jī)將單個(gè)晶片逐一鍵合至目標(biāo)晶圓上。等離子體活化和處理器芯片上的晶片表面清潔是在晶片和目標(biāo)晶圓之間建立高產(chǎn)量鍵合和電界面的關(guān)鍵步驟。而這一步正是EVG? 320D2W活化系統(tǒng)發(fā)揮作用的重要舞臺。

05利用EVG的異構(gòu)集成能力中心?加速技術(shù)開發(fā)

為了應(yīng)對異構(gòu)集成技術(shù)挑戰(zhàn)，EVG建立了異構(gòu)集成能力中心?（HICC）。該中心致力于幫助客戶充分利用EVG工藝解決方案和專業(yè)知識，通過系統(tǒng)集成和封裝技術(shù)的進(jìn)步，加速開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品和應(yīng)用。

2022年7月，EVG宣布在D2W熔融與混合鍵合領(lǐng)域取得重大技術(shù)突破。EVG在單次轉(zhuǎn)移過程中使用GEMINI? FB自動混合鍵合系統(tǒng)，在完整3D SoC中對不同尺寸芯片實(shí)施無空洞鍵合，良率達(dá)到100%。直至今天，此類鍵合仍是D2W鍵合領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，也是降低異構(gòu)集成成本的主要障礙。EVG的異構(gòu)集成技術(shù)中心（HICC ?）取得了這一重大技術(shù)突破。

混合鍵合的接口呈固態(tài)，采用嵌入式金屬焊盤，以實(shí)現(xiàn)晶圓和芯片的直接電氣連接，因此D2W混合鍵合需要達(dá)到與前端半導(dǎo)體制造工藝類似的清潔度標(biāo)準(zhǔn)和制造公差。在這一趨勢的推動下，高精度計(jì)量在控制混合鍵合對準(zhǔn)和工藝良率方面開始發(fā)揮更為重要的核心作用，反過來又推動了D2W鍵合和計(jì)量工藝集成為統(tǒng)一生產(chǎn)線。

GEMINI? FB自動化Co-D2W鍵合系統(tǒng)

此外，目前數(shù)種不同的D2W混合鍵合工藝流程正在接受評估，每種工藝流程都有其獨(dú)特優(yōu)勢和要求。自兩年前成立以來，HICC發(fā)揮了重要作用，幫助客戶和合作伙伴開發(fā)及優(yōu)化D2W混合鍵合工藝，滿足給定器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用的獨(dú)特需求，并在開發(fā)中綜合考慮多種因素，如芯片尺寸、芯片厚度、總堆疊高度，以及觸點(diǎn)設(shè)計(jì)和密度等接口考慮因素。HICC還配備了先進(jìn)的潔凈室，其潔凈度標(biāo)準(zhǔn)與多家領(lǐng)先半導(dǎo)體工廠相當(dāng)，使EVG有能力滿足D2W和W2W混合鍵合工藝開發(fā)的嚴(yán)格要求。

EVG業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)托馬斯·烏爾曼（Thomas Uhrmann）博士表示：“混合鍵合需要完全不同于標(biāo)準(zhǔn)封裝工藝的制造技術(shù)，它更接近前端制造——特別是在清潔度、顆?？刂啤?zhǔn)和計(jì)量精度方面。我們在W2W混合鍵合領(lǐng)域處于市場領(lǐng)先地位。在此基礎(chǔ)上，我們將繼續(xù)擴(kuò)展D2W混合鍵合解決方案，優(yōu)化設(shè)備，為重要的上下游工藝提供支持，包括等離子活化和清潔技術(shù)，以加快部署和完善D2W混合鍵合技術(shù)。數(shù)年之前，EVG的GEMINI FB技術(shù)已配置用于D2W集成流程，滿足D2W鍵合需求。EVG? 320 D2W晶片準(zhǔn)備和活化系統(tǒng)則用于D2W鍵合的直接貼裝，提供與D2W鍵合機(jī)的直接接口。EVG? 40 NT2套刻計(jì)量系統(tǒng)使用AI、前饋和反饋回路進(jìn)一步提高混合鍵合良率。在這些技術(shù)之外，EVG又推出完整的端到端混合鍵合解決方案，以加速部署3D/異構(gòu)集成?！?/p>

參考文獻(xiàn)

1.EV集團(tuán)實(shí)現(xiàn)芯片到晶圓熔融和混合鍵合技術(shù)突破多芯片3D片上系統(tǒng)的芯片轉(zhuǎn)移良率達(dá)到100%.

2.EVG's die-to-wafer fusion and hybrid bonding technologies - supporting collective die-to-wafer as well as direct die-to-wafer process flows.

3.EV集團(tuán)(EVG)在中國國際半導(dǎo)體展上展示新型晶片到晶圓混合鍵合活化解決方案，旨在加快3D-IC/異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展

審核編輯 黃宇