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引言0 o4 M6 C* D1 x& M1 c4 \; a3 [: f
混合鍵合(Hybrid Bonding)是半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的新興技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)高密度三維集成,無(wú)需傳統(tǒng)的焊料凸點(diǎn)。本文探討混合鍵合的基本原理、相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì),以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展。
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混合鍵合的基本原理
2 D: A- T5 H* d! e混合鍵合,也稱(chēng)為直接鍵合互連(DBI),結(jié)合了介電對(duì)介電鍵合和金屬對(duì)金屬鍵合,形成晶圓或芯片之間的互連。該過(guò)程通常包括以下關(guān)鍵步驟:表面準(zhǔn)備:使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)實(shí)現(xiàn)極其平坦和光滑的介電表面,金屬區(qū)域略低于介電表面。表面活化:通過(guò)等離子體處理等方法活化晶圓表面,以增強(qiáng)鍵合強(qiáng)度。室溫鍵合:在室溫下將活化的介電表面接觸,形成初始鍵合。退火:隨后在升高的溫度(通常為200-400°C)下進(jìn)行退火步驟,加強(qiáng)介電鍵合并促進(jìn)金屬對(duì)金屬鍵合。
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圖1. 低溫直接鍵合互連(DBI)的關(guān)鍵工藝步驟. S! _$ m7 D8 }# p: f2 a
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混合鍵合的優(yōu)勢(shì)5 ]7 w; }6 F4 N. Q* |
與傳統(tǒng)的倒裝芯片鍵合方法相比,混合鍵合具有多個(gè)優(yōu)勢(shì):
4 I# k+ m! u. Q+ J# y# `超細(xì)間距:實(shí)現(xiàn)小于10 μm的互連間距,顯著提高連接密度。改善電性能:由于直接金屬對(duì)金屬鍵合,降低了寄生電容和電阻。更好的熱性能:直接鍵合允許更好的散熱。減少應(yīng)力:消除焊料凸點(diǎn)減少了互連上的熱應(yīng)力。可擴(kuò)展性:適用于晶圓對(duì)晶圓(W2W)、芯片對(duì)晶圓(C2W)和芯片對(duì)芯片(C2C)鍵合。8 l3 Z$ d5 l# h0 V
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混合鍵合的成功關(guān)鍵因素
- ~# ]- |6 W) e. w! X, v( b2 W成功的混合鍵合需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素:
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* d- W; H( ]! La) 表面地形:控制納米級(jí)地形非常重要。介電表面應(yīng)極其平坦和光滑(
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, ] a$ |! u8 Y* s0 Bb) CMP優(yōu)化:化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)于實(shí)現(xiàn)正確的表面特性非常重要,包括金屬凹陷、介電粗糙度和介電曲率。& c- m% ?& i6 o- R
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圖2. CMP優(yōu)化對(duì)混合鍵合質(zhì)量的影響! y7 x# Q' B$ W# K
' t: y" Y5 K" s' z- B! S+ E/ Sc) 鍵合環(huán)境:清潔、受控的環(huán)境對(duì)防止污染和確保強(qiáng)鍵合非常重要。
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d) 對(duì)準(zhǔn)精度:精確對(duì)準(zhǔn)必不可少,特別是對(duì)于細(xì)間距互連。
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e) 退火參數(shù):退火過(guò)程中的溫度、時(shí)間和氣氛影響鍵合強(qiáng)度和金屬擴(kuò)散。/ H+ i R& z9 V& P- B
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混合鍵合的應(yīng)用$ O' E. S7 j9 x' J4 S
混合鍵合在半導(dǎo)體封裝的各個(gè)領(lǐng)域找到了應(yīng)用:+ u/ e) k% M) ^$ {# M
5 x1 p# D9 i% [; E9 q$ w/ }a) CMOS圖像傳感器:索尼成功地在大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)施了混合鍵合,用于背照式CMOS圖像傳感器。 J$ N% ~- {% @$ a W. [) D
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" I6 N8 H1 p# f" p. R2 L E8 Z圖3. 索尼使用混合鍵合的3D CIS和處理器IC集成
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b) 高性能計(jì)算:臺(tái)積電等公司正在探索將混合鍵合用于高密度、高性能的3D集成HPC應(yīng)用。, V2 n* `) O1 ^# s5 k/ d9 y% M
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c) 存儲(chǔ)堆疊:混合鍵合實(shí)現(xiàn)了高帶寬存儲(chǔ)器(HBM)與邏輯芯片的集成。" z [0 y! j- r9 C
9 { ^# x$ n0 [8 F: m" |: i, U) W& @d) 異構(gòu)集成:促進(jìn)了在單個(gè)封裝中集成不同類(lèi)型芯片(如邏輯、存儲(chǔ)、射頻)。
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6 _" C6 M0 G8 @$ W; c/ {& ?混合鍵合的最新發(fā)展+ L2 G! H8 G' |) C) D! p7 i, Y+ G8 g$ n
幾家半導(dǎo)體公司和研究機(jī)構(gòu)正在積極開(kāi)發(fā)混合鍵合技術(shù):
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7 t" \+ r5 f: u" a4 @! ]a) 臺(tái)積電的集成芯片系統(tǒng)(SoIC):
* F8 Z: h( [# u, \/ ?7 Y6 |2 w臺(tái)積電推出了SoIC,這是一種無(wú)凸點(diǎn)混合鍵合技術(shù),實(shí)現(xiàn)了超細(xì)間距互連。與傳統(tǒng)的倒裝芯片方法相比,SoIC可以實(shí)現(xiàn)顯著更高的連接密度。
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, I; S% x6 H! ]- e圖4. 各種鍵合技術(shù)的凸點(diǎn)密度與間距比較
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b) 英特爾的FOVEROS技術(shù):
# n1 l! u6 o9 m v' R2 |英特爾展示了FOVEROS 3D封裝技術(shù)的混合鍵合版本,實(shí)現(xiàn)了10 μm間距和每平方毫米10,000個(gè)互連。
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9 ?2 x" {( G8 V E, i圖5. 英特爾的FOVEROS混合鍵合與微凸點(diǎn)技術(shù)比較
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c) IMEC的帶TSV的混合鍵合:: t. y, S, Z/ F# t1 A) ^
IMEC開(kāi)發(fā)了集成了硅通孔(TSV)的混合鍵合工藝,用于3D堆疊應(yīng)用。* L" J) ~) K7 v0 I/ k3 z
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圖6. IMEC的帶集成TSV的混合鍵合堆疊% k3 [- M# Z5 a" R
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d) 三菱的硅薄膜方法:
& m+ h# {& u8 r三菱開(kāi)發(fā)了使用硅薄膜的混合鍵合工藝,以改善鍵合質(zhì)量并減少界面處的空隙。
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- |1 b$ {( l) d& _5 F圖7. 三菱使用硅薄膜的混合鍵合工藝
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挑戰(zhàn)和未來(lái)方向
, C4 ]5 M! r n$ K1 ]! p" B8 o! F混合鍵合顯示出巨大潛力,但要實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用,還需要解決幾個(gè)挑戰(zhàn):成本降低:由于對(duì)表面準(zhǔn)備和對(duì)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求,當(dāng)前的混合鍵合工藝可能成本較高。薄晶圓處理:隨著3D集成晶圓變得更薄,處理和加工變得更具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化:需要持續(xù)研究,以?xún)?yōu)化各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝條件。檢測(cè)和測(cè)試:開(kāi)發(fā)有效的混合鍵合結(jié)構(gòu)檢測(cè)和測(cè)試方法對(duì)確?煽啃苑浅V匾。熱管理:隨著3D集成密度的增加,管理散熱變得更加關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)化:建立混合鍵合工藝和材料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)更廣泛的采用很重要。9 A0 K. |4 R2 V/ [" G5 t
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未來(lái)的研究方向可能包括:
7 Z1 y; |" r ~( |開(kāi)發(fā)新材料和工藝以提高鍵合強(qiáng)度和可靠性探索混合鍵合在新應(yīng)用中的應(yīng)用,如光電子集成芯片集成將混合鍵合與扇出晶圓級(jí)封裝(FOWLP)等先進(jìn)封裝技術(shù)集成研究混合鍵合在不同半導(dǎo)體材料(如Si、GaN、SiC)的異構(gòu)集成中的應(yīng)用
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9 l) o% E* o) h! Y8 C5 T結(jié)論
, P, z0 v/ F% y' I混合鍵合代表了半導(dǎo)體封裝技術(shù)的重大進(jìn)步,實(shí)現(xiàn)了更高水平的集成和性能。隨著技術(shù)的成熟和挑戰(zhàn)的解決,可以期待混合鍵合在下一代電子設(shè)備和系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。持續(xù)的研究和開(kāi)發(fā)努力將對(duì)實(shí)現(xiàn)這一有前途技術(shù)的全部潛力起到關(guān)鍵作用。% X! K Y# {* d
: e4 K) h3 ^7 T5 E9 @3 r" H參考文獻(xiàn)( C; T8 l: i3 A t7 J" ]" F
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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