IMEC更新|晶圓對(duì)晶圓混合鍵合推進(jìn)三維集成技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言在半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展的世界中，三維集成已成為滿足系統(tǒng)級(jí)功率、性能、面積和成本改進(jìn)日益增長(zhǎng)需求的關(guān)鍵方法。在各種三維集成技術(shù)中，晶圓對(duì)晶圓混合鍵合因能夠以高三維互連密度堆疊多個(gè)異構(gòu)芯片而脫穎而出。本文將探討晶圓對(duì)晶圓混合鍵合的最新進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注推動(dòng)互連間距達(dá)到400納米的進(jìn)程及其對(duì)未來(lái)應(yīng)用的影響[1]。
理解三維互連技術(shù)全景
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圖1：展示了imec三維互連技術(shù)全景，顯示了各種互連技術(shù)及其間距范圍。
三維互連技術(shù)全景包括廣泛的技術(shù)，每種技術(shù)滿足不同的應(yīng)用需求，在各種互連間距下運(yùn)作。如圖1所示，這些技術(shù)范圍從具有毫米級(jí)間距的封裝級(jí)集成到具有100納米以下間距的晶體管級(jí)集成。晶圓對(duì)晶圓混合鍵合在這一全景中占據(jù)獨(dú)特位置，提供高互連密度和最小的寄生效應(yīng)。
晶圓對(duì)晶圓混合鍵合的潛力
晶圓對(duì)晶圓混合鍵合因能夠在每平方毫米集成一百萬(wàn)個(gè)互連而受到廣泛關(guān)注，這得益于約1微米的緊密銅互連間距。該技術(shù)已在堆疊圖像傳感器和將CMOS外圍線路集成到3D NAND層上方等領(lǐng)域取得商業(yè)成功。
# k0 p0 N+ W) C; X; E混合鍵合過(guò)程結(jié)合了銅對(duì)銅和介電對(duì)介電鍵合，利用銅damascene技術(shù)定義鍵合表面。這種方法允許非常精細(xì)的間距縮放，使其成為未來(lái)需要更高互連密度應(yīng)用的理想選擇。
當(dāng)前工藝流程和新興挑戰(zhàn)
典型的晶圓對(duì)晶圓混合鍵合過(guò)程從兩個(gè)完全處理的300毫米晶圓開始。該過(guò)程類似于片上后端線路（BEOL）damascene過(guò)程，在鍵合介電材料（通常是二氧化硅）中刻蝕小腔。這些腔體隨后被填充障礙金屬、種子層和銅，然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）步驟以獲得極其平坦的表面。
實(shí)際鍵合在室溫下進(jìn)行，通過(guò)在中心處將晶圓接觸。這種初始接觸產(chǎn)生強(qiáng)大的晶圓對(duì)晶圓吸引力，導(dǎo)致鍵合波從中心到邊緣關(guān)閉晶圓之間的間隙。隨后的高溫退火步驟確保永久的介電對(duì)介電和銅對(duì)銅鍵合。
) H/ l4 i* K% w+ j9 G" j隨著應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到包括邏輯對(duì)邏輯和存儲(chǔ)器對(duì)邏輯堆疊，新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)。這些先進(jìn)實(shí)現(xiàn)需要更精細(xì)的互連間距，并且通常在鍵合步驟后涉及更多后處理。例如，背面電源傳輸網(wǎng)絡(luò)（BSPDN）處理需要將一個(gè)晶圓的正面鍵合到載體晶圓上，然后進(jìn)行背面減薄和額外的處理步驟。
實(shí)現(xiàn)400納米間距互連的創(chuàng)新
$ P. h, D/ ?: r4 c最近的研究導(dǎo)致了晶圓對(duì)晶圓混合鍵合技術(shù)的重大突破，將邊界推至前所未有的400納米互連間距。這些進(jìn)展解決了幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：1.設(shè)計(jì)改進(jìn)：研究人員引入了具有圓形銅墊的六角網(wǎng)格設(shè)計(jì)，取代了傳統(tǒng)的方形網(wǎng)格與方形或圓形墊。這種新設(shè)計(jì)允許更密集地排列銅墊，相鄰墊之間距離相等，使控制銅墊密度更容易，同時(shí)最大化墊尺寸和間距。
2.表面拓?fù)淇刂?/strong>：獲得極其平坦和清潔的晶圓表面對(duì)于可靠的混合鍵合至關(guān)重要。先進(jìn)的CMP過(guò)程，結(jié)合布局設(shè)計(jì)中策略性虛擬墊放置，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)晶圓上銅墊高度和表面拓?fù)涞木�確控制。
3.SiCN介電材料：碳化硅氮化物（SiCN）已成為小互連間距的優(yōu)越介電材料。SiCN表面與二氧化硅相比表現(xiàn)出更高的鍵合能量，作為銅的擴(kuò)散屏障，并提供更好的晶圓鈍化。隨著互連間距縮小，這些特性變得越來(lái)越重要。
4.改進(jìn)的鍵合過(guò)程：使用具有先進(jìn)對(duì)準(zhǔn)能力的商業(yè)高質(zhì)量晶圓鍵合器，研究人員成功鍵合300毫米晶圓，創(chuàng)建了400納米間距的銅互連。

圖2：顯示了使用相等墊設(shè)計(jì)在400納米間距連接的多個(gè)銅墊的TEM圖像。

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圖3：提供了相等墊設(shè)計(jì)中400納米間距長(zhǎng)菊花鏈的近距離視圖，用于評(píng)估銅-銅連接性。

+ u: n8 }: L7 l  T* o; f. U電氣性能和疊加控制
實(shí)現(xiàn)的400納米間距互連表現(xiàn)出良好的電氣性能，包括低單一接觸電阻。精確對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致疊加誤差低于150納米，如圖4所示。
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1 O# N) U' r' C圖4：展示了晶圓對(duì)晶圓鍵合疊加誤差低于150納米，如2023年IEDM會(huì)議上所呈現(xiàn)。

, O# j, v# @& _) h. t9 T$ {6 U- i* c然而，進(jìn)一步研究表明，對(duì)于400納米互連間距，疊加控制需要小于100納米，以在高產(chǎn)量制造中獲得足夠的良率。這一要求對(duì)下一代晶圓鍵合設(shè)備的疊加精度提出了巨大挑戰(zhàn)。
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未來(lái)展望和挑戰(zhàn)
隨著半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)推動(dòng)三維集成的邊界，晶圓對(duì)晶圓混合鍵合將在實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器對(duì)邏輯堆疊等先進(jìn)應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。400納米間距互連的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著一個(gè)重要里程碑，但進(jìn)一步縮小和商業(yè)化仍面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：1.疊加精度：將疊加控制改善到100納米以下對(duì)于確保高產(chǎn)量制造中的高良率非常重要。
! W5 `# x% }! G9 t0 O3 ^. a0 u2.熱管理：隨著互連密度增加，管理熱散發(fā)變得更具挑戰(zhàn)性，需要?jiǎng)?chuàng)新的冷卻解決方案。
3.成本效益制造：開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行的高產(chǎn)量生產(chǎn)精細(xì)間距混合鍵合晶圓的工藝對(duì)廣泛采用很重要。
8 \  a5 {6 ?0 k( i4 O$ @4.設(shè)計(jì)工具和方法：創(chuàng)建能夠充分利用400納米以下間距晶圓對(duì)晶圓混合鍵合能力的先進(jìn)設(shè)計(jì)工具和方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維集成系統(tǒng)很重要。
5.材料創(chuàng)新：對(duì)新型介電和導(dǎo)電材料的持續(xù)研究可能會(huì)解鎖鍵合強(qiáng)度、可靠性和電氣性能的進(jìn)一步改進(jìn)。
; v& V0 T& B; i" X  v, d結(jié)論晶圓對(duì)晶圓混合鍵合已成為有前景的三維集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高互連密度，為異構(gòu)芯片堆疊開辟了新的可能性。最近實(shí)現(xiàn)的400納米間距互連代表了重要進(jìn)步，這得益于網(wǎng)格設(shè)計(jì)、表面拓?fù)淇刂�、介電材料和鍵合工藝的創(chuàng)新。
隨著技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，將改變半導(dǎo)體封裝并實(shí)現(xiàn)新類別的高性能、節(jié)能設(shè)備。通過(guò)解決剩余挑戰(zhàn)并繼續(xù)推動(dòng)互連縮放的邊界，晶圓對(duì)晶圓混合鍵合將在塑造三維集成系統(tǒng)的未來(lái)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
參考文獻(xiàn)[1]F. Author, "Wafer-to-Wafer Hybrid Bonding: Pushing the Boundaries with 400nm Interconnect Pitch," imec, Jul. 2024. [Online]. Available: https://www.imec-int.com/en/articles/wafer-wafer-hybrid-bonding-pushing-boundaries-400nm-interconnect-pitch. [Accessed: Aug. 25, 2024].

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