混合鍵合工藝流程：詳細(xì)解讀D2W和W2W的流程

在之前，有人曾表示，混合鍵合將成為自 EUV 以來(lái)半導(dǎo)體制造最具變革性的創(chuàng)新。事實(shí)上，它將對(duì)設(shè)計(jì)流程產(chǎn)生比 EUV 本身更大的影響，從封裝架構(gòu)延伸到單元設(shè)計(jì)和布局。知識(shí)產(chǎn)權(quán)生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生巨大重塑，制造流程也將發(fā)生巨大重塑。2D 晶體管縮小的時(shí)代仍將繼續(xù)，但步伐緩慢，但混合鍵合將帶來(lái)芯片設(shè)計(jì)者思考 3D 的新時(shí)代。

但semianalysis卻表示，隨著這句充滿炒作的謠言結(jié)束，我們應(yīng)該注意到，將混合鍵合技術(shù)大規(guī)模推向市場(chǎng)存在許多重大的工程和技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)槿缃袼鼉H保留給少數(shù) AMD 芯片、CMOS 圖像傳感器和一些供應(yīng)商的 3D 芯片和NAND。這種轉(zhuǎn)變將重塑供應(yīng)變化和設(shè)計(jì)流程。

在這里，我們編譯了semianalysis的科普文章，帶大家進(jìn)一步了解這個(gè)技術(shù)。

圖?1 ? 在封裝史上，最后一次重大范式轉(zhuǎn)變是從引線鍵合到倒裝芯片。從那時(shí)起，更先進(jìn)的封裝形式（例如晶圓級(jí)扇出和 TCB）一直是相同核心原理的漸進(jìn)式改進(jìn)。這些封裝方法都使用某種帶焊料的凸塊作為硅與封裝或板之間的互連。這些技術(shù)可以一直縮小到約 20 微米的間距。 ? 到目前為止，我們?cè)诙嗖糠窒冗M(jìn)封裝系列中討論的主要封裝類型和工藝流程已達(dá)到 220 微米到 100 微米規(guī)模，并且主要使用焊料作為各種小芯片銅互連之間的介質(zhì)。為了進(jìn)一步擴(kuò)展，需要另一種范式轉(zhuǎn)變：采用混合鍵合的無(wú)凸塊互連?；旌湘I合的尺寸超出了 10 微米互連間距，路線圖為 100 納米范圍，并且它不使用任何中介物（intermediary），例如具有更高電阻的焊料。 ?

圖2 ? 相反，不同芯片或晶圓的互連直接通過(guò)銅通孔連接。直接銅連接可以降低電阻，從而在向各種芯片發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)降低功耗。當(dāng)與連接數(shù)量的數(shù)量級(jí)增加相結(jié)合時(shí)，需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行徹底的重新思考。 ? 在介紹混合鍵合之前，我們?cè)倏匆幌孪冗M(jìn)封裝的全部意義是什么？我們可以看到，封裝技術(shù)的進(jìn)步旨在實(shí)現(xiàn)更大的互連密度（每個(gè)區(qū)域有更多的互連），減少跡線長(zhǎng)度（trace length ）以降低每比特傳輸?shù)难舆t和能量。我們可以看到混合鍵合如何解決這兩個(gè)問(wèn)題：跡線長(zhǎng)度顯顯著縮短，因此延遲盡可能低，無(wú)需on-die，并且在某些情況下比芯片上的global rounding更短，并且互連間距可以遠(yuǎn)低于 10 微米以增加密度。 ?

混合鍵合到底是什么？

混合鍵合用于芯片的垂直（或 3D）堆疊?；旌湘I合的顯著特點(diǎn)是它是無(wú)凸塊的。它從基于焊料的凸塊技術(shù)轉(zhuǎn)向直接銅對(duì)銅連接。這意味著頂部die和底部die彼此齊平。兩個(gè)芯片都沒(méi)有凸塊，而是只有可縮放至超細(xì)間距的銅焊盤(pán)。沒(méi)有焊料，因此避免了與焊料相關(guān)的問(wèn)題。 ?

圖3 ? 從上圖中，我們可以看到AMD 3D V-Cache的橫截面，它采用臺(tái)積電的SoIC-X的die-to-wafer混合鍵合。頂部和底部硅之間的鍵合界面是混合鍵合層，存在于硅芯片（silicon dies）的金屬層的頂部?；旌湘I合層是一種電介質(zhì)（現(xiàn)在最常見(jiàn)的是 SiO 或 SiCN），采用通常為亞 10 微米間距的銅焊盤(pán)和通孔進(jìn)行圖案化。 ? 電介質(zhì)的作用是使每個(gè)焊盤(pán)絕緣，使得焊盤(pán)之間不存在信號(hào)干擾。銅焊盤(pán)通過(guò)硅通孔 (TSV) 連接到芯片金屬層。TSV 需要向堆棧中的其他芯片傳輸電源和信號(hào)。當(dāng)?shù)撞啃酒懊娉隆保╢ace down）放置時(shí)，需要這些通孔來(lái)連接頂部芯片上的金屬層，穿過(guò)晶體管層到達(dá)底部芯片上的金屬層。 ?

圖4 ? 信號(hào)正是通過(guò)這些銅焊盤(pán)進(jìn)行芯片間通信。這種鍵合之所以是“混合”鍵合，是因?yàn)樗请娊橘|(zhì)-電介質(zhì)鍵合（dielectric-dielectric bond）和直接銅對(duì)銅鍵合（direct copper-to-copper bond）的組合。鍵合界面之間沒(méi)有使用額外的粘合劑或材料。 ?

關(guān)鍵工藝條件

與以前的基于凸塊的互連相比，引入了一系列全新的技術(shù)和工藝挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鍵合，對(duì)表面光滑度、清潔度和粘合對(duì)準(zhǔn)精度有非常嚴(yán)格的要求。我們將首先描述其中一些挑戰(zhàn)，因?yàn)榱鞒淌菄@緩解這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的。記住這些將幫助您更好地理解為什么流程是這樣的，以及不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 ?

顆粒和清潔度

在任何有關(guān)混合鍵合的討論中，都會(huì)提到顆粒（Particles）。這是因?yàn)轭w粒是混合鍵合中良率的敵人。由于混合鍵合涉及將兩個(gè)非常光滑且平坦的表面齊平地鍵合在一起，因此鍵合界面對(duì)任何顆粒的存在都非常敏感。 ? 高度僅為 1 微米的顆粒會(huì)導(dǎo)致直徑為 10 毫米的粘合空隙，從而導(dǎo)致鍵合缺陷。對(duì)于基于凸塊的互連，器件和基板之間始終存在間隙，因?yàn)槭褂昧说撞刻畛浠蚍菍?dǎo)電薄膜，因此可以容納一些顆粒。 ?

圖5 ? 保持清潔至關(guān)重要，而且非常具有挑戰(zhàn)性。顆粒來(lái)自晶圓切割、研磨和拋光等許多步驟。任何類型的摩擦都會(huì)產(chǎn)生顆粒，這是一個(gè)問(wèn)題，特別是因?yàn)榛旌湘I合涉及機(jī)械拾取芯片并將其放置在其他芯片的頂部。工具中存在大量來(lái)自芯片鍵合頭和芯片翻轉(zhuǎn)器的運(yùn)動(dòng)。顆粒是不可避免的，但有幾種技術(shù)可以減輕對(duì)良率的影響。 ?

圖6 ? 當(dāng)然，定期進(jìn)行晶圓清洗以去除污染物。然而，清潔是不完美的，并且不能一次性去除 100% 的污染物，因此最好首先避免污染物?；旌湘I合所需的潔凈室比其他形式的先進(jìn)封裝所需的潔凈室要先進(jìn)得多。 ?

圖7 ? 因此，混合鍵合一般需要1級(jí)/ISO 3級(jí)或更好的潔凈室和設(shè)備。例如，臺(tái)積電和英特爾正在一路邁向 ISO 2 或 ISO 1 級(jí)別。這是混合鍵合被視為“前端”工藝的一個(gè)主要原因，即它發(fā)生在類似于晶圓廠的環(huán)境中，而不是傳統(tǒng)封裝廠商 (OSAT) 的環(huán)境中。鑒于清潔度要求的升級(jí)，OSAT 很難追求混合鍵合。如果大多數(shù) OSAT 想要參與混合鍵合，則需要建造更新、更先進(jìn)的潔凈室，而臺(tái)積電和英特爾等公司可以使用較舊的晶圓廠或按照與現(xiàn)有晶圓廠類似的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。 ? 混合鍵合的工藝流程還涉及許多傳統(tǒng)上僅由晶圓廠專用的工具。ASE 和 Amkor 等外包組裝和測(cè)試公司 (OSAT) 在化學(xué)氣相沉積 (CVD)、蝕刻、物理氣相沉積 (PVD)、電化學(xué)沉積 (ECD)、化學(xué)機(jī)械平坦化 (CMP) 和表面處理方面經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少準(zhǔn)備/激活。 ? 清潔度要求和工具增加相結(jié)合導(dǎo)致成本大幅增加。與其他形式的封裝相比，混合粘合工藝并不便宜。我們將在下面介紹整個(gè)流程。 ?

光滑度

混合鍵合層的表面光滑度也極其關(guān)鍵。HB 界面同樣對(duì)任何類型的形貌都敏感，這會(huì)產(chǎn)生空洞和無(wú)效的鍵合。一般認(rèn)為電介質(zhì)的表面粗糙度閾值是 0.5nm，銅焊盤(pán)的表面粗糙度閾值是 1nm。為了達(dá)到這種平滑度，需要執(zhí)行化學(xué)機(jī)械平坦化 (CMP)，這對(duì)于混合鍵合來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的工藝。 ?

圖8 ? 拋光后，需要在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中始終保持這種光滑度。避免任何可能損壞該表面的步驟，例如嚴(yán)厲的清潔。即使是用于晶圓分類的探測(cè)也需要進(jìn)行調(diào)整，以免表面受到損壞。 ?

晶圓到晶圓（W2W）或芯片到晶圓(D2W)

首先討論W2W（Wafer-to-Wafer ）還是D2W（Die-to-Wafer）。混合鍵合可以通過(guò)晶圓到晶圓 (W2W) 或芯片到晶圓 (D2W) 工藝來(lái)完成。W2W 意味著兩個(gè)制造好的晶圓直接鍵合在一起。W2W 提供更高的對(duì)準(zhǔn)精度、吞吐量和鍵合良率。鑒于 W2W 相對(duì)容易，目前絕大多數(shù)混合綁定都是通過(guò) W2W 完成的。 ?

圖9 ? W2W鍵合良率更高的原因在于對(duì)準(zhǔn)和鍵合步驟是分開(kāi)的。在 W2W 工具中，有一個(gè)單獨(dú)的腔室（chamber）來(lái)執(zhí)行對(duì)齊。一旦頂部和底部晶圓對(duì)齊，它們就會(huì)被移入鍵合室（bonding chamber，處于真空中），在那里用一點(diǎn)力將它們壓在一起，大約 20 分鐘后，形成初始預(yù)鍵合。 ? W2W 的關(guān)鍵在于它是一個(gè)更加干凈的過(guò)程，步驟更少。在對(duì)準(zhǔn)和鍵合之前，可以清潔晶圓以去除大部分顆粒。芯片分割是顆粒污染的一個(gè)來(lái)源，僅發(fā)生在鍵合之后。由于它是晶圓級(jí)工藝，因此還可以為對(duì)準(zhǔn)步驟提供更多的時(shí)間，因此較長(zhǎng)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間不會(huì)像芯片級(jí)工藝那樣損害良率。 ? 腔室內(nèi)也沒(méi)有發(fā)生太多運(yùn)動(dòng)，因此腔室內(nèi)本身的污染物較少。目前，W2W鍵合機(jī)可以實(shí)現(xiàn)50nm以下的對(duì)準(zhǔn)精度。W2W鍵合已經(jīng)是一個(gè)成熟的工藝并且不是特別昂貴。證據(jù)是我們看到它廣泛應(yīng)用于大眾市場(chǎng)產(chǎn)品，如 3 層圖像傳感器和 NAND。 ? W2W 鍵合效果很好，但一個(gè)主要限制是無(wú)法執(zhí)行晶圓分類來(lái)選擇已知良好的芯片 (KGD)。這會(huì)導(dǎo)致將有缺陷的芯片粘合到良好的芯片上，從而導(dǎo)致良好硅的浪費(fèi)。 ? 鑒于此，W2W 用于良率高的晶圓，這通常意味著較小的設(shè)計(jì)。在下圖中我們可以看到W2W和D2W的芯片面積和成本之間的關(guān)系。在較小的芯片尺寸上，W2W 更便宜，因?yàn)榫A產(chǎn)量會(huì)更高。然而，當(dāng)我們采用更大的芯片尺寸時(shí)，W2W 成本曲線變得更加陡峭，這主要是由丟失的好芯片的成本驅(qū)動(dòng)的。隨著芯片尺寸的增大，每個(gè)晶圓上的良好芯片部分會(huì)減少，從而導(dǎo)致有缺陷的芯片和良好芯片的接合更多。 ?

圖10 ? 我們可以看到，W2W 用于具有高產(chǎn)量的較小芯片：CMOS 圖像傳感器、3D NAND，并且在邏輯方面到目前為止僅用于Graphcore 的Bow IPU。 ? 雖然 Graphcore Bow IPU 是一款較大的 HPC 芯片，但頂部芯片不是前沿邏輯，而是用于電力傳輸?shù)臒o(wú)源電容器芯片，因此其良率應(yīng)該相當(dāng)高，并且硅片要便宜得多。W2W 的另一個(gè)缺點(diǎn)是頂部芯片和底部芯片的尺寸必須一致，因此這限制了異構(gòu)集成選項(xiàng)的靈活性。 ? 關(guān)于成本有多種杠桿。主要是晶圓成本、D0（缺陷密度）和建和良率。這些杠桿中的每一個(gè)都可能導(dǎo)致更高或更低的成本。請(qǐng)注意，這些是強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)的示例圖。不要使用下面的圖表，因?yàn)樗鼪](méi)有顯示實(shí)際的鍵合成本。 ?

圖11 ? 可以看出，D2W 在小芯片上更昂貴，但在大芯片上，情況就相反了。W2W 更貴。僅測(cè)試和鍵合已知良好芯片 (KGD) 的能力至關(guān)重要，這也是晶圓芯片 (D2W) 率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的原因，而不是冒著缺陷堆積和浪費(fèi)優(yōu)質(zhì)硅的風(fēng)險(xiǎn)。它可以應(yīng)對(duì)較差的良率，但仍然具有商業(yè)上可行的產(chǎn)品。 ?

圖12 ? 為了克服限制，我們需要使用 D2W。D2W 鍵合更具挑戰(zhàn)性。執(zhí)行晶圓分類后，KGD 從頂部晶圓上分離出來(lái)，并通過(guò)拾放工具單獨(dú)附著到基礎(chǔ)晶圓上。這在鍵合方面更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槊總€(gè)晶圓有更多的鍵合步驟。這些額外的步驟會(huì)引入更多的顆粒污染，尤其是來(lái)自芯片分割和拾放期間鍵合頭的移動(dòng)的顆粒污染。 ? D2W 可以是一個(gè)“collective”工藝，其中 KGD 對(duì)齊并首先臨時(shí)粘合到重構(gòu)的載體晶圓上。然后將重構(gòu)的載體晶圓鍵合到基礎(chǔ)晶圓上以進(jìn)行實(shí)際的預(yù)鍵合。這是為了像 W2W 一樣將對(duì)準(zhǔn)和粘合分開(kāi)，并允許在最終預(yù)粘合、、鍵合之前進(jìn)行清潔步驟，以清除已積累的任何污染物。缺點(diǎn)是涉及額外的步驟，并且額外的 W2W 鍵合步驟會(huì)產(chǎn)生更多的對(duì)準(zhǔn)錯(cuò)誤機(jī)會(huì)。 ?

圖13 ? 這實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的流程，因?yàn)榈撞啃酒部梢栽谳d體晶圓上重構(gòu)。因此，頂部和底部芯片都是從原始硅晶圓上切割而成，并且對(duì) KGD 進(jìn)行分類。兩組芯片都粘合到各自載體上的精確位置上。然后，通過(guò) W2W 工藝粘合 2 個(gè)承載晶圓。這是在臺(tái)積電 SOIC 中完成的。因此，每個(gè) AMD 3D V 緩存芯片（底部 CPU 芯片到載體、3D V 緩存小芯片到載體、2x 虛擬硅到載體）和晶圓上晶圓都使用 5 個(gè)鍵合步驟。 ?

圖14 ? 重構(gòu)的流程還可以用于異構(gòu)集成的更極端的選擇。英特爾在 IEDM 2022 上展示了“準(zhǔn)單片芯片 (QMC：quasi-monolithic chips)”應(yīng)用的一個(gè)例子是一個(gè)封裝，頂部和底部各有 2 個(gè)芯片的異構(gòu)集成。對(duì)于頂部和底部，每個(gè)芯片都連接到載體晶圓上。然后用厚的無(wú)機(jī)氧化物（例如SiO2）對(duì)晶圓進(jìn)行模制。W2W 鍵合已完成。然后模制的芯片被分割并附著到封裝基板上以完成流程。 ?

圖15 ? 請(qǐng)注意，重構(gòu)區(qū)域中可能存在 TSV。 ? 直接 D2W （Direct D2W）鍵合是將單個(gè)芯片直接放置到目標(biāo)晶圓上進(jìn)行預(yù)接合。Direct D2W 還不太成熟，但由于流程簡(jiǎn)化，未來(lái)似乎會(huì)更多地使用直接 D2W。集體 D2W（collective D2W ） 的好處之一是可以執(zhí)行清潔，然后直接發(fā)送到對(duì)準(zhǔn)室以減少污染。最近推出的 D2W 集群工具可以重新創(chuàng)建此流程，從而減少此集體流程的好處。此外，D2W 更適合更精細(xì)的焊盤(pán)間距，因?yàn)閷?duì)準(zhǔn)變得更具挑戰(zhàn)性，因此消除 W2W 步驟是有好處的，這會(huì)在 W2W 步驟中引入額外的未對(duì)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)。 ? 鑒于 D2W 混合鍵合的工藝挑戰(zhàn)和成本，當(dāng)前的應(yīng)用受到限制。AMD 是 2022 年的第一個(gè)采用者，并且迄今為止仍然是唯一的采用者。 ? 需要注意的一件事是，W2W 在對(duì)準(zhǔn)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于 D2W，因此，如果您的設(shè)計(jì)不是異構(gòu)的，并且晶圓良率足夠高，那么它實(shí)際上將是一種更準(zhǔn)確、更高良率的工藝。這種更精細(xì)的間距還將解鎖許多 D2W 尚未進(jìn)入的新用例。 ?

混合鍵合工藝流程

接下來(lái)讓我們更詳細(xì)地了解 D2W 和 W2W 的流程。 ?

圖16

圖17 ?

1.TSV形成

正如我們上面提到的，需要 TSV 來(lái)向封裝中的所有芯片傳輸電源和信號(hào)。想象一下傳統(tǒng)的倒裝芯片封裝。該芯片僅需要一側(cè)互連即可接收電力并與封裝基板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該互連層具有連接到無(wú)源布線層（也稱為“金屬層”或“線路后端”/BEOL）的凸塊，無(wú)源布線層為開(kāi)關(guān)和處理數(shù)據(jù)的晶體管層提供電源和信號(hào)。 ? 對(duì)于 3DIC，底部的芯片需要能夠與其下方的封裝基板以及頂部的芯片進(jìn)行通信，因此芯片的兩側(cè)都需要互連。這就是 TSV 的用武之地。TSV 有多種變體，具體取決于它們?cè)诹鞒讨械闹圃鞎r(shí)間。TSV 可以是“先通孔”（即先在晶體管層之前在硅中制造），也可以是“中間通孔”（即在晶體管層完成之后且在金屬層之前制造），或者是BEOL 之后繁榮“后通孔”（即先在晶體管層之前制造）。 ? 3DIC 最常見(jiàn)的是“中間通孔”方法，因?yàn)?TSV 在金屬層之間運(yùn)行，一直延伸到晶體管層，并在芯片背面顯露出來(lái)，因此芯片的兩側(cè)現(xiàn)在都有一層互連我們將對(duì)此進(jìn)行描述。 ?

圖18 ? 晶圓上涂有光刻膠，然后使用光刻法進(jìn)行圖案化。然后，使用深反應(yīng)離子蝕刻 (DRIE：Deep Reactive Ion Etch) 將 TSV 蝕刻到硅中，以在晶圓深處形成高深寬比溝槽，但這不會(huì)穿過(guò)整個(gè)晶圓。使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 沉積絕緣層（SiOX、SiNx）和阻擋層（Ti 或 Ta）。這些層是為了防止銅擴(kuò)散到硅中。然后，使用物理氣相沉積 (PVD) 沉積銅種子層（copper seed layer）。該種子層沉積在溝槽中，然后使用電化學(xué)沉積 (ECD) 進(jìn)行填充。這形成了 TSV。然而，該過(guò)程尚未完成，因?yàn)楸趁嫔形达@露通孔。為了顯露 TSV，需要對(duì) TSV 背面進(jìn)行拋光，并且在某些情況下進(jìn)行蝕刻，以減薄背面并隨后顯露出 TSV。一旦完成，晶圓就可以繼續(xù)形成 BEOL。 ? TSV 的形成并不簡(jiǎn)單，而且可能非常耗時(shí)，特別是由于需要深蝕刻。我們知道 TSV 形成是 HBM 和 CoWoS 生產(chǎn)的瓶頸。一些客戶從硅中介層轉(zhuǎn)向 CoWoS-R的原因之一是為了避免硅中介層中昂貴的 TSV 工藝。 ?

2.混合鍵層形成

在晶圓的鍵合界面之后，混合鍵合層被制造在晶圓的 BEOL 頂部。無(wú)論W2W還是D2W都是一樣的。這是一層帶有細(xì)間距銅通孔圖案的介電薄膜。電介質(zhì)，通常是碳氮化硅 (SiCN)，是通過(guò) PECVD 沉積的。然后形成焊盤(pán)。使用光刻技術(shù)對(duì)銅焊盤(pán)的孔進(jìn)行圖案化并蝕刻掉。沉積阻擋層和種子層，然后使用典型的銅鑲嵌工藝鍍銅。 ?

圖19 ? 然后，進(jìn)行 CMP 步驟來(lái)研磨并平滑電介質(zhì)表面，并獲得正確的銅輪廓。銅焊盤(pán)的一個(gè)顯著特征是它們凹入約 1 微米間距。如前所述，光滑的表面對(duì)于形成良好的粘合至關(guān)重要。電介質(zhì)的粗糙度必須控制在 0.5nm 以內(nèi)，銅焊盤(pán)的粗糙度必須控制在 1nm 以內(nèi)。 ? HB 接口的一個(gè)特征是銅焊盤(pán)最初凹入介電層下方約 5 納米。這是為了確保銅在退火過(guò)程中不會(huì)妨礙初始電介質(zhì)-電介質(zhì)鍵合。如果銅凹陷得太深，則可能無(wú)法正確形成銅-銅鍵合。 ? 在對(duì)銅和其他金屬進(jìn)行 CMP 時(shí)，由于過(guò)度拋光以及金屬和電介質(zhì)的柔軟度不同，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。雖然并不理想，但這種現(xiàn)象并不嚴(yán)重，并且可以解決。需要控制凹陷的精確輪廓，以防止鍵合過(guò)程中銅過(guò)度/生長(zhǎng)不足。 ? 為了獲得正確的凹陷輪廓，需要結(jié)合低和高銅去除漿料的多個(gè) CMP 步驟。CMP 是混合鍵合的關(guān)鍵工藝，可實(shí)現(xiàn)非常光滑的表面和最佳輪廓。 ? 在 ECTC 上，索尼展示了當(dāng)間距降至 1 微米時(shí)，最好讓銅突出而不是凹陷。 ?

3.晶圓分類/分割

僅對(duì)于 D2W，執(zhí)行晶圓分類，并對(duì) KGD 進(jìn)行分割并在載體晶圓或帶框架上重組，以便可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理。如上所述，HB 給傳統(tǒng)晶圓分類工藝帶來(lái)了新的復(fù)雜性。晶圓分類涉及用探針探測(cè)晶圓凸塊或焊盤(pán)以執(zhí)行電氣測(cè)試。 ? 探測(cè)可能會(huì)對(duì)銅焊盤(pán)表面造成少量損壞，從而破壞 CMP 過(guò)程中表面的光滑度。雖然對(duì)焊盤(pán)的損壞很小并且在大多數(shù)情況下通常可以接受，但 HB 對(duì)少量的形貌變化更加敏感，因?yàn)檫@些變化會(huì)影響粘合質(zhì)量。解決此問(wèn)題的一種方法是在初始 CMP 中對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，然后執(zhí)行另一輪 CMP 后探測(cè)，以消除探測(cè)造成的任何損壞。 ?

圖20 ? 對(duì)于分割/切割，一個(gè)問(wèn)題是過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒。一般不使用刀片劃片，因?yàn)樗钆K：導(dǎo)致大量顆粒和大量良率損失。激光切割和等離子切割優(yōu)于刀片切割，因?yàn)樗鼈兪歉鍧嵉墓に嚕匀粫?huì)產(chǎn)生顆粒物質(zhì)。等離子切割是最極端的方法，其機(jī)制與蝕刻掉分隔芯片的劃線類似。然而，考慮到蝕刻整個(gè)晶圓所需的時(shí)間，這個(gè)吞吐量要低得多。迪斯科是這方面的領(lǐng)導(dǎo)者。 ?

圖21 ? 一種緩解技術(shù)是首先在晶圓上涂上一層保護(hù)層。顆粒落在保護(hù)層上，當(dāng)保護(hù)層被剝離時(shí)，顆粒可以與保護(hù)層一起被去除。雖然這有助于解決分割過(guò)程中的顆粒問(wèn)題，但可能會(huì)留下保護(hù)層的殘留物，并且剝離過(guò)程也可能對(duì) HB 層造成一些表面損壞，從而增加表面粗糙度。 ?

4.等離子激活和清潔

現(xiàn)在對(duì) 2 個(gè)晶圓進(jìn)行處理，為粘合做好準(zhǔn)備。它們經(jīng)過(guò) N2 等離子體處理以激活表面。等離子處理改變了表面的特性，以增加表面能并使其更加親水。使兩個(gè)表面更加親水可以使表面促進(jìn)氫鍵結(jié)合。這有助于在室溫下實(shí)現(xiàn)下一步中發(fā)生的初始弱電介質(zhì)-電介質(zhì)預(yù)鍵合。 ? 處理后，進(jìn)行最終清潔以清除任何積累的顆粒。重要的是，在鍵合之前，傳入的晶圓盡可能干凈。清潔需要徹底但又不能造成損壞，以保持 HB 接口的完整性。 ? 最好的方法似乎是在兆聲波輔助下進(jìn)行去離子水清潔。使用洗滌器或基于等離子的清潔可能會(huì)造成太大的破壞和/或引入污染物。 ?

圖22 ?

5.鍵合Bonding

現(xiàn)在是鍵合步驟。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它更像是“預(yù)鍵合”，因?yàn)榇瞬襟E僅形成初始電介質(zhì)-電介質(zhì)鍵合，只是弱范德華鍵。我們將分別介紹 W2W 和 D2W 方法的流程。 ? （1）W2W鍵合W2W bonding ? W2W鍵合良率更高的原因在于對(duì)準(zhǔn)和鍵合步驟是分開(kāi)的。首先是對(duì)齊步驟。W2W 對(duì)齊有多種技術(shù)。過(guò)去，紅外掃描儀用于檢查兩塊晶圓之間的對(duì)準(zhǔn)情況。一個(gè)限制是一個(gè)晶圓必須對(duì)紅外線透明。這不適用于 CMOS 晶圓，因?yàn)榧t外線無(wú)法透過(guò)金屬層。 ? EVG 在 W2W 接合領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，擁有獲得專利的 SmartView 對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。有 2 個(gè)相互校準(zhǔn)的相機(jī)，一臺(tái)放置在目標(biāo)晶圓上方，一臺(tái)放置在下方。移動(dòng)固定頂部晶圓的卡盤(pán)，以便底部攝像頭可以識(shí)別對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，并且系統(tǒng)記錄對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的位置。頂部晶圓被縮回，然后底部晶圓在相機(jī)之間移動(dòng)，直到頂部相機(jī)能夠識(shí)別對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。對(duì)準(zhǔn)器現(xiàn)在可以通過(guò)計(jì)算 2 個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的相對(duì)位置來(lái)對(duì)準(zhǔn) 2 個(gè)晶圓。為了幫助保持精度和控制，晶圓彼此非常接近（50 微米以內(nèi)），并且卡盤(pán)僅在 X 和 Y 平面上移動(dòng)，在預(yù)鍵合之前沒(méi)有 Z 軸（垂直）移動(dòng)。 ? 對(duì)準(zhǔn)后，晶圓被移入鍵合室，在其中施加小壓力約 20 分鐘將它們壓在一起，形成初始鍵合。 ? 鍵合后檢查可以通過(guò)聲學(xué)在原位完成，如果對(duì)準(zhǔn)不充分，則也可以重新加工鍵合。 ?

圖23 ? 在 W2W 工具中，有一個(gè)單獨(dú)的室來(lái)執(zhí)行對(duì)齊。一旦頂部和底部晶圓對(duì)齊，它們就會(huì)被移入鍵合室（處于真空中），在那里用一點(diǎn)力將它們壓在一起，大約 20 分鐘后形成初始預(yù)鍵合。W2W 的關(guān)鍵在于它是一個(gè)更加干凈的過(guò)程，步驟更少。在對(duì)準(zhǔn)和鍵合之前，可以清潔晶圓以去除大部分顆粒。芯片分割是顆粒污染的一個(gè)來(lái)源，僅發(fā)生在鍵合之后。 ? 由于它是晶圓級(jí)工藝，因此還可以為對(duì)準(zhǔn)步驟提供更多的時(shí)間，因此較長(zhǎng)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間不會(huì)像芯片級(jí)工藝那樣損害產(chǎn)量。腔室中也沒(méi)有發(fā)生太多運(yùn)動(dòng)，因此腔室本身產(chǎn)生的污染物較少。目前，W2W鍵合機(jī)可以實(shí)現(xiàn)50nm以下的對(duì)準(zhǔn)精度。W2W鍵合已經(jīng)是一個(gè)成熟的工藝并且不是特別昂貴。證據(jù)是我們看到它廣泛應(yīng)用于大眾市場(chǎng)產(chǎn)品，如索尼、Omnivison 和三星的圖像傳感器，以及長(zhǎng)江存儲(chǔ)、西部數(shù)據(jù)和 Kioxia 的 NAND。 ? （2）D2W鍵合D2W bonding ? D2W 接合是通過(guò)拾放工具完成的。 ? 底部目標(biāo)晶圓位于晶圓卡盤(pán)上。將待粘合的芯片面朝上放置在膠帶框架上。翻轉(zhuǎn)臂收集單個(gè)芯片并將其翻轉(zhuǎn)，使芯片的背面朝上位于翻轉(zhuǎn)器上。有一個(gè)高架鍵合臂，可利用鍵合頭上的真空吸力拾取翻轉(zhuǎn)的芯片。

審核編輯：黃飛

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