Введение: эволюция 3D-интеграции

Полупроводниковое вафельное склеивание стало краеугольным камнем передовой микроэлектроники, особенно в разработке трехмерных (3D) интегральных схем (ICs). Поскольку отрасль выходит за пределы традиционного масштабирования транзисторов, 3D-интеграция предлагает путь к более высокой производительности, более низкому энергопотреблению и уменьшенному следу путем вертикального сложения нескольких слоев устройств. Склеивание пластин является технологией, которая физически и электрически соединяет эти слои. Недавние прорывы в технологиях склеивания решают давние проблемы, такие как тепловой бюджет, несовместимость материалов и точность выравнивания, открывая новые возможности для гетерогенной интеграции и архитектуры памяти с высокой пропускной способностью.

В данной статье рассматриваются наиболее перспективные новые методы в области полупроводниковых пластинных связей для 3D-интеграции, сравниваются с установленными методами, обсуждаются их преимущества и проецируется их роль в будущих электронных устройствах.От плазменно-активированных связей до гибридных прямых связей эти инновации меняют ландшафт проектирования и производства чипов.

Обзор ваферных связей в 3D-интеграции

Связывание пластин представляет собой процесс соединения двух или более полупроводниковых пластин - обычно кремниевых, но также сложных полупроводников или стекла - для формирования единого, механически стабильного стека. В 3D-интеграции этот стек часто истончается, узорчат и соединен через вертикальные межсоединения (через кремниевые связки, TSV). Качество интерфейса связи напрямую влияет на электрические характеристики, механическую надежность и управление температурой.

Традиционные методы связывания пластин включают в себя:

  • Прямая силиконовая связь (также известная как термоядерная связь): Две полированные кремниевые поверхности вступают в контакт после влажной химической обработки, затем отжигаются при высоких температурах (800-1100 °C) для образования ковалентных связей. Этот метод дает исключительно прочные связи, но требует чрезвычайно чистых плоских поверхностей и не может переносить значительные несоответствия в коэффициенте теплового расширения (CTE).
  • Клеевое связывание: Для приклеивания пластин используется полимерный промежуточный слой (например, BCB, SU-8). Это низкотемпературный и прощающий поверхностный рельеф, но полимер деградирует при высоких температурах обработки и может вызывать проблемы надежности при дегазации или поглощении влаги.
  • Анодная связь: Напряжение подается через кремниевую пластину и стеклянную (или другую ионопроводящую) пластину при умеренных температурах (~300-500 °C), создавая постоянную связь посредством ионной миграции.
  • Эвтектические и солдерные соединения: Металлические слои (например, Au-Sn, Cu-Sn) используются для формирования низкоплавкого сплава на интерфейсе. Эти методы обеспечивают отличные электрические межсоединения, но часто включают остатки потока и имеют ограниченную масштабируемость для мелкодисперсных применений.

Каждая традиционная техника имеет компромиссы в температуре, давлении, чистоте и совместимости материалов. Новые методы направлены на преодоление этих ограничений при достижении более жесткого шага, более низкого теплового бюджета и гетерогенных стеков материалов, необходимых для современной 3D-интеграции.

Новые технологии в Wafer Bonding

1. Плазменная активированная связь (ПАБ)

Плазменная активация склеивания использует плазму низкого давления (кислород, азот или аргон) для обработки поверхности пластины перед их контактом. Плазма создает гидрофильные поверхности с высокой плотностью OH-групп, значительно увеличивая энергию поверхности. Это позволяет склеиваться при комнатной температуре или низких температурах (например, 200-400 ° C) по сравнению с > 1000 ° C, необходимыми для обычного прямого склеивания.

Ключевым преимуществом является снижение теплового напряжения, которое имеет решающее значение при связывании пластин с различными CTE или когда слои устройства уже узорчаты. PAB был успешно продемонстрирован для кремния-кремния-стекла и даже нитрида кремния-галлия. Недавние исследования изучили использование последовательных плазменных обработок для дальнейшего повышения прочности связи и уменьшения образования пустот. Исследование 2022 года в Наука о материалах в полупроводниковой обработке показало, что оптимизированная последовательность плазмы кислорода-аргона может достигать энергии связи, превышающей 2,5 J / м2 при 300 °C.

Несмотря на свои обещания, PAB требует тщательного контроля параметров плазмы, чтобы избежать повреждения поверхности и загрязнения частиц. Метод также чувствителен к нативным слоям оксида, что делает его менее простым для применения в медно-гибридных соединениях.

2. лазерная связь

Лазерное склеивание фокусирует мощный лазерный диод или импульсный лазерный луч на интерфейсе связи, выборочно нагревая тонкий слой поглощающего материала (часто металл или специализированный органический клей), в то время как основная часть пластины остается прохладной. Этот локализованный нагрев резко снижает общий тепловой бюджет, что позволяет связывать чувствительные к температуре устройства, такие как фотодетекторы III-V или органические подложки на кремниевые подложки драйвера.

Методика предлагает быструю обработку без маски и высокое пространственное разрешение, важное для связывания от кристалла до пластины в продвинутых 3D-пакетах. Например, в статье 2023 года в IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology описан процесс связывания с лазером для микро-LED-дисплеев, где 10 мкм-питч-соединений были сформированы с точностью выравнивания <1 мкм.

Однако лазерное связывание представляет собой последовательный процесс, который ограничивает пропускную способность для связывания на уровне пластин большой площади. Гибридные подходы, сочетающие лазерное предварительное связывание с последующим низкотемпературным отжига, исследуются для повышения производительности.

3. Cold Wedge Bonding (ультразвуковая связь)

Холодная клиновая связь прикладывает ультразвуковую энергию и умеренное давление к пластинам при комнатной температуре. Ультразвуковая вибрация генерирует фрикционное тепло только на границе, вызывая локальную пластическую деформацию и металло-металлическую связь (обычно медь или золото) без плавления сыпучих материалов. Этот метод особенно ценен для связывания очень тонких пластин (<50 мкм), которые в противном случае деформировались бы или трескались под тепловой нагрузкой.

Ультразвуковое склеивание широко используется в проволочном склеивании и в настоящее время адаптируется для процессов в масштабе пластин. Ключевой задачей является обеспечение равномерного распределения энергии по всей области пластин. Текущие исследования сосредоточены на конструкциях мультипреобразователей и акустическом мониторинге в режиме реального времени для повышения однородности. Обзор 2021 года в Надежность микроэлектроники подчеркнул, что склеивание холодного клина может достигать прочности сдвига выше 40 МПа на медно-медных интерфейсах, что делает его конкурентоспособным с сжатием тепловой связи.

Ограничения включают необходимость зеркально-плоских поверхностей и возможность акустического повреждения хрупких диэлектриков с низким К. Тем не менее, для таких приложений, как сложенная память и вспышка 3D NOR, ультразвуковое сцепление набирает тягу.

4. Поверхностно-активированные связи (SAB)

Поверхностно-активируемое связывание опирается на высоковакуумную очистку поверхности пластины (обычно с помощью ионного пучка аргона) для удаления нативных оксидов и загрязняющих веществ, выставляя наружные связи. Когда очищенные поверхности вступают в контакт под вакуумом, сильные атомные связи образуются спонтанно при комнатной температуре. Промежуточный слой не требуется, и интерфейс может быть электропроводным, если обе поверхности металлические.

SAB был продемонстрирован для низкотемпературного связывания кремния с кремнием, но еще более привлекателен для гетерогенной интеграции — присоединения несхожих материалов, таких как кремний к ниобату лития или кремний к алмазу. Основным недостатком является необходимость UHV <10⁻⁶ Pa) chambers, which adds cost and complexity. However, recent advances in модифицированного SAB , который использует тонкий слой осаждения оксида кремния до связывания, имеет требования к расслабленному вакууму при сохранении отличной прочности связи. Исследование в Японский журнал прикладной физики (2020) сообщило, что модифицированный SAB может производить связи с энергиями интерфейса >3 J / м2 при 150 °C.

5. Гибридная прямая связь (Cu-SiO2 Hybrid Bonding)

Гибридное связывание появилось в качестве ведущей технологии для интеграции 3D высокой плотности, особенно в CMOS-датчиках изображения и усовершенствованных стеках логической памяти (например, 3D V-Cache AMD). В гибридном связывании медные прокладки встроены в диэлектрическую матрицу диоксида кремния (или SiCN). Волы сначала выровнены, затем связаны при комнатной температуре с помощью диэлектрических-диэлектрических сил ван-дер-Ваальса, а затем последует аннеал отжига (250-400 ° C), который вызывает интердиффузию медь-медь. Результатом является непрерывное соединение металла с шагом субмикрометра.

Последние инновации включают использование лайнеров SiCN вместо SiO2 для диэлектрика, который улучшает влагостойкость и уменьшает диффузию меди. Прикладные материалы и другие поставщики оборудования представили инструменты, которые позволяют гибридную связь с количеством частиц ниже 0,1 дефекта / см2, критический активатор для объемного производства.

Основными проблемами являются строгие требования к плоскости и чистоте (частицы > 0,1 мкм могут вызывать несвязанные области). Тем не менее, гибридное связывание в настоящее время распространяется на многослойное укладывание и даже гибридное связывание от дие-до-слоя , которое будет иметь важное значение для будущих 3D-SoC.

6.Временная связь без клея для разжижения

Хотя это не окончательный метод склеивания, временное склеивание пластин является важным шагом в 3D-интеграции. Традиционные клеи, используемые для присоединения несущей пластины, должны быть удалены после истончения, что может занять много времени и ввести остаток. Новые методы без клея включают:

  • Электростатическое связывание с использованием электродного носителя, где приложенное напряжение зажимает пластину устройства.
  • Ван-дер-Ваальс склеивает ультраполированные пластины без какого-либо клея, что позволяет очистить отсоединение после истончения через термический слайд.
  • Лазерное дебондинг , где светопоглощающий слой высвобождения мгновенно испаряется импульсным лазером, не оставляя никаких остатков.

Эти временные методы соединения улучшают чистоту процесса и уменьшают общее тепловое воздействие, что особенно полезно для энергочувствительных устройств, таких как DRAM или RF-SOI.

Преимущества новых методов перед обычными методами

Новые методы связывания пластин предлагают несколько неоспоримых преимуществ:

  • Низкий тепловой бюджет: Многие новые методы работают при комнатной температуре или ниже 300 °C, резко уменьшая деформацию пластин, дефекты, вызванные стрессом, и диффузию допантов или металлов.
  • Гетерогенная интеграция: Такие методы, как PAB, SAB и гибридное связывание, позволяют связывать материалы с различными CTE, решетчатыми константами или точками плавления (например, связывание InP с Si).
  • Масштабирование межсоединений: Гибридное соединение уже поддерживает шаг ниже 1 мкм, а будущие расширения могут достигать 0,5 мкм, позволяя создавать тысячи вертикальных соединений на квадратный миллиметр.
  • Улучшенная надежность: Сильные ковалентные или металлические связи, образующиеся при низких температурах, имеют меньше пустот и лучшую долгосрочную стабильность по сравнению с полимерными клеями.
  • Совместимость с существующими потоками CMOS: Многие из этих методов представляют собой сухие вакуумные процессы, которые могут быть интегрированы в существующие наборы инструментов с минимальным риском загрязнения.

Эти преимущества способствуют внедрению в производство больших объемов, особенно для памяти (HBM, 3D NAND), датчиков изображения (CMOS-стекленные датчики) и логики (FPGA и CPU).

Приложения для вождения инноваций

Высокоширотная память (HBM) и 3D DRAM

В HBM2E и HBM3 до 12 DRAM-смартфонов сложены с использованием TSV и микро-bumps, причем стек связан с логическим основанием гибнет. Новые методы, такие как гибридное склеивание, могут уменьшить шаг между каналами памяти, увеличивая пропускную способность при одновременном снижении мощности на бит. Samsung и SK Hynix объявили о планах принять гибридное склеивание для будущих стеков памяти.

CMOS датчики изображения (CIS)

Сложенный CIS, где массив пикселей связан с логическим чипом для считывания, связан с гибридной связью с соединениями медь-медь. Это устраняет необходимость в выпуклости ADC колонны-параллели и уменьшает размер пикселей. Датчики Sony Exmor RS являются ярким примером, используя гибридную связь Cu-Cu с шагом 2 мкм.

Компактная оптоэлектроника

Интеграция лазеров или модуляторов III-V в кремниевые фотонные схемы требует низкотемпературного соединения, чтобы избежать деградации материала III-V. PAB и SAB исследуются для достижения этого с выравниванием до 100 нм. Полученные фотонные ИС могут обеспечить оптические межсоединения терабитного масштаба.

Мощные устройства и GaN-on-Si

Ваферное связывание используется для переноса эпитаксиальных слоев GaN на Si или алмазные подложки для лучшего управления температурой. Холодное клиновое связывание и PAB позволяют передавать без растрескивания слоя GaN, позволяя высоковольтные транзисторы с улучшенным рассеиванием тепла.

Проблемы и открытые вопросы

Несмотря на их обещание, новые методы сталкиваются с несколькими препятствиями перед широким распространением:

  • Производительность против точности: Серийные процессы, такие как лазерное склеивание или ультразвуковое склеивание, должны масштабироваться до пропускной способности на уровне пластин без ущерба для точности выравнивания.
  • Управление частицами и пустотами: Гибридное склеивание и SAB требуют почти идеальной чистоты поверхности. Даже одна частица размером 0,1 мкм может вызвать большую несвязанную область, убивая выход.
  • Метрология:] Характеризовать качество связи на субмикрометровых масштабах сложно. акустическая микроскопия высокого разрешения, инфракрасная термография и электрические испытательные структуры развиваются для удовлетворения этой потребности.
  • Совместимость с материалами: Некоторые способы связывания требуют специфических поверхностных окончаний (например, высокая плотность OH для PAB), которые могут быть недостижимы на всех материалах без дополнительной химической обработки.
  • Стоимость: Процессы на основе УВЧ (SAB) или экзотические лазерные системы увеличивают первоначальные капитальные затраты. Однако общее снижение затрат на уровне системы от повышения производительности и доходности может компенсировать эти инвестиции для высокоценных чипов.

Будущие перспективы и направления исследований

Эволюция вафельной связи ускоряется. К числу ключевых тенденций относятся:

  • Многотехнологическое гибридное связывание: Комбинирование PAB для диэлектрических поверхностей с ультразвуковой предварительной связыванием для металлических подкладок может обеспечить как сильные диэлектрические связи, так и электрические контакты с низким сопротивлением за один шаг.
  • Инновация выравнивания уровня горизонта: Интерферометрия Мойре и двухсторонние выравнивающие камеры достигают точности наложения суб-100 нм, необходимой для гибридного склеивания с шагом суб-0,5 мкм.
  • Искусственный интеллект в управлении процессами: Модели машинного обучения обучаются прогнозированию качества связи по поверхностной отражательной способности, количеству частиц и параметрам плазмы, что позволяет в режиме реального времени корректировать.
  • Интеграция с обработкой бэкэнда: По мере того, как 3D-интеграция движется к более тонким шагам, склеивание должно быть совместимо с диэлектриками с низким к и продвинутой металлизацией BEOL.

В течение следующего десятилетия мы можем ожидать, что вафельное склеивание превратится из шага нишевой упаковки в основной фронтальный процесс, плавно интегрированный с изготовлением транзисторов. Переход от микро-связи к гибридному соединению к прямому соединению (DBI) технология позволит создать настоящие 3D-системы на чипе (SoC), которые сочетают логику, память и датчики в монолитном 3D-стеке.

Для углубленного обзора последних событий см. эту статью 2019 года в Журнале науки и технологий твердого тела о плазменно-активированных склеивании для гетерогенной интеграции и IEEE Heterogeneous Integration Roadmap для отраслевых перспектив.

Заключение

Полупроводниковая вафельная связь развилась далеко за пределы своего происхождения как простой процесс адгезии. Новые методы - активированная плазмой, лазерная, холодная клиновая, активированная поверхность и гибридная прямая связь - позволяют достичь беспрецедентных уровней 3D-интеграции. Путем снижения тепловых бюджетов, расширения совместимости материалов и сокращения межсоединительных стекол эти методы приводят к следующему поколению высокоэффективных, энергоэффективных электронных систем. Продолжение исследований в области управления процессами, метрологии и многотехнической интеграции еще больше укрепит вафельную связь как фундаментальный фактор будущего полупроводниковой промышленности.