Giriş: 3D Entegrasyonun Evrimi

Yarı iletken wafer bağı gelişmiş mikroelektronikların temel taşı haline geldi, özellikle üç boyutlu (3D) entegre devrelerin (ICs) bu katmanları fiziksel ve elektriksel olarak birbirine bağlayan teknolojidir.

Bu makale, yarı iletken olarak 3D entegrasyon için en umut verici teknikleri araştırıyor, onları yerleşik yöntemlerle karşılaştırır, avantajlarını tartışır ve gelecekteki elektronik cihazlarda rollerini projer. plazma-aktif bağlantıdan hibrit doğrudan bağlanmaya, bu yenilikler çip tasarımı ve üretimi yeniden şekillendirir.

3D Entegrasyonda Wafer Bonding Genel Bakış

Wafer bağ, iki veya daha yarı iletken wafers katılma sürecidir -tipik olarak silikon, ancak aynı zamanda tek, mekanik olarak istikrarlı bir yığın oluşturur. 3D entegrasyonda, bu yığın genellikle incelenir, desenli ve dikey bağlantı yoluyla bağlantılıdır (örneğin, TSVs).

Geleneksel wafer bağ teknikleri şunları içerir:

  • [FONT=0) Silikon Taht (ayrıca füzyon Bağı olarak da bilinir): [Dönemli silikon yüzeyler ıslak bir kimyasal tedaviden sonra temasa geçilir, sonra yüksek sıcaklıklarda (800-1100 °C) eşdeğerli bağlar oluşturmak için eklenir. Bu yöntem olağanüstü derecede temiz, düz yüzeyler gerektirir ve termal genişleme katlanarak önemli yanlış eşleştirmelere tahammül edemez (CTE).
  • [FONT:0]Adhesive Bonding: [Dönetici: [Dönetici: 1) Bir polimer orta tabaka (örneğin, BCB, SU-8), düşük sıcaklık ve üst yüzeydeki üstografiye uymak için kullanılır, ancak polimer yüksek işlem sıcaklıklarında azalır ve güvenirlik endişelerini dış gaz veya nezordan veya neziğe getirebilir.
  • [FONT:0]Anodik Bonding:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) Bir gerilim silikonun ve bir cam (veya diğer iyon-kondüktör) düşük sıcaklıklar (~300-500 °C), MEMS ve sensör ambalajı için yararlı olsa da, yüksek gerilimler gerekir.
  • [FONT:0]Eutectic ve Solder Bonding:) Metal tabakalar (örneğin, C-Sn) arayüzde düşük seviyeli bir alaşım oluşturmak için kullanılır.Bu yöntemler flux rezitler içerir ve incelenebilirlik uygulamaları için sınırlı ölçeklenebilirlik sağlar.

Her geleneksel teknik sıcaklık, basınç, temizlik ve malzeme uyumluluğunda ticaret yapıyor. Gelişen teknikler, sıkı saha, daha düşük termal bütçe ve modern 3D entegrasyonu tarafından gerekli olan heterojen materyal yığınları karşılamak için bu sınırlamaları aşmak için hedefler.

Wafer Bonding Teknikleri

1. PlazmaAktif Taht (PAB)-

Plazma aktive edilmiş bağ, düşük basınçlı plazma (oxygen, azot veya argon) onlarla temasa girmeden önce yüzeyleri tedavi etmek için kullanır. plazma, OH-grupların yüksek yoğunlukla hidrophilic yüzeyleri yaratır, önemli ölçüde artan yüzey enerjisi sağlar.Bu, oda sıcaklığı veya düşük sıcaklıklara (örneğin, 200-400 °C) bağlanmak için gerekli olan >1000 °C'ye kıyasla bağlar.

Anahtar avantajı, farklı CTE'lerle veya cihaz tabakalarının zaten modellendiği zaman kritik olan termal stresin azaltıldığı, silikon-to- ⁇ , silikon-kurallar ve hatta silikon-gallium nitride. Son araştırma, sequential plazma tedavilerinin kullanımını daha fazla bağlar ve boşluk oluşturmanın daha iyi bir şekilde gösterebileceğini göstermiştir. ”

Onun sözüne rağmen, PAB, plazma parametrelerinin yüzey hasar ve partikül kirliliğinden kaçınmasını gerektirir. Teknik aynı zamanda yerli oksit tabakalarına da duyarlıdır, bakır-hybrid bağ uygulamaları için daha az basit hale getirir.

2. LazerAssisted Bonding

Lazer destekli bağ yüksek enerjili bir lazer diyot veya puld lazer kirişi tahvil arayüzüne odaklanır, seçici olarak ince bir şekilde absorbe edilen malzeme (örneğin metal veya özel bir organik yapıştırıcı) ısıtılırken, bu yerelleştirilmiş ısıtmanın miktarı dramatik olarak genel ısıtılır.

Teknik hızlı, maskesiz işleme ve yüksek uzaysal karar sunuyor - Eblank için geçerli olmayan bir işlem. Örneğin, a 2023 kağıtları için Ambalaj ve İmalat Teknolojisi

Bununla birlikte, lazer destekli bağ, büyük seviyeli bir bağlantı için sınır ötesi olan bir seri süreçtir. Hybrid, lazer ön saflaştırma ile sonraki düşük sıcaklık ekalleri ile birlikte lazer önyüklemeyi bir araya getirerek analiz edilir.

3. Soğuk Wedge Bonding (Ultrasonik Taht)

Soğuk wedge bağı, oda sıcaklığındaki wafers için ultrasonik enerji ve orta basınç uygular. Ultrasonik titreşim sadece arayüzde sürtünme ısıyı üretir, yerel plastik deformasyona ve metal-to-metal bağına neden olur (tipik olarak bakır veya altın) malzemeyi bozmadan.Bu teknik özellikle de çok ince waferler (<50 μm) ile sert bir şekilde çatlakları bağlar.

Ultrasonik bağ tel bağında yaygın olarak kullanılıyor ve şimdi wafer-scale süreçleri için adapte ediliyor. anahtar bir meydan okuma tüm wafer alanı üzerinde üniformalı enerji dağıtımını sağlamak.Mevcut araştırma, 40 MPa'nın üzerinde düzgün bir şekilde izleme ve gerçek zamanlı akustik izleme üzerinde yoğunlaşıyor.0A 2021 inceleme inFLT:0Aelektronik Reliability Soğuk wedge bağının 40 MPa'nın üzerinde hear güçlü yönlerine ve gerçek zamanlı akustik izlemeye odaklanabileceğini vurguladı.

Limitler ayna şişirme yüzeyleri için ihtiyaç ve hassas düşük dielektriklere akustik hasar olasılığı içerir. Bununla birlikte, yığınlanmış hafıza ve 3D NOR flaş gibi uygulamalar için, ultrasonik bağlantı traksiyon kazanıyor.

4. Yüzeysel Taht (SAB)

Yüzeyli bağ yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüzeylere (genellikle bir argon iyon kirişi ile) yerli oksitleri ve kirleticileri kaldırmak için, temizlemeli yüzeyler vakum altında temasa geçtiğinde, güçlü atom bağlarının spontane olarak oda sıcaklığında temizlenmesi gerekir.

SAB, silikonun silikonun silikonun silikona düşük ısıtılması için gösterildi, ancak UHV'ye (<10⁻⁶ Pa) chambers, which adds cost and complexity. However, recent advances in ) SAB) sahip olduğu ince silikonun tabakaları, mükemmel bir bağıntıya kadar yumuşak vakumlamadan önce ısıtılması veya silikonun olması gerektiği gibi.

5. Hybrid Direct Bonding (Cu-SiO2 Hybrid Bonding)

Hibrit bağ yüksek çözünürlük için önde gelen teknik olarak ortaya çıktı, özellikle CMOS görüntü sensörleri ve gelişmiş mantık-memory yığınları (örneğin, AMD'nin 3D V-Cache) bir silikon dioksit (veya SiCN) dielektrik matrisi ile bağlantıya gömülüdür, sonra dielektrikli van der Waals kuvvetleri ile oda sıcaklığında bağlanır.

Son yenilikler, ISQ liners[FONTT:0)SiCN liners), SiO2 yerine, nem direncini geliştirir ve bakır difüzyonu azaltır.ETHFLT:2).

Ana zorluklar sıkı düzlük ve temiz koşullardır (parçalar >0.1 μm), hibrit bağ şimdi 3D-SoCs için gerekli olan hibrid bağlara neden olabilir.

6. Yapıştırıcı Serbest Geçici Taht için İncelenmesi

Son bir bağ tekniği olmasa da geçici wafer bağı 3D entegrasyonda önemli bir adımdır.Bir taşıyıcı wafer takacak kullanılan geleneksel yapıştırıcılar incelenmeden sonra kaldırılmalıdır, ki zaman alıcı ve retori tanıtılabilir.

  • [[Düzücük bağlantı [[Dönetici:0))Electrostatik bir bağlantı [Dönetici:0]) Bir elektrot-embedded taşıyıcı kullanarak, uygulanan bir gerilimin cihazının indirildiği yerde, cihazı indirdiği.
  • [FONT:0]Van der Waals bağ[[DÜT:1] ultra-polid wafers herhangi bir yapıştırıcı olmadan, temiz bir delegenin ısınmasına izin verir.
  • [FONT:0]Laser debonding[[DÜT:1] bir ışık-absorbing salıverme katmanının anında bir nabız lazerle buharlaştırıldığı, geri kalan hiçbir kalıntıyı terk etme.

Bu geçici bağ yöntemleri süreci temizliyor ve toplam termal maruziyet azaltıyor, bu özellikle DRAM veya RF-SOI gibi güç hassas cihazlar için faydalıdır.

Gelişen tekniklerin Artışıma Etkileri

Yeni wafer bağ teknikleri birkaç zorlayıcı avantaj sunar:

  • [FONT=0] Düşük termal bütçeler: [Dönetici: [Dönetici: 3] Birçok gelişmekte olan yöntem oda sıcaklığında veya 300 °C altında çalışır, büyük ölçüde indirilmiş kusurları ve dopants veya metallerin difüzyonunu azaltır.
  • [FONT:0)Heterogeneous entegrasyon: PAB, SAB ve hibrit bağ, farklı CTEs, lattice sabitleri veya erişim noktalarına (örneğin, Si'ye bağlanmak) izin verir.
  • [FONT:0]Fine-pitch interconnecting:[Dönetici: 0) Hybrid bağ zaten 1 μm'nin altında perdeleri destekler ve gelecekteki uzatmalar kare milimetreye binlerce dikey bağlantı sağlar.
  • [FONT:0) Geliştirilmiş güvenilirlik:[Dönetici:0) Güçlü kovalent veya metalik bağlar düşük sıcaklıklarda oluşturulan daha az boşluklar ve polimer yapıştırıcıları ile kıyasla daha iyi uzun vadeli stabiliteye sahiptir.
  • [FONT:0) Mevcut CMOS akışlarıyla uyumluluk: Bu tekniklerin çoğu kuru, mevcut fab aletlerine minimum konteynır riski ile entegre edilebilir olan vakum bazlı süreçlerdir.

Bu avantajlar yüksek hacimli imalatta kabul edilir, özellikle hafıza için (HBM, 3D NAND), görüntü sensörleri (CMOS yığılmış sensörler) ve mantık (FPGA ve CPU yığınları).

Uygulamalar Sürüş Yenileme

Yüksek Lisans ve yüksek bellek (HBM) ve 3D DRAM

HBM2E ve HBM3'te, 12 DRAM'a kadar, TSV'leri ve mikro-bumps'i kullanarak, bir mantık üssüne bağlı olarak, karma bağlantı gibi gelişmiş teknikler hafıza kanalları arasındaki alanı azaltabiliyor, Samsung ve SK Hynix'in her ikisinde de gelecekteki hafıza yığınları için hibrit bağlantı kurmayı planladıkları görülüyor.

CMOS Image Sensörleri (CIS)

Stacked CIS – Python serisi, okutulan için bir mantık çipine bağlanır – 2 ⁇ m ile hibrit bağlantıya bağlanır.Bu sütun-parallel sütun ADC bumps ve piksel boyutunu azaltır. Sony'nin Exmor RS sensörlerinin bir asal örneği, Cu-Cu hibrid bağını 2 ⁇ m ile kullanın.

Compact Optoelektronik

III-V lazerleri veya silikon fotonik devrelerine karşı modüller, III-V materyalinden mezun olmak için düşük sıcaklık bağı gerektirir. PAB ve SAB bunu alt-100 nm hizasıyla elde etmek için araştırılır.

Güç Cihazları ve GaN-on-Si

Wafer bağ, GaN epit aksiyel tabakaları daha iyi termal yönetim için Si veya elmas substratlarına transfer etmek için kullanılır. Soğuk wedge Connect ve PAB, GaN katmanını kırmaksızın transfere izin verir, yüksek gerilim transistörleri gelişmiş ısı dağılımı sağlar.

Meydanlar ve Açık Sorular

Onların vaadine rağmen, ortaya çıkan teknikler yaygın kabul edilmeden önce birkaç engelle karşı karşıya kalır:

  • [FONT=0)Throughput vs. hassas: Lazer Bağ veya ultrasonik bağ gibi seri süreçler, doğruluktan ödün vermeden önce kesintiye uğratılmalıdır.
  • [FONT=0)Particle ve boşluk kontrolü: [Dönetici: 0,4][/FONT] Hybrid bağ ve SAB, mükemmel yüzey temiz hatların yakınında gerektirir. Hatta tek 0.1 μm parçacığı büyük bir unbonded bölgeye neden olabilir, öldürme verimini.
  • [FONT=0)Metroloji: [DDDDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0,0)Metroloji:[[DÜye Olmayan Mikroskop, kızılötesi termograf ve elektrik testi yapıları bu ihtiyaç ile tanışmaya gelişmektedir.
  • [FONT:0)Maliye uyumluluk:[[Dönetici:0) Bazı bağlanma yöntemleri belirli yüzey gecikmeleri gerektirir (örneğin, PAB için yüksek OH yoğunluğu), ek kimyasal tedavi olmaksızın tüm malzemelerde kullanılabilir olmayabilir.
  • [FONT) veya egzotik lazer sistemleri ön sermaye maliyeti ekler. Ancak, genel sistem seviyesi gelişmiş performans ve verimden bu yatırımları üst değerli çipler için dengelemek için azaltılabilir.

Future Outlook ve Araştırma Yolu

wafer bağının evrimi hızlanıyor. Anahtar eğilimleri şunları içerir:

  • [FONT:0)Multi-teknoloji hibrit bağlantı: [Dönetici:[Dönetici:0) PAB'yi metal pedlerle bölmek için önceden ayarlanan yüzeyler için bir araya getirmek, hem güçlü dielektrik bağlantılarını hem de düşük ücretli elektrik bağlantılarını tek bir adımda elde edebilir.
  • [FONT:0]Wafer- Seviye uyumu inovasyonu: Moiré interferometri ve çift taraflı hizalama kameraları alt-100 nm aşırı doğruluk için gerekli olan alt-0.5 μm alanı hibrit bağlantı için gereklidir.
  • [FONT:0) Süreç kontrolünde önemli bir istihbarat: Makine öğrenme modelleri, yüzeysel yansımalardan, parçacık sayılarından ve plazma parametrelerinden tahvil kalitesini tahmin etmek için eğitilmiştir.
  • [FONT:0) Geri uç işleme ile ilgili olarak: 3D entegrasyon iyileştirici pozisyonlara doğru hareket eder, bağın düşük elektriklerle ve gelişmiş BEOL metalizasyon ile uyumlu olması gerekir.

Önümüzdeki on yıl boyunca, wafer bağını bir niş paketleme adımından bir temel ön uç işlemeye kadar, transistasyonla tam anlamıyla entegre edilmiş bir işlemdir. Mikro-bump'dan hibrit bağlantıya geçiş:0)yönetici-bond interconnect (DBI)))

Daha fazla okuma: Son gelişmelerin derinlemesine bir incelemesi için, bkz.D:0)Bu 2019 makale endüstri perspektifleri için ).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yarı iletken wafer bağı, kökenlerinin çok ötesinde basit bir adhesion süreci olarak gelişti. Gelişen teknikler - bir sonraki yüksek performanslı, soğuk wedge, yüzey etkinleştirilmiş ve karma doğrudan bağ -daha önce 3D entegrasyonun daha düşük seviyelere ulaşmasına olanak sağlar.