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如何看待混合鍵合的技術(shù)難題？

發(fā)布時間：2021-03-05

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1. 引言
       對于半導體，通常每個人都認為這是造成醉大ma煩的事情，是當一些根本性的變化（例如，使用旨在醉大化性能的工藝將兩個芯片鍵合在一起）時，這個問題就變得更加復雜。
2. 鍵合實例
       舉個恰當?shù)睦樱篊MP用于混合鍵合中線金屬化的后端。盡管這是一個成熟的過程，但對于焊盤更大且銅凹槽要求更嚴格的混合鍵合，它并不容易實現(xiàn)?，F(xiàn)有的用于倒裝芯片組裝的鍵合機具有3微米或更高的對準精度。一個拇指的行業(yè)潛規(guī)則估計，焊盤需要比接合器的準確度大五倍得到充足的產(chǎn)量。淺且均勻的銅凹槽對于無空隙鍵合是必需的，但是CMP凹槽深度往往會隨著焊盤尺寸的增加而增加。將混合鍵合縮放到3微米以下將需要改進CMP工藝。
3. 技術(shù)討論
       除其他事項外，在結(jié)合層和下面的金屬層中，都需要針對圖案密度效應優(yōu)化CMP工藝。EV Group業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Thomas Uhrmann指出，接觸焊盤通常集中在芯片的邊緣，而其余的芯片區(qū)域則是空白的。因此，為了實現(xiàn)均勻的CMP性能，可能需要虛擬焊盤。下方的互連結(jié)構(gòu)也可能影響晶圓形狀和晶圓應力。
       無論焊盤大小如何，較高的焊盤密度都更容易導致鍵合空隙。不久旭Kim和他的同事在IMEC，在工作提出在2020年IEEE電子元器件和技術(shù)會議，解釋說，如果一個孤立的墊突出，它可以容納附近的電介質(zhì)表面遠離彼此，從而產(chǎn)生空隙。但是，如果密集陣列中的焊盤突出，則相鄰的空隙會聚結(jié)以形成較大的間隙。
       焊盤設計可以幫助補償對齊限制。Imec 3D系統(tǒng)集成計劃的主管Eric Beyne解釋說，一種方法是將一個晶片上的一個小的，略微突出的銅墊與另一個晶片上一個更寬的，稍微凹入的銅墊相匹配。大小差異取決于鍵合系統(tǒng)的覆蓋公差。這種設計可確保即使較小的焊盤沒有精確地對準目標晶圓，也可以仍然發(fā)生不與電介質(zhì)重疊的牢固結(jié)合。另一種解決方案，也證明了Imec的產(chǎn)品使用短銅線而不是方形焊盤，一層上的水平線與下一層的垂直線匹配。不僅線條不太容易凹陷，而且即使重疊失配會相當大地偏移線條的“中心”，也會成功鍵合。

圖1：TEM混合Cu / SiCN與Cu / SiCN的鍵合。頂部銅焊盤為270nm，底部銅焊盤為400nm，間距為700nm

       為了防止出現(xiàn)空隙和其他缺陷，混合鍵合需要平坦，干凈的接觸表面。在晶圓對晶圓的鍵合中，可以依靠控制良好的CMP工藝來提供這樣的表面。之后，Xperi小組使用去離子水沖洗和等離子處理完成了目標晶片的制備。該公司認為，室溫銅氧化的風險被夸大了，因此不需要采取積極的清潔步驟以去除任何氧化物。
       Xperi認為高溫下的氧化是一個更嚴重的問題。因此，它一直致力于降低其工藝的溫度要求，醉近報告稱對其進行200°C退火1小時。烏爾曼說，EV Group的鍵合處理室不是為沉積或蝕刻而設計的，而是使用相對溫和的等離子體來改變表面反應性。例如，當初始介電粘附步驟使用水將表面拉在一起并促進鍵合時，表面處理會試圖產(chǎn)生OH基團，改變表面鍵合等。
4. 單片管芯潔凈度問題
       盡管晶圓間鍵合通?？梢栽诟蓛舻钠鹗急砻嫔线M行，但作為異質(zhì)集成方案一部分的混合鍵合卻是另一種動物。無論工藝是將切單的芯片直接放在目標晶圓上，還是放在中介層或臨時基板上，挑戰(zhàn)都是相似的。
       在管芯到晶片（或中介層）的鍵合中，管芯的切單是潛在的巨大顆粒和其他污染物源，導致鍵合界面處出現(xiàn)空隙和其他缺陷。Xperi組發(fā)現(xiàn)的所有故障均歸因于顆粒引起的空隙，而不是與CMP相關(guān)的缺陷，例如形貌變化。Imec的研究人員正在研究等離子切割，玻璃載體和其他保護層，以改善缺陷率。
5. 技術(shù)難點
       混合鍵合醉具挑戰(zhàn)性的問題之一是成本。這就提出了關(guān)于它在供應鏈中實際適合的位置的疑問。代工廠和IDM的芯片制造商都將這種處理視為晶圓廠后端生產(chǎn)線的延伸。相對于其他類型的包裝，Beyne表示所涉及的設備更昂貴，更自動化，并且對過程清潔度的要求也更加嚴格。
       另一方面，異構(gòu)集成的關(guān)鍵論點之一是集成包可能包含來自多個不同公司的組件。系統(tǒng)集成商寧可不要過分依賴特定的晶圓廠。同時，代工廠希望同時制造集成封裝和所有組件芯片。

兩種觀點之間的緊張關(guān)系為OSAT開辟了市場機會。但是，實際上利用機會并不是那么容易。包裝歷來是低利潤，低附加值的業(yè)務。異構(gòu)包裝要求更昂貴的處理，但也增加了價值。為了在財務上可行，使自己成為一家商店的商店需要自己獲取一些價值。沒有它，混合鍵合可能仍然是大批量單制造商組件的專有領域。

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