为延续以摩尔定律为代表的半导体集成度提升趋势，业界正致力于将晶体管三维化集成的尝试备受瞩目。相较于传统的二维结构，采用三维堆叠设计能带来更小的外形尺寸、更优的性能表现以及更低的功耗等多重优势，因此在半导体领域引发广泛关注。

晶圆级键合技术3D堆叠对于半导体封装的进步以实现更高的性能和集成度至关重要。该过程涉及在晶圆级别粘合多个晶圆以创建堆叠结构，这可以提高性能、降低功耗并减少集成电路的占地面积。

半导体三维堆叠技术主要分为三种方案：芯片对芯片（C2C）、芯片对晶圆（C2W）和晶圆对晶圆（W2W）。

这里主要介绍W2W堆叠工艺。为实现晶圆级堆叠，采用在配备铜制TSV的晶圆上形成铜凸块，再通过热压键合工艺进行组装的创新方法。经分析，对整体工序良率影响大的关键环节是键合过程中的错位问题和化学机械抛光（CMP）工序。研究发现，CMP工序对铜凸块表面平整度和高度均匀性具有重要影响，为此我们提出采用两步法CMP方案，通过分阶段实施CMP工艺来大限度降低其对工序的影响。而其中对焊接工艺中导致焊缝错位的三大影响因素——铜凸块高度不均匀性、焊接夹具定位垫片作用及晶圆翘曲，通过实验验证了各因素对实际焊缝错位的影响。实验结果表明：在焊接夹具定位垫片缺失过程中，晶圆滑动与旋转是造成焊缝错位的主要原因，而铜凸块高度不均匀性的影响则被证实微乎其微。晶圆翘曲（warpage）已被证实会导致旋转和扩展时的对准偏差，但新研究发现热膨胀引发的扩展性对准偏差同样需要纳入考量。为实现成功的晶圆级键合工艺，关键在于优化化学机械抛光（CMP）工艺参数，并大限度减少键合过程中产生的对准偏差。

以下是 3D 堆叠 IC 晶圆级键合技术主要方面的详细分类：

1. 晶圆级键合的类型

热粘合 ：涉及施加热量将晶圆粘合在一起。它通常用于粘合具有高热膨胀匹配的材料，例如硅。

阳键合 ：这是一种静电过程，涉及在两个晶圆之间施加电压，通常使用玻璃和硅等材料。该工艺通常用于创建热预算低的晶圆键合。

直接粘合 ：仅使用表面相互作用，没有任何粘合剂或中间层。它通常用于创建高密度 3D 堆叠 IC。

粘合剂粘合 ：粘合层（例如环氧树脂或聚合物）用于粘合晶圆。这种方法也可用于晶圆级封装或 MEMS 器件的粘合。

金属与金属键合 ：涉及使用金属层来键合晶圆，通常使用共晶键合或焊料键合等工艺。

2. 3D 堆叠的关键键合技术

混合键合 ：这涉及在原子尺度上直接键合晶圆上的金属层，在晶圆级上提供高的互连密度和牢固的键合。它对于高带宽应用特别有用。

硅通孔 （TSV） 键合 ：TSV 是通过硅晶圆的垂直电气连接，允许堆叠多个芯片。晶圆之间 TSV 的键合通过提供导电性和导热性在 3D IC 中起着至关重要的作用。

微凸块键合 ：微凸块涉及在晶圆表面形成小凸块（通常是焊料或铜），然后将其对齐并键合到另一个晶圆或芯片上，从而允许堆叠 IC 之间实现细间距连接。

3. 3D 堆叠 IC 晶圆级键合的挑战

热管理 ：3D 堆叠增加了散热的复杂性。晶圆级键合技术考虑到从堆叠层中去除热量，这随着器件密度的增加可能具有挑战性。

对准精度 ：在堆叠晶圆之间实现高精度对准至关重要。任何未对准都可能导致电气缺陷、信号衰减或机械故障。

键合接口 ：键合接口保持低电阻、高可靠性，并能抵抗热应力和机械应力。

材料兼容性 ：确保粘合中使用的材料（例如不同的半导体材料、金属或粘合剂）具有兼容的热膨胀系数对于避免热循环过程中粘合失败至关重要。

4. 晶圆级键合涉及的工艺

表面处理 ：晶圆表面清洁和抛光，以确保高粘结强度。这通常涉及化学清洁、等离子体处理和表面活化等技术。

对准和粘合 ：对准设备对于粘合是必要的。对齐后，晶圆将受到键合条件（例如温度、压力和时间）的处理以形成键合。

后键合处理 ：键合后，堆叠的晶圆经过蚀刻、减薄、金属化等一系列工艺，形成的 3D 堆叠 IC。

5. 晶圆级键合在 3D 堆叠 IC 中的应用

内存堆叠 ：3D 堆叠 IC 常见的应用之一是存储设备，例如用于高性能计算、图形和 AI 应用的高带宽内存 （HBM）。

处理器集成 ：3D 堆叠允许集成逻辑和存储芯片，通过减少通信瓶颈和功耗来增强整体性能。

高性能计算 （HPC）：3D 堆叠 IC 用于集成多个处理器内核和高速互连，为 HPC 应用提供性能改进。

移动和消费电子产品 ：3D 堆叠还应用于移动设备，可实现更紧凑的设计，并提高性能和电池寿命。

6. 新趋势

键合技术 ：激光辅助键合或混合键合等键合方法的新发展正在兴起，以实现更紧凑、更高性能的 3D 堆叠 IC。

硅通孔 （TSV） 及其他技术 ：TSV 技术不断发展，不断改进以降低通孔电阻、增强热管理和优化工艺流程。

晶圆级封装 ：将晶圆级封装集成到 3D IC 键合中使得生产具有更好性能和更低成本的高度集成系统成为可能。

文章转载自今日头条：半导体封装工程师之家