混合键合技术在三维堆叠封装中的研究进展_赵心然.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202303002190半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月混合键合技术在三维堆叠封装中的研究进展赵心然，袁渊，王刚，王成迁(中国电子科技集团公司 第五十八研究所，江苏 无锡214035)摘要:随着半导体技术的发展，传统倒装焊(FC)键合已难以满足高密度、高可靠性的三维(3D)互连技术的需求。混合键合(HB)技术是一种先进的 3D 堆叠封装技术，可以实现焊盘直径1 m、无凸点的永久键合。阐述了 HB 技术的发展历史、研究进展并预测了发展前景。目前 HB 技术的焊盘直径/节距已达到 0.75 m/1.5 m，热门研究方向包括铜凹陷、圆片翘曲、键合精度及现有设备兼容等，未来将突破更小的焊盘直径/节距。HB 技术将对后摩尔时代封装技术的发展起到变革性作用，在未来的高密度、高可靠性异质异构集成中发挥重要的作用。关键词:混合键合(HB);先进封装;三维(3D)堆叠;无凸点键合;范德华力中图分类号:TN305.94文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)03019009Research Progress of Hybrid Bonding Technology in 3D-Stacking PackagingZhao Xinran，Yuan Yuan，Wang Gang，Wang Chengqian(The 58thResearch Institute，CETC，Wuxi 214035，China)Abstract:With the development of semiconductor technology，the traditional flip-chip(FC)bonding has become difficult to meet the requirements of three-dimensional(3D)interconnection tech-nology with high density and high reliability Hybrid bonding(HB)technology is an advanced 3D-stacking packaging technology，which can achieve permanent bonding with pad diameter 1 m andwithout bumps The development history，research progress and development prospect of HB technologyare described Currently，HB technology can realize pad diameter/pitch of 0.75 m/1.5 m Popularresearch directions include Cu recess，wafer warpage，bonding accuracy and existing equipment compati-bility，etc In the future，there will be breakthrough in smaller pad diameter/pitch HB technology willplay a revolutionary role in the development of packaging technology in post-Moore law period，and willplay a significant role in high-density and high-reliability heterogeneous integration in the futureKeywords:hybrid bonding(HB);advanced packaging;three-dimensional(3D)stacking;bumpless bonding;van der Waals forceEEACC:0170J0引言随着半导体技术的飞速发展，各类集成电路的功能也日益多样化，居家办公、人工智能(AI)、汽车电子等应用促使集成电路向着高性能、高集成度、高可靠性的方向发展。由于半导体摩尔定律逐渐逼近极限，前道芯片制造已经逐渐达到技术升级的瓶颈，很难在保持成本不变的情况下增加单位面积的晶体管数量，因此，国际上逐渐开始重视先进封装技术，以求通过后道的高密度互连技术突破摩尔定 律 的 极 限，例 如 芯 粒 技 术13、二 维 半(2.5D)转接板技术46、三维(3D)堆叠技术等79。目前的 3D 堆叠技术需要大规模使用硅通孔(TSV)和球栅阵列倒装焊(FC-BGA)技术，过多的通孔与焊球结构影响集成电路的可靠性，例如焊料、底填胶、TSV 中的空洞在复杂的工作环境赵心然等:混合键合技术在三维堆叠封装中的研究进展=March2023Semiconductor Technology Vol48 No3191下都将成为致命的缺陷。此外，3D 堆叠焊球/焊柱的尺寸最小只能达到 2050 m，很大程度地限制了互连密度的提高10。因此，开发高密度、高可靠性的 3D 堆叠技术成为先进封装技术领域内的热门方向。2016 年，混合键合(HB)技术首次应用于图像传感器的大批量加工11。HB 技术是将 Cu/SiO2打磨出极其光滑的表面，当表面足够光滑时，不同界面之间将会产生范德华力，稍微施加压力或高温，就可以实现永久键合，Cu-Cu、SiO2-SiO2、Cu-SiO2界面之间都可以同时键合，故称为混合键合。HB 技术是一种能够实现微米级、无凸点的互连技术，研究焦点集中于低粗糙度的磨平方法、高精度的对准方法、晶圆翘曲的控制方法和铜焊盘凹陷的控制方法等1214，目前，该技术键合精度的极限可以达到 1 m 以下，已经实现量产的 HB 技术将焊盘直径控制在 10 m 左右，因为前道晶圆厂所制备的铜焊盘直径仍然在 10 m 以上，10 m 的HB 技术可以恰好将不同芯片的铜焊盘进行互连，较扇出工艺省去了再布线、植球、倒装、底填等步骤，是目前先进封装的核心键合技术之一1517。对 HB 技术的开发已经受到了半导体厂商的广泛关注，该技术的实现不仅对高密度、高可靠封装生产线建立具有促进作用，而且极大地促进了前后道工艺的融合，HB 技术将成为实现高端封装的重要手段之一。本文将从发展历史、研究进展和前景预测三个方面对 HB 技术进行总结与分析，为封装技术未来向高密度、高可靠性方向的发展提供新的思路。1HB技术的发展HB 技术是在倒装焊(FC)技术的基础上发展起来的新一代 3D 键合技术。目前大多数先进 3D堆叠芯片采用的是 TSV 转接板+倒装微凸点的工艺，例如芯片转接板基板(CoWoS)、有源转接板(Foveros)、嵌入式多芯片互连桥接(EMIB)等工艺，均使用 TSV 作为 3D 互连的手段，一个芯片的电信号经过 TSV 传输后需要经过扇出再布线、倒装微凸点进入到另一个芯片。图 1 为 2.5D/3D封装结构示意图，图中右上方多层堆叠的存储器之间采用的是 3D 堆叠技术，利用 TSV 实现了多个有源芯片在纵向空间上的互连，而多层存储器与处理器之间的互连则是采用 2.5D 堆叠技术，它是将电信号通过 TSV 由存储器转接板印制电路板(PCB)转接板处理器的路径进行传输，相当于纵向跨越了多个平面的 2D 传输路径，并不是真正意义上的 3D 互连，所以称之为 2.5D 堆叠技术。在 3D 堆叠技术中会用到大量的 TSV 路径，它利用多次离子刻蚀技术获得深宽比为 10 1 以上的通孔，然后将铜电镀填充进入通孔中，再减薄硅片获得填满铜的 TSV 通孔，制备 TSV 的过程十分困难，需要不断地重复刻蚀、制备钝化层、溅射种子层、电镀等步骤，目前国内的 TSV 技术很难实现完美的纵向铜柱。此外，TSV 后通常要进行倒装回流焊，将铜柱末端与另一个芯片的铜布线相连，而FC 工艺的植球、底填过程复杂，结合力差，易出现虚焊、空洞等缺陷，如果 3D 结构过于复杂，使用传统的 FC 工艺会事倍功半。处理器芯片2.5 D 硅转接板B G A基板P C BT S V逻辑芯片多层存储器芯片图 12.5D/3D 封装结构示意图Fig.1Structure diagram of 2.5D/3D packaging目前业界广泛使用的 3D 堆叠是晶圆级 TSV 扇出 3D 堆叠1820，图 2 是硅通孔和扇出布线 3D 堆叠工艺流程图，首先在填 Cu 的 TSV 盲孔芯片上表面制备出扇出再布线、凸点下焊盘(UBM)和微凸点，用于与上方芯片的互连;然后减薄芯片将TSV 下端露头;最后在芯片下表面制备出 UBM 用于与下方芯片的互连。由于整个 TSV 打通的过程在前道布线(FEOL)和后道布线(BEOL)的流程之间，所以称为中通孔流程。这种工艺仍然依赖倒装回流焊实现各个芯片之间的互连，微凸点焊球与 TSV 末端需要通过再布线和 UBM 实现互连。这种传统 3D 堆叠的优点是互连均在百微米级别完成，可以使用成熟的 FC 工艺，成本低，但缺点是每一层互连都要经历再布线，工艺复杂，界面数量过多，分层失效发生的可能性较大，失效的概率会随着堆叠层数的增加而成倍增长，在可靠性上限制了 3D 堆叠的层数。赵心然等:混合键合技术在三维堆叠封装中的研究进展=192半导体技术第 48 卷第 3 期2023 年 3 月已有F E O L 的S i 晶圆晶圆临时键合减薄露头堆叠C4F8/S F6刻蚀氧化层沉积电镀+化学机械抛光B E O LU B M+植球背面布线+U B M解键合图 2硅通孔和扇出布线 3D 堆叠工艺流程图Fig.2Process flow chart of 3D stacking with TSV andfanout wiring为了彻底避开 TSV 和 FC 工艺的繁琐，HB 技术应运而生。HB 始于 SiO2-SiO2界面的直接键合，最初将硅晶圆背面 SiO2与有大马士革布线的硅晶圆正面 SiO2磨平后压合到一起，制备了 TSV 后在上方进行大马士革布线，这个过程也被称为 TSV先通孔工艺。如图 3(a)所示，TSV 先通孔工艺可以省略 FC 工艺的植球、回流、底填等步骤，相对更加高效，但依然要让铜穿过硅片，对上下晶圆的大马士革布线进行互连，该工艺同样离不开 TSV技术。分布氧化层对准直接键合T S V刻蚀 钝化+填铜S i O2S i 晶圆S i O2有焊盘的S i 晶圆分布氧化层 磨平+露铜等离子体活化对准氧化物、铜H B(a)先通孔工艺流程图(b)H B 工艺流程图图 3TSV 先通孔工艺与 HB 工艺流程图Fig.3Flow charts of TSV via first process and HB process在直接键合概念提出后不久，便衍生出了 HB技术，该技术在 SiO2界面键合之前进行大马士革布线，将 Cu 焊盘和 SiO2共存的异质界面磨平后面对面键合，彻底省略了 TSV 工艺。HB 是通过分子间作用力(范德华力)实现的，通常使用化学机械抛光(CMP)对大马士革布线层进行表面处理，CMP 过程还可以减少 Cu 线路腐蚀和 Cu 凹陷。当Cu 和 SiO2的光滑界面相互接触时，Cu 和 SiO2的原子/分子会形成牢固的范德华力，这个过程在热力学上是自发的，所以并不需要额外施加能量来驱动键合，此外，由于 Cu 和 SiO2原子/分子键合的机理相同，理论上可以实现 Cu-Cu、SiO2-SiO2、Cu-SiO2三种界面的同步键合。如图 3(b)所示，为了增强表面结合力，通常需要增加等离子体活化工序，然后再通过高精度的倒装热压工序，实现多界面之间的混合键合2122。HB 技术的优点是简化了 3D 堆叠的布线层，与含有 TSV 的 3D 堆叠技术相比，HB 技术可以直接省略再布线，甚至部分 FEOL，使设计难