混合鍵合工藝流程

接下來讓我們更詳細(xì)地了解 D2W 和 W2W 的流程。

正如我們上面提到的，需要 TSV 來向封裝中的所有芯片傳輸電源和信號(hào)。想象一下傳統(tǒng)的倒裝芯片封裝。該芯片僅需要一側(cè)互連即可接收電力并與封裝基板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該互連層具有連接到無源布線層（也稱為“金屬層”或“線路后端”/BEOL）的凸塊，無源布線層為開關(guān)和處理數(shù)據(jù)的晶體管層提供電源和信號(hào)。

對(duì)于 3DIC，底部的芯片需要能夠與其下方的封裝基板以及頂部的芯片進(jìn)行通信，因此芯片的兩側(cè)都需要互連。這就是 TSV 的用武之地。TSV 有多種變體，具體取決于它們?cè)诹鞒讨械闹圃鞎r(shí)間。TSV 可以是“先通孔”（即先在晶體管層之前在硅中制造），也可以是“中間通孔”（即在晶體管層完成之后且在金屬層之前制造），或者是BEOL 之后繁榮“后通孔”（即先在晶體管層之前制造）。

3DIC 最常見的是“中間通孔”方法，因?yàn)?TSV 在金屬層之間運(yùn)行，一直延伸到晶體管層，并在芯片背面顯露出來，因此芯片的兩側(cè)現(xiàn)在都有一層互連我們將對(duì)此進(jìn)行描述。

晶圓上涂有光刻膠，然后使用光刻法進(jìn)行圖案化。然后，使用深反應(yīng)離子蝕刻 (DRIE：Deep Reactive Ion Etch) 將 TSV 蝕刻到硅中，以在晶圓深處形成高深寬比溝槽，但這不會(huì)穿過整個(gè)晶圓。使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 沉積絕緣層（SiOX、SiNx）和阻擋層（Ti 或 Ta）。這些層是為了防止銅擴(kuò)散到硅中。然后，使用物理氣相沉積 (PVD) 沉積銅種子層（copper seed layer）。該種子層沉積在溝槽中，然后使用電化學(xué)沉積 (ECD) 進(jìn)行填充。這形成了 TSV。然而，該過程尚未完成，因?yàn)楸趁嫔形达@露通孔。為了顯露 TSV，需要對(duì) TSV 背面進(jìn)行拋光，并且在某些情況下進(jìn)行蝕刻，以減薄背面并隨后顯露出 TSV。一旦完成，晶圓就可以繼續(xù)形成 BEOL。

TSV 的形成并不簡(jiǎn)單，而且可能非常耗時(shí)，特別是由于需要深蝕刻。我們知道 TSV 形成是 HBM 和 CoWoS 生產(chǎn)的瓶頸。一些客戶從硅中介層轉(zhuǎn)向 CoWoS-R的原因之一是為了避免硅中介層中昂貴的 TSV 工藝。

在晶圓的鍵合界面之后，混合鍵合層被制造在晶圓的 BEOL 頂部。無論W2W還是D2W都是一樣的。這是一層帶有細(xì)間距銅通孔圖案的介電薄膜。電介質(zhì)，通常是碳氮化硅 (SiCN)，是通過 PECVD 沉積的。然后形成焊盤。使用光刻技術(shù)對(duì)銅焊盤的孔進(jìn)行圖案化并蝕刻掉。沉積阻擋層和種子層，然后使用典型的銅鑲嵌工藝鍍銅。

然后，進(jìn)行 CMP 步驟來研磨并平滑電介質(zhì)表面，并獲得正確的銅輪廓。銅焊盤的一個(gè)顯著特征是它們凹入約 1 微米間距。如前所述，光滑的表面對(duì)于形成良好的粘合至關(guān)重要。電介質(zhì)的粗糙度必須控制在 0.5nm 以內(nèi)，銅焊盤的粗糙度必須控制在 1nm 以內(nèi)。

HB 接口的一個(gè)特征是銅焊盤最初凹入介電層下方約 5 納米。這是為了確保銅在退火過程中不會(huì)妨礙初始電介質(zhì)-電介質(zhì)鍵合。如果銅凹陷得太深，則可能無法正確形成銅-銅鍵合。

在對(duì)銅和其他金屬進(jìn)行 CMP 時(shí)，由于過度拋光以及金屬和電介質(zhì)的柔軟度不同，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。雖然并不理想，但這種現(xiàn)象并不嚴(yán)重，并且可以解決。需要控制凹陷的精確輪廓，以防止鍵合過程中銅過度/生長(zhǎng)不足。

為了獲得正確的凹陷輪廓，需要結(jié)合低和高銅去除漿料的多個(gè) CMP 步驟。CMP 是混合鍵合的關(guān)鍵工藝，可實(shí)現(xiàn)非常光滑的表面和最佳輪廓。

在 ECTC 上，索尼展示了當(dāng)間距降至 1 微米時(shí)，最好讓銅突出而不是凹陷。

僅對(duì)于 D2W，執(zhí)行晶圓分類，并對(duì) KGD 進(jìn)行分割并在載體晶圓或帶框架上重組，以便可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理。如上所述，HB 給傳統(tǒng)晶圓分類工藝帶來了新的復(fù)雜性。晶圓分類涉及用探針探測(cè)晶圓凸塊或焊盤以執(zhí)行電氣測(cè)試。

探測(cè)可能會(huì)對(duì)銅焊盤表面造成少量損壞，從而破壞 CMP 過程中表面的光滑度。雖然對(duì)焊盤的損壞很小并且在大多數(shù)情況下通?？梢越邮?，但 HB 對(duì)少量的形貌變化更加敏感，因?yàn)檫@些變化會(huì)影響粘合質(zhì)量。解決此問題的一種方法是在初始 CMP 中對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，然后執(zhí)行另一輪 CMP 后探測(cè)，以消除探測(cè)造成的任何損壞。

對(duì)于分割/切割，一個(gè)問題是過程中產(chǎn)生的顆粒。一般不使用刀片劃片，因?yàn)樗钆K：導(dǎo)致大量顆粒和大量良率損失。激光切割和等離子切割優(yōu)于刀片切割，因?yàn)樗鼈兪歉鍧嵉墓に嚕匀粫?huì)產(chǎn)生顆粒物質(zhì)。等離子切割是最極端的方法，其機(jī)制與蝕刻掉分隔芯片的劃線類似。然而，考慮到蝕刻整個(gè)晶圓所需的時(shí)間，這個(gè)吞吐量要低得多。迪斯科是這方面的領(lǐng)導(dǎo)者。

一種緩解技術(shù)是首先在晶圓上涂上一層保護(hù)層。顆粒落在保護(hù)層上，當(dāng)保護(hù)層被剝離時(shí)，顆?？梢耘c保護(hù)層一起被去除。雖然這有助于解決分割過程中的顆粒問題，但可能會(huì)留下保護(hù)層的殘留物，并且剝離過程也可能對(duì) HB 層造成一些表面損壞，從而增加表面粗糙度。

現(xiàn)在對(duì) 2 個(gè)晶圓進(jìn)行處理，為粘合做好準(zhǔn)備。它們經(jīng)過 N2 等離子體處理以激活表面。等離子處理改變了表面的特性，以增加表面能并使其更加親水。使兩個(gè)表面更加親水可以使表面促進(jìn)氫鍵結(jié)合。這有助于在室溫下實(shí)現(xiàn)下一步中發(fā)生的初始弱電介質(zhì)-電介質(zhì)預(yù)鍵合。

處理后，進(jìn)行最終清潔以清除任何積累的顆粒。重要的是，在鍵合之前，傳入的晶圓盡可能干凈。清潔需要徹底但又不能造成損壞，以保持 HB 接口的完整性。

最好的方法似乎是在兆聲波輔助下進(jìn)行去離子水清潔。使用洗滌器或基于等離子的清潔可能會(huì)造成太大的破壞和/或引入污染物。

現(xiàn)在是鍵合步驟。更準(zhǔn)確地說，它更像是“預(yù)鍵合”，因?yàn)榇瞬襟E僅形成初始電介質(zhì)-電介質(zhì)鍵合，只是弱范德華鍵。我們將分別介紹 W2W 和 D2W 方法的流程。

（1）W2W鍵合W2W bonding

W2W鍵合良率更高的原因在于對(duì)準(zhǔn)和鍵合步驟是分開的。首先是對(duì)齊步驟。W2W 對(duì)齊有多種技術(shù)。過去，紅外掃描儀用于檢查兩塊晶圓之間的對(duì)準(zhǔn)情況。一個(gè)限制是一個(gè)晶圓必須對(duì)紅外線透明。這不適用于 CMOS 晶圓，因?yàn)榧t外線無法透過金屬層。

EVG 在 W2W 接合領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，擁有獲得專利的 SmartView 對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。有 2 個(gè)相互校準(zhǔn)的相機(jī)，一臺(tái)放置在目標(biāo)晶圓上方，一臺(tái)放置在下方。移動(dòng)固定頂部晶圓的卡盤，以便底部攝像頭可以識(shí)別對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，并且系統(tǒng)記錄對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的位置。頂部晶圓被縮回，然后底部晶圓在相機(jī)之間移動(dòng)，直到頂部相機(jī)能夠識(shí)別對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。對(duì)準(zhǔn)器現(xiàn)在可以通過計(jì)算 2 個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的相對(duì)位置來對(duì)準(zhǔn) 2 個(gè)晶圓。為了幫助保持精度和控制，晶圓彼此非常接近（50 微米以內(nèi)），并且卡盤僅在 X 和 Y 平面上移動(dòng)，在預(yù)鍵合之前沒有 Z 軸（垂直）移動(dòng)。

對(duì)準(zhǔn)后，晶圓被移入鍵合室，在其中施加小壓力約 20 分鐘將它們壓在一起，形成初始鍵合。

鍵合后檢查可以通過聲學(xué)在原位完成，如果對(duì)準(zhǔn)不充分，則也可以重新加工鍵合。

在 W2W 工具中，有一個(gè)單獨(dú)的室來執(zhí)行對(duì)齊。一旦頂部和底部晶圓對(duì)齊，它們就會(huì)被移入鍵合室（處于真空中），在那里用一點(diǎn)力將它們壓在一起，大約 20 分鐘后形成初始預(yù)鍵合。W2W 的關(guān)鍵在于它是一個(gè)更加干凈的過程，步驟更少。在對(duì)準(zhǔn)和鍵合之前，可以清潔晶圓以去除大部分顆粒。芯片分割是顆粒污染的一個(gè)來源，僅發(fā)生在鍵合之后。

由于它是晶圓級(jí)工藝，因此還可以為對(duì)準(zhǔn)步驟提供更多的時(shí)間，因此較長(zhǎng)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間不會(huì)像芯片級(jí)工藝那樣損害產(chǎn)量。腔室中也沒有發(fā)生太多運(yùn)動(dòng)，因此腔室本身產(chǎn)生的污染物較少。目前，W2W鍵合機(jī)可以實(shí)現(xiàn)50nm以下的對(duì)準(zhǔn)精度。W2W鍵合已經(jīng)是一個(gè)成熟的工藝并且不是特別昂貴。證據(jù)是我們看到它廣泛應(yīng)用于大眾市場(chǎng)產(chǎn)品，如索尼、Omnivison 和三星的圖像傳感器，以及長(zhǎng)江存儲(chǔ)、西部數(shù)據(jù)和 Kioxia 的 NAND。

（2）D2W鍵合D2W bonding

D2W 接合是通過拾放工具完成的。

底部目標(biāo)晶圓位于晶圓卡盤上。將待粘合的芯片面朝上放置在膠帶框架上。翻轉(zhuǎn)臂收集單個(gè)芯片并將其翻轉(zhuǎn)，使芯片的背面朝上位于翻轉(zhuǎn)器上。有一個(gè)高架鍵合臂，可利用鍵合頭上的真空吸力拾取翻轉(zhuǎn)的芯片。