本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自3dincites

在本文中，我們將討論混合鍵合的趨勢、混合鍵合面臨的挑戰以及提供最佳解決方案的工具。

幾十年來，摩爾定律一直是衡量半導體行業性能提升的一種方法，但每兩年將芯片上晶體管的密度增加一倍的能力變得越來越具有挑戰性。隨著規模擴大達到極限，制造商正在尋求先進的封裝創新。銅對銅混合鍵合是業界尋求擴展不斷增加的 I/O 密度和更快連接的一種方式，同時使用更少的能源。

目前，混合鍵合主要用于CMOS 圖像傳感器 (CIS) 設備，有望成為需要高帶寬數據傳輸的設備中微凸塊的繼任者，特別是那些專為人工智能 (AI)、高性能計算 (HPC) 和圖形設計的設備處理器單元 (GPU)。然而，在 10μm 以下的間距下，微凸塊的問題日益嚴重。當凸塊結構較大時，電鍍微凸塊高度的非常小的不均勻性或焊料回流工藝的變化可以忽略不計，但對于細間距微凸塊，這些小的變化可能導致不良的接頭形成并產生影響。

縮放微凸塊的另一個挑戰是，在如此精細的間距下，凸塊的焊料可能會橋接，導致短路。此外，控制這些小結構的電鍍均勻性具有挑戰性，同時還需要能夠找到新的、更合適的底部填充材料來填充微凸塊之間不斷縮小的空間。

通過混合鍵合實現的直接細間距銅對銅互連將允許連接數量是微凸塊的 1,000 倍。但混合鍵合雖然能夠帶來更高性能的人工智能、HPC、GPU 和圖像傳感器，但也帶來了挑戰。比如說，表面清潔度至關重要。

先進的封裝設施必須使用接近前端晶圓廠水平的潔凈室標準，以及檢測工具來發現亞微米顆粒和缺陷。其他值得關注的領域包括減薄晶圓的翹曲、鍵合表面的對準誤差、銅焊盤高度的精確控制。因此，還必須使用高性能計量工具。

在本文中，我們將討論混合鍵合的趨勢、混合鍵合面臨的挑戰以及提供最佳解決方案的工具。

為什么采用混合鍵合？

與微凸塊相比，過渡到混合鍵合的原因相當簡單。3D 內存堆棧和異構集成（超越摩爾時代的兩個參與者）需要極高的互連密度。混合粘合可以滿足這一需求。與本身支持高密度互連方案的微凸塊相比，混合鍵合可提供更小尺寸的 I/O 端子和減小間距的互連。每個芯片之間的間隔距離取決于微凸塊的高度，但在混合鍵合中該距離幾乎為零。因此，混合鍵合互連方案可以顯著降低整體封裝厚度，在多芯片堆疊封裝中甚至可能高達數百微米。

目前存在三種混合鍵合方法：晶圓到晶圓 (W2W)、一對一芯片到晶圓 (D2W) 和集體 D2W。通過W2W 鍵合，兩個晶圓直接彼此鍵合。這是 CIS 背面照明技術(BSI) 架構的常用方法。通過一對一的 D2W 鍵合，使用拾放式倒裝晶圓鍵合機將單個芯片逐一鍵合至目標晶圓上，從而實現重建晶圓和目標晶圓的 W2W 接合。

如今，混合鍵合已被證明在 3D NAND 堆棧和 3D 片上系統 (SoC) 的大批量制造中是可行的。關于混合鍵合在高帶寬存儲器 (HBM) 中的應用以及微凸塊間距小于 10μm 時的其他 3D 集成應用的研究和開發正在進行中。

混合鍵合市場

根據Yole Group的晶圓產量預測，從2021年到2027年，高端封裝市場預計將以22%的復合年增長率增長。這些高端應用包括 3D NAND、3D SoC、HBM 和 3DS、Si 中介層/橋集成以及超高密度扇出封裝。

對于這些高端應用，混合鍵合的采用處于不同的階段。目前，3D 內存堆棧是混合鍵合的容量驅動因素，并且應該保持這種狀態，而 3D NAND 最初正在被采用，HBM 應該效仿這一舉措。此外，最初將使用的3D SoC產品尚不清楚。我們預計在未來兩到三年內將推出更多采用混合鍵合的設備。

挑戰和過程控制需求

混合鍵合的性能提升肯定會導致鍵合技術在市場上的使用增加，特別是在高性能計算、數據中心網絡和自動駕駛汽車中，但這種新興技術帶來的挑戰是對于組裝和測試都很重要。重疊錯誤和影響良率的空洞缺陷是嚴重的問題，而電遷移、分層和銅擴散則極大地影響可靠性。

混合鍵合的突出問題

混合鍵合預鍵合步驟中更重大的挑戰之一涉及要連接的兩個銅焊盤的互連。為了使工藝發揮作用并成功粘合兩個焊盤，必須使用化學機械平坦化 (CMP) 以確保銅焊盤在氧化物中具有適當小的表面凹進。這使得兩個銅焊盤能夠膨脹并接觸，并最終通過退火工藝進行鍵合，同時不會解開先前在銅焊盤周圍形成的電介質-電介質鍵合。

混合鍵合工藝

考慮到所有這些，建立和維護嚴格控制的電鍍和 CMP 工藝是必要的。如果沒有如此嚴格的控制，綁定就不會成功，HVM 也不可行。為了實現這一目標，需要高精度、高通量計量測量和控制技術來監測介電膜和銅厚度以及表面形貌。

顆粒控制是混合鍵合工藝中強制性但困難的部分，因為許多后端工藝容易產生碎片。這些后端工藝包括晶圓研磨、晶圓邊緣修整、晶圓鋸切和貼帶/去貼帶。傳統后端檢測要求缺陷靈敏度大于 5μm，而混合鍵合所需的表面缺陷檢測要低得多。為滿足混合鍵合缺陷檢測標準而設計的工具必須具有更高的分辨率和速度來檢測這些納米級缺陷。一旦兩個銅焊盤粘合在一起，如果無法識別關鍵尺寸的顆粒，就會顯著增加產生比初始亞微米顆粒大 10 倍或更大的空隙的可能性。

在混合鍵合過程中，幾個關鍵工藝步驟帶來了不同的挑戰和障礙。除了 CMP 后的顆粒和表面形貌問題外，其他挑戰還包括芯片裂紋和晶圓翹曲。CMP 后晶圓上介電膜的總厚度變化也會影響鍵合工藝。因此，除了用于芯片級裂紋/顆粒檢測的高通量檢測工具之外，后端晶圓廠還需要用于薄膜厚度測量的計量工具。

最后，在后鍵合階段，檢查和計量工具繼續在過程控制中發揮著至關重要的作用。這些工具需要測量粘合層厚度和焊盤對齊情況，并能夠識別空隙。高速紅外檢測系統可用于識別空隙和其他缺陷，但應用于識別金屬下的空隙時存在局限性。

只有已知良好的芯片才會進行混合鍵合，對于多芯片堆疊 3D 封裝（例如 HBM），必須重復多次此過程。鑒于其復雜性和嚴格的要求，嚴格的過程控制對于堆疊過程的每個步驟都至關重要。能夠追蹤每個芯片和每個工藝步驟的譜系的分析軟件可以為提高產量帶來寶貴的信息。

結論

Cu-to-Cu 混合鍵合的使用正在超越CIS 器件，因為它被用于 3D NAND 和 3D SoC。更多的應用即將出現。但這個超越摩爾時代的潛在組成部分面臨著巨大的挑戰。為了成功實施混合鍵合，需要多種工具。計量工具可用于測量 CMP 前后的電介質、銅膜厚度和形貌，以及識別金屬膜堆疊空隙。檢查工具可用于檢測顆粒、裂紋和空隙，而具有紅外功能的工具可能具有優勢。檢查工具還可用于測量殘留硅厚度并檢查減薄后的背面。最后，分析軟件也可用于實現小芯片和流程的追溯。

有了這些解決方案和流程，混合鍵合應該會得到進一步、可能的快速落地，從而為服務器和網絡交換機、AI/ML 和 AR/VR 以及自動駕駛汽車帶來性能提升。