3D集成电路将如何同时实现？

作者：时间：2009-03-18来源：半导体国际收藏

　　阻挡层、种子层和填镀

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/92517.htm

　　阻挡层、种子层和电镀技术的性能取决于通孔的尺寸和深宽比(AR)。不管是从制作盲孔方面考虑，还是从填孔方面考虑，清楚不同通孔尺寸下所需的深宽比要求非常重要。大多拥有成本(CoO)模型显示，通孔制作和通孔填充是3D集成的主要成本障碍，但这明显取决于通孔尺寸、节距和深宽比。尽管设备供应商和材料供应商正在努力研究10:1到20:1的深宽比，但在短期内，这样的深宽比将在何种应用中使用尚不明确。

　　Amkor(亚利桑那州Chandler)的研究显示，使用较薄的电路层，结合较小尺寸的通孔，可以实现较低的CoO，因为这些深宽比较低的通孔对应制造成本较低(图5)。

　　随着3D技术的演化以及应用中通孔尺寸和节距的缩小，叠层中每层的厚度也很有可能会减小。截至目前的测试表明，即使将硅片厚度减到5μm以下，电路性能也不会恶化。因此，很有可能的是，可制造性而非电学性能将成为未来的限制因素。此外，当考虑先通孔或后通孔方案时，厚度变得很重要。后者在硅刻蚀开始之前，需要先额外刻蚀厚度超过6μm的后道介质层。对于薄硅层来说，这将对刻蚀的深宽比造成很大影响。

　　诸如CMOS图像传感器、存储器、逻辑电路上存储器之类3D应用，在未来2-3代内都不会需要使用大于5的深宽比。在TSV尺寸降到约1μm甚至更小之前，我们将不会看到深宽比达到10-20范围。

　　铜通孔中，TiN粘附/阻挡层和铜种子层都通过溅射来沉积。然而，要实现高深宽比(AR>4:1)的台阶覆盖，传统的PVD直流磁控技术效果并不令人满意。基于离子化金属等离子体(IMP)的PVD技术可实现侧壁和通孔底部铜种子层的均匀沉积。由于沉积原子的方向性以及从通孔底部到侧壁溅射材料过程中离子轰击的使用，IMP提供更好的台阶覆盖性和阻挡层/种子层均匀性。

　　晶圆键合技术选择

　　针对3D集成而考察的晶圆键合技术包括：

　　■氧化物(SiO2)共熔键合

　　■金属-金属键合

　　■铜-铜共熔键合

　　■共晶键合(Cu/Sn)

　　■凸点技术(Pb/Sn、Au、In)

　　■高分子粘结键合

　　由于特征尺寸的限制，图6所示全部键合技术都需要特别光滑、平整和洁净的表面。尽管所有这些技术看起来都可行，但有一种趋势是转向使用金属-金属键合技术，因为这种技术可以同时实现机械和电学的接触界面。铜-铜键合

　　直接铜键合工艺需要到在350-400℃温度下施加压力超过30分钟，接着在350-400℃下的氮气气氛退火30-60分钟。这一工艺需要高度抛光的铜表面并保持很高的洁净度。像EVGroup(奥地利St.Florian/Inn)和SUSSMicroTec(佛蒙特州，Waterbury)等厂商提供的商业化工具，需要在单个对准工具上装有多个键合头，才能得到可接受的产能。一种像Ziptronix(北卡罗来纳州，Morrisville)报道的称作直接键合互连(DBI)的工艺，据说可以大大提高这一产能。这种技术使用金属对TSV进行封帽，之后采用氧化物、金属同步CMP进行平坦化，经过专利保护的表面处理技术，可使用标准的键合/对准机在大气环境下1-2分钟内实现芯片或者晶圆的键合。在350℃温度下施加压力，在低CoO键合操作下可以获得了单一的金属界面。

　　3D应用

　　表2总结了九种不同的3D集成工艺流程，都对应从晶圆工艺一直到键合。