硅3D集成技術(shù)的新挑戰與新機遇

摘要

從低密度的后通孔TSV 硅3D集成技術(shù)，到高密度的引線(xiàn)混合鍵合或3D VSLI CoolCube^TM解決方案，研究人員發(fā)現許多開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的機會(huì )。本文概述了當前新興的硅3D集成技術(shù)，討論了圖像傳感器、光子器件、MEMS、Wide I/O存儲器和布局先進(jìn)邏輯電路的硅中介層，圍繞3D平臺性能評估，重點(diǎn)介紹硅3D封裝的主要挑戰和技術(shù)發(fā)展。

硅的 3D應用機會(huì )

從最初為圖像傳感器設計的硅2.5D集成技術(shù)[1]，到復雜的高密度的高性能3D系統，硅3D集成是在同一芯片上集成所有功能的系統芯片(SoC)之外的另一種支持各種類(lèi)型的應用的解決方案，可用于創(chuàng )建性?xún)r(jià)比更高的系統。硅3D集成技術(shù)的主要優(yōu)勢：縮短互連線(xiàn)長(cháng)度，降低R.C積，讓先進(jìn)系統芯片（SoC）能夠垂直劃分功能，進(jìn)一步降低系統尺寸和外形因數[2]。

在首批出現的3D產(chǎn)品中，業(yè)界認為存儲器層疊方案可以提高DRAM/邏輯控制器的容量/帶寬，適用于高性能計算系統、圖形處理器、服務(wù)器和微型服務(wù)器（圖1）。

圖1：與邏輯控制器相連的DRAM混合存儲器層疊模塊（HMC）

（來(lái)源：美光）。

美光的混合存儲器模塊（HMC）[3]和海力士的寬帶存儲器（HBM）[4]開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)階段，這兩個(gè)解決方案都連接硅中介層，面向高性能計算（HPC）應用。

Xilinx于2012年提出在硅中介層制造現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的概念[5]，該技術(shù)最初采用CoWoS集成工藝[6]，引起供應鏈巨變，后來(lái)改用兩個(gè)28nm FPGA和兩個(gè)65nm混合信號芯片堆疊在65nm中介層上[7]。

服務(wù)器對高帶寬和低功耗的進(jìn)一步需求催生了將CMOS/BiCMOS和光子功能分開(kāi)[8]的每個(gè)通道傳輸速率高達25 Gb/s的硅光子器件平臺（圖2），以及產(chǎn)生了硅光中介層集成技術(shù)[9]。

圖2左圖：一個(gè)采用3D層疊技術(shù)在光子器件上安裝BiCMOS器件的光學(xué)封裝測試芯片；右圖：該芯片在RX 25/28Gbps時(shí)的電眼測量圖

研究人員認為在邏輯層上堆疊存儲層可以大幅降低存儲器與處理器之間的接口功耗。堆疊在邏輯層上的Wide I/O DRAM（圖3）的能效是LPDDR解決方案的四倍，并且在未來(lái)幾年內傳輸速率將達到50 GB/s [10]。

圖3：置于65nm邏輯層上的Wide IO存儲器，頂層/底層具有1250個(gè)TSV互連線(xiàn)，1000個(gè)倒裝片銅柱（底部/ BGA）。

為了給高性能計算或電信應用提供高帶寬性能，研究人員設計了一個(gè)基于異步3D Network-On-Chip架構的先進(jìn)邏輯層疊方案，采用3D封裝方法將兩顆相同的邏輯裸片正反面層疊，證明了可擴展的同構3D層疊方法的技術(shù)優(yōu)勢。該3D集成方案的邏輯芯片采用CMOS 65nm制造工藝，使用寬高比為1:8 的TSV Middle通孔和40μm節距的銅柱連接芯片（圖4）。

圖4 ：采用邏輯芯片層疊方法的異步Network-on-Chip 3D架構

在2.5D TSV被引入CMOS圖像傳感器（圖5）后，3D集成技術(shù)從2013年開(kāi)始進(jìn)入智能手機和平板電腦中[11-12]，目前市場(chǎng)上存在多個(gè)不同的相互競爭的層疊技術(shù)，數字處理層可以布局在硅襯底上，而不是像素陣列電路上，通過(guò)功能劃分和工序優(yōu)化，圖像傳感器尺寸變得更加緊湊（圖6）。

圖5：晶圓級攝像頭2.5D后通孔方法。

圖6：索尼圖像傳感器[11]采用直接鍵合+ TSV的晶圓級層疊解決方案

（來(lái)源：System Plus Consulting）。

圖7：博世采用TSV 3D技術(shù)在A(yíng)SIC中集成3軸加速度計

（來(lái)源：Yole Developpement）。

3D技術(shù)挑戰

3D集成被廣泛應用證明，TSV等先進(jìn)技術(shù)節點(diǎn)的基本模塊技術(shù)已經(jīng)成熟（圖8）?，F在，研發(fā)重點(diǎn)轉移到由市場(chǎng)需求驅動(dòng)的新挑戰上：封裝應變管理；通過(guò)改進(jìn)散熱效率提高系統性能；提高芯片間的互連密度。

圖8：6x55μm 28FDSOI Via Middle 集成TEM視圖，對測試載具良率沒(méi)有影響，通過(guò)了TDDB、EMG和TC測試

對于較大的硅中介層來(lái)說(shuō)，熱機械應變是一個(gè)需要考慮的難題，需要解決硅光子變化以及HBM/CPU集成封裝問(wèn)題，疊層之間的熱膨脹系數（CTE）不匹配將會(huì )致使裸片翹曲[13]。根據裸片級曲率對溫度的敏感性，研究人員開(kāi)發(fā)出一種應變監測和翹曲補償策略，通過(guò)綜合使用陰影莫爾干涉儀（圖9）、現場(chǎng)應力傳感器和有限元建模（FEM）方法，創(chuàng )建了介電層特性模型。(圖10) [14]

對于MEMS，微縮化是除成本和性能之外的另一個(gè)差異化要素。2007年以來(lái)，技術(shù)發(fā)展趨勢是開(kāi)發(fā)3D異構MEMS功能，包括通過(guò)TSV連接IC（圖7）。

圖9:使用ShadowMoiré干涉儀在室溫下測量80 μm硅中介層的裸片級翹曲，測量結果有一個(gè)球面非線(xiàn)性翹曲。

圖10：中介層機械應力場(chǎng)模擬（左圖）和8片負應變傳感器放置方式（右圖）。

研究人員利用X射線(xiàn)衍射技術(shù)對TSV集成引起的局部應變進(jìn)行了表征實(shí)驗（圖11）。同步輻射源納米級聚焦X射線(xiàn)衍射測量圖高亮顯示了TSV周?chē)鷳兊?D平面分布情況，并證明應變分布與3D FEM模擬相關(guān)。

圖11：使用納米聚焦X射線(xiàn)束衍射方法測量的TSV周?chē)鷳?D平面空間應變分布。稀化樣品是在室溫和原位退火過(guò)程中完成測量。

熱管理是業(yè)界關(guān)注的影響3D性能的一個(gè)主要問(wèn)題。精確的FEM模型[15]和在TSV 3D電路上校準的緊湊型熱模型有益于設計流程改進(jìn)[16]，研究人員做過(guò)高導熱率散熱器材料的評測，這種材料可以提高封裝的散熱性能[17]，耐受更大的耗散功耗，可以顯著(zhù)降低潛在的局部熱點(diǎn)效應（圖12），高性能冷卻技術(shù)被證明具有嵌入式微流體 [18]特性（圖13）。

圖12：3D電路被動(dòng)散熱器評估：頂層裸片使用銅散熱器與使用熱解石墨薄板（PGS）散熱器的溫度原位測量對比（300mW熱點(diǎn)）。

頂層裸片上的60個(gè)微通道，通道深125 μm，寬75 μm，H2O /乙二醇混合物，在0.75 0,75 cm3/s，沒(méi)有散熱器時(shí)，T>450°C

圖13  左圖）在一個(gè)熱點(diǎn)密集且密閉Wioming 3D 電路上的微流體冷卻技術(shù)（2000 W /cm2）。右圖）在Si中蝕刻的微通道和鰭引腳的SEM圖像

互連密度提高：混合引線(xiàn)鍵合工藝是一個(gè)前景很好的微凸點(diǎn)技術(shù)的替代方法，或者可以替代裸片互連使用的TSV直接氧化物鍵合方法（圖14）。

圖14：互連線(xiàn)間距隨著(zhù)新技術(shù)解決方案和機會(huì )的出現而發(fā)展變化。

混合鍵合工藝允許在后工序進(jìn)行低節距的面對面的層疊，但也給集成和設計優(yōu)化帶來(lái)新挑戰。

CEA-Leti [19]發(fā)布了一個(gè)集成背面照明（BSI）與控制邏輯單元的晶圓級混合鍵合封裝，證明低節距（5μm至24μm）焊盤(pán)對準精度在400nm以下，并使用了2x6金屬層0.13μm 雙大馬士革鑲嵌工藝（圖15）。

圖15：混合鍵合封裝的SEM圖像（俯視圖和3D視圖），包括BSI成像器結構+邏輯的所有金屬層。

為避開(kāi)非鍵合區域，必須優(yōu)化焊盤(pán)設計和表面拋光工序。套刻精度優(yōu)于250 nm的高性能對準系統[20]能夠實(shí)現最低7μm的高密度節距（圖16）。

研究人員做了鍵合界面完整性表征實(shí)驗，在附加的熱應變實(shí)驗后進(jìn)行EDX分析，未在氧化層發(fā)現銅擴散現象（圖17）。

圖17：EDX混合鍵合界面表征，實(shí)驗顯示無(wú)銅通過(guò)界面擴散（在焊盤(pán)失準情況下）。

一份有關(guān)混合鍵合技術(shù)的電學(xué)表征實(shí)驗和初步可靠性的研究報告[21]證明，在300mm層疊晶片上，良率達到100%，在30k菊花鏈時(shí)，界面電阻離差較低。儲熱循環(huán)實(shí)驗（圖18）結果證明，技術(shù)成熟的圖像傳感器專(zhuān)用混合鍵合工藝實(shí)現了低電阻離差（小于0.5％）（ST內部數據待發(fā)布）。

圖18：混合鍵合可靠性實(shí)驗結果。熱循環(huán)（左圖）和儲熱（右圖）測試的電阻離差小于0.5％。

直接鍵合的趨勢：研究人員可能會(huì )想出更先進(jìn)的解決方案，例如，3D VLSI CoolCubeTM 集成[22]，該方案利用獨特的連接密度超過(guò)百萬(wàn)/平方毫米的通孔技術(shù)，可以垂直堆疊多層芯片，為異質(zhì)集成帶來(lái)新的機遇（ 高微縮化的像素、CMOS與NEMS混合架構、III-V/Ge材料）和設計靈活性，特別適合于線(xiàn)長(cháng)微縮或神經(jīng)形態(tài)計算（圖19）。

底層FET工藝

?        體硅,FINFET, FDSOI…

?        標準工藝

?        W/SiO2金線(xiàn)

直接鍵合頂層有源器件

SOI + 回蝕或SmartCutTM 工藝

支持各種襯底、材料和對位

低熱預算頂層FET

通過(guò)SPER或納秒級激光回火激活摻雜

低溫外延層

低熱預算和低K襯墊

3D觸點(diǎn)實(shí)現與后工序

3D通孔=在氧化物層上制造標準的W型孔

銅線(xiàn)和低K金線(xiàn)

圖19 - CoolCube^TM原理

結論

硅3D集成現已成為現實(shí)，是一個(gè)高性能的半導體集成創(chuàng )新解決方案，可以替代因光刻技術(shù)投資龐大而在未來(lái)十年內難以維持經(jīng)濟效益的標準“摩爾定律”。3D集成被選擇背后的動(dòng)因是性能、帶寬、復雜性、互連密度，以及系統微縮化、最終成本和價(jià)值鏈。熱管理、熱機械應變和連接密度等難題都已有相應的解決辦法。隨著(zhù)直接混合鍵合套刻精度提高，業(yè)界可能會(huì )想出創(chuàng )新的集成方法，替代現有的裸片層疊解決方案，簡(jiǎn)化產(chǎn)品價(jià)值鏈，開(kāi)發(fā)出功能分區、高密度互連的高性能器件。

參考文獻

[1] L. Grant, ISSCC, Feb 2014

[2] G. Druais et al, 3DIC 2012

[3] J. Jeddeloh et al, Symposium on VLSI Technology, 2012

[4] D.-U. Lee, Journal of Solid-State Circuits, 2015

[5] R. Chaware et al, IRPS 2012

[6] C.H. Douglas Yu, IEDM 2014

[7] C. Erdmann et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2015

[8] F. Boeuf et al, IEDM 2013

[9] Y. Urino et al, J. Lightwave Technology 2015

[10] D. Dutoit et al, VLSI 2013

[11] S. Sukegawa et al, ISSCC, 2013

[12] T. Kondo et al, VLSI symposium 2015

[13] M. Detalle et al, ECTC 2014

[14] B. Vianne et al, Applied Physics Letters 04/2015

[15] P.-M. Souare et al, IEDM 2014

[16] D. Dutoit et al, VLSI 2013

[17] P. Coudrain et al, IEEE Therminic 2015

[18] L.-M Collin et al, ASME and InterPACKICNMM 2015

[19] L. Benaissa et al, EPTC 2015

[20] B. Rebhan et al, EPTC 2015

[21] Y. Beillard et al, 3DIC 2014

[22] P. Batude et al, VLSI 2015