什么是晶圓鍵合機的三維集成技術？

　　近幾十年來，隨著微電子技術的發展，高性能、小外形、低成本的電子產品已成為市場的基本需求。集成電路上可容納元器件的數目是符合摩爾定律預測的。但是近年來傳統的集成電路增長趨勢開始和摩爾定律的理想模型出現了差別。隨著手機和各種電子產品的快 速發展，芯片的功能也越來越復雜，芯片上集成晶體管的數目也隨著越來越多，同時也引起了集成電路體積的增大和功耗增高。當晶體管的柵極長度和氧化層厚度都接近物理極限的時候，二維集成最終將走到道路的盡頭。

 

　　遵循摩爾定律的三維集成技術可以作為解決上述問題的方案。晶圓鍵合機三維集成方法的概念是基于集成電路的新位置：Z軸。這意味著晶片位置不再局限于X-Y二維平面上了。因此，我們可以實現更大密度的集成電路堆疊，以縮短互連，也減少了可見表面，從而縮小晶片的尺寸和提高晶片的效率，進而提高了應用范圍。此外，晶圓鍵合機三維集成方案可以結合不同的集成電路本身的較佳工藝，避免了效率低和產量低的問題。

 

　　下面介紹了幾種不同的晶圓類型和堆疊方式，以及三維集成所面對的測試方法、可靠性、材料選擇等挑戰。

 

　　類型：

　　1、體硅。體硅是晶圓鍵合機三維集成中常用的晶圓類材料。原因不只在它的成本，還有成熟的制作過程。即使當其他種類的晶片被用作頂部晶片時，底部晶片通常仍然是體硅晶片。

　　2、絕緣硅（SOI）。SOI晶片表面具有覆蓋的氧化層，可以被均勻地減薄，因為氧化層起到阻礙蝕刻的作用。蝕刻過程可采用機械研磨、濕法刻蝕、干法刻蝕。最重要的是，因為最終的厚度可以均勻地減薄，使用SOI可以實現高密度的三維集成。SOI結構可有效的避免閂鎖現象。然而，堆疊結構的防靜電能力可能會降低，并且密集的設備層還有潛在的散熱問題。

　　3、玻璃。在三維集成中的玻璃晶圓通常用于放置頂部晶片。因此，用于此目的的玻璃晶圓稱為載體晶圓。當玻璃暫時附著頂部晶圓時，可以對頂部晶圓的襯底減薄。在被減薄后的晶圓鍵合在底部晶圓后，移除玻璃。玻璃晶圓的透明特性也為良好的鍵合結果提供了幫助。對于各種類型的晶圓堆疊，我們應該注意到，如果任何帶電體接觸或甚至接近晶圓，晶圓都可能會產生感應電荷。在兩個晶圓的堆疊過程中，只要一個晶片充電，靜電放電事件都有可能發生。

 

　　堆疊方式：

　　根據兩晶片堆疊方向，分為兩種不同的堆疊晶片方式：面對面和面對背。晶片堆疊方向的影響是非常巨大的，將會影響到電路的對稱性，制造的難度，電容的互連等方面。這兩種堆疊方法均已被應用在三維集成應用中。甚至兩種堆疊方法的共同使用也是存在的。

　　1、面對面堆疊法。對此類型晶片來說，兩個晶片的金屬層（面部）通過TSV相連在電路中。從制造技術的角度來看，這種集成方式易于投 入應用，并且不需要額外的處理晶片。但是需要考慮到晶圓到晶圓的對稱性問題。這意味著在設計頂部晶片時，需要對電路進行鏡像操作。同時，還要考慮到兩個晶片的對稱性和對準的位置。

　　2、面對背堆疊法。面對背型晶圓，一個晶片的金屬層（面部）通過TSV和另一個晶片的襯底（背部）相連，上面的晶圓應減薄。與面對面型相比，這種方法增加了過程的復雜性。然而，晶圓到晶圓的對稱性問題就不存在了。而且需要處理的晶片是顯而易見的，并且晶圓也足夠薄，校準過程變得容易得多。

　　由以上介紹可知，先通孔工藝和后通孔工藝有著各自的特點，所以在實際電路集成過程中，要根據不同的需求合理地選擇堆疊方式。

 

　　三維集成的優勢和挑戰

　　不同于傳統的二維封裝技術，晶圓鍵合機三維集成提供了更多的優勢，包括：

　　1、多個不同器件在垂直方向相互連接，縮短互連，也減少了可見表面，從而縮小晶片的尺寸，增大了集成密度；

　　2、各芯片之間連線的縮短，加快了芯片處理速度；

　　3、低阻容帶來的低功耗和更高的運行速度；

　　4、整體尺寸小，降低了集成成本。然而，高集成密度帶來的散熱問題、對齊方式、材料的選擇、三維設計CAD工具、設計和測試方法等挑戰，仍然需要克服。