基于TSV的3D-IC关键集成技术

以下文章来源于漫谈大千世界，作者CosmosWanderer

3D-IC通过采用TSV(Through-Silicon Via，硅通孔)技术，实现了不同层芯片之间的垂直互连。这种设计显著提升了系统集成度，同时有效地缩短了互连线的长度。这样的改进不仅降低了信号传输的延时，还减少了功耗，从而全面提升了系统的整体性能。

根据TSV制作工艺顺序的不同，可分为先通孔和后通孔两种技术。

FE3D: 先通孔是指先刻蚀通孔，再装配到操作晶圆上，然后减薄，即在CMOS器件或者后道互连之前的设计阶段介入。

BE3D: 后通孔是指先将晶圆键合到另一个芯片/晶圆上，然后再刻蚀通孔，即在后道互连或者键合之后的后期开始。

1. 3D IC的堆叠方式

基于TSV(Through-Silicon Via，硅通孔)技术的3D IC堆叠方式主要有三种类型，每种类型都有其特点和应用场景。

晶圆到晶圆堆叠(Wafer-to-Wafer, W2W)

两个晶圆均没有切片;工艺简单，产出效率最高，成本最低

这个名称也有称为Wafer on Wafer，WoW

晶片到晶圆堆叠(Die-to-Wafer, D2W)

将切片后的晶片堆叠到晶圆上。这种方式相比W2W，可能在良率上有所提高，因为可以对单个晶片进行筛选。工艺相对简单，成本和产出效率介于W2W和D2D之间。

这个名称也有称为Chip on Wafer，CoW

晶片到晶片堆叠(Die-to-Die, D2D)

将切片后的两层晶片堆叠在一起。这种方式可以使用已知良晶片(Known-Good-Die, KGD)，因而良率最高。但是工艺最复杂，产出效率最低，因为需要对每个晶片进行精确的对准和堆叠。

这个名称也有称为C2C.

2. 3D IC的堆叠方向

无论晶圆是否切片，3D IC堆叠方向分为三种.

面对面(Face-to-Face, F2F)

面对背(Face-to-Back, F2B)

背对背(Back-to-Back, B2B)

3. 基于TSV的3D IC关键集成技术

3D IC集成的关键技术主要包括以下几个方面：

对准(Alignment)

对准(Alignment)是3D IC制造过程中的一个关键步骤，它确保了在不同层的芯片或晶圆堆叠时，各个层之间的电路图案能够精确地对齐。这种精确对齐对于实现电气连接的可靠性和功能性至关重要。对准技术的准确性直接影响到3D IC的性能、产量和可靠性。

对准(Alignment)可以采用直接或者间接的方式进行对准。如果两个硅片中有一个是对可见光或者红外线透明的，就可以采用直接对准。当两个硅片都不对可见光或者红外线透明时，就必须采用间接对准方式。在这种情况下，先将第一个硅片对准到一个参考点上再抬高一定的距离，然后再将第二层硅片对准到同一个参考点上。当然间接对准没有直接对准的精确度高。

键合(Bonding)

键合技术是指借助各种化学和物理作用连接两个或多个芯片或晶圆。目前有四种键合技术是最常用的，分别是氧化物键合、金属键合、粘合剂键合和焊接。

氧化物键合：利用上下两层芯片表面的隔离层(通常是SiO₂)进行键合。这种技术的优点是可以在低温下进行，且与半导体工艺兼容。但是，它需要高质量的化学机械抛光和复杂的硅片清洁。

金属键合：可以使用铜或金作为金属材料。金比铜更容易键合，所需温度和压力较小。铜键合成本低，键合强度高，与半导体工艺兼容。金属键合的主要优势是可以同时实现机械和电连接，且过程中不产生多余气体。但对工艺温度和压力的要求较高，且可能因温度不一致导致对准误差。常用的金属键合可控塌陷芯片连接(Controlled Collapse Chip Connect, C4)和薄膜键合。

粘合剂键合：使用粘合剂来连接衬底或晶圆。典型的粘合剂键合是伦斯勒理工学院研发的聚合物键合技术。

焊接是一种在印刷电路板上广泛应用的技术，也可以用于3D IC集成 。它像金属键合一样，也可以同时实现机械连接和电连接。

晶圆减薄(Wafer Thinning)

在堆叠之前，需要将晶圆减薄到合适的厚度，以减少堆叠后的总厚度，提高封装的紧凑性和散热性能。

目前的金属淀积及等离子体开孔工艺而言，要求上层芯片的TSV高度控制在几十微米以内，以确保TSV的工艺可靠性。

TSV(Through-Silicon Via)

TSV是实现3D IC垂直互连的关键技术，通过在硅片中钻孔并填充导电材料来实现不同层之间的电气连接。根据TSV制作工艺顺序的不同，可分为先通孔和后通孔两种技术。

FE3D: 先通孔是指先刻蚀通孔，再装配到操作晶圆上，然后减薄，即在CMOS器件或者后道互连之前的设计阶段介入。

FE3D: 先通孔是指先刻蚀通孔，再装配到操作晶圆上，然后减薄，即在CMOS器件或者后道互连之前的设计阶段介入。

键合技术包括直接键合、使用中间层(如硅中介层)的键合、以及使用微凸点(microbumps)等。

TSV的制造涉及到深反应离子刻蚀(DRIE)、绝缘层沉积、金属填充等多个步骤。

这些关键技术相互配合，共同实现了3D IC的高密度集成、高性能和小型化。随着技术的发展，3D IC在移动设备、高性能计算、人工智能等领域的应用越来越广泛。