IEDM2024 | 基于超薄晶圆级有源器件转移技术的先进三维集成

逍遥设计自动化

引言
- B* J$ a6 r8 z9 y# A半导体行业通过创新集成技术持续发展，特别是在三维集成电路（3DIC）领域。本文介绍基于SOI临时键合技术的突破性方法，该方法实现了亚微米级别的层间厚度和精确对准[1]。
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, O0 p! p" B( @% r4 C+ f& h$ @三维集成技术的发展
9 d: P& Z5 g3 {$ R. S. L* U& V三维集成在半导体制造领域代表着重要的技术进步，为克服传统工艺缩放限制提供了解决方案。目前存在单片三维集成和晶圆/芯片键合两种方法，各有其独特的挑战。单片集成面临着影响器件性能的热预算限制，而传统晶圆键合在厚度和对准精度方面存在困难。
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8 o( I* f0 Z+ U图1：展示了基于SOI临时键合的超薄晶圆级有源器件转移的Thin3D堆叠技术，显示了多层结构和互连。

这里介绍的创新SOI临时键合技术实现了小于1微米的超薄层间厚度。这一成就使得可见光对准和改进的热管理成为现实，标志着3DIC制造技术的重大进步。
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$ ^; G) V; w6 S# F" |* V: _6 d先进制造工艺
. g8 q; j/ b: ~# {制造工艺包含多个精密步骤，确保了精确的层转移和集成。工艺始于上下电路器件层在各自晶圆上的准备。

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1 G, W2 G" V% v5 p7 t图2：详细的工艺流程图，展示了基于SOI临时键合的超薄晶圆级有源器件转移的各个步骤，包括临时键合、研磨、CMP和最终集成阶段。

关键的初始步骤包括在顶部SOI晶圆上沉积1.5微米厚的二氧化硅层以保护器件和连接。随后进行边缘修整和与玻璃载体晶圆的临时键合，接着是精确的背面处理步骤。

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键合和研磨工艺优化
: [% q' }* V2 s+ j% u% C该技术的成功很大程度上依赖于临时键合和研磨工艺的优化。截面分析证实了临时键合的质量，这对后续处理步骤具有重要意义。
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图3：临时键合的示意图和分析结果，通过SEM和SAT分析展示了优异的键合质量。
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9 j0 ~+ O* C! r( N2 P. ~图4：展示了键合结构中各层总厚度变化（TTV）的示意图，说明了精确厚度控制的重要性。

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- s8 p- Q7 P9 I图5：研磨工艺和研磨后剩余硅的TTV测量的综合图示，展示了研磨设置和产生的厚度变化。

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- j7 ?2 r( J& A* @/ q9 o" T1 a( U表面处理和硅去除
$ j# _8 G* T% V1 D7 c1 R研磨后的表面处理对于获得最佳结果非常重要。该工艺包括CMP和专门的湿法刻蚀步骤，以确保适当的硅去除和表面准备。
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$ ~/ _3 c8 R7 _9 |! @3 e4 b2 {图6：拉曼光谱分析结果，显示了CMP前后的应力释放和HNA刻蚀后的表面取向去除，证明了表面处理工艺的有效性。

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图7：通过湿法刻蚀完全去除背面硅后的透明顶部晶圆图像，棕色表示粘合层。
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电学性能和集成结果
. _& ]. X# ~" H4 j) K9 C3 V# R集成器件的电学性能展示了这种方法的有效性。详细分析表明，器件特性在集成工艺前后的变化很小。

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图8：光学显微镜图像显示了晶圆级融合键合后顶层和底层的精确对准。

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图9：双层结构的截面视图，展示了超薄器件转移的成果。
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热管理和系统集成
/ s9 F$ H: q- R3 X0 A实施包括通过单元级热感知层分区和布局的先进热管理策略。这种方法显著降低了峰值温度并优化了整体系统性能。
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# u$ k9 G$ U/ S/ |; o7 j3 X图10：单元级热感知层分区和布局策略的详细图示，展示了流程和优化方法。

- M! v/ Z+ M5 _结果表明，这种创新方法成功实现了亚微米级别的层间厚度，对准偏差小于1微米。电学性能在整个集成过程中保持稳定，而热管理策略有效降低了芯片温度7.5%。这项技术在高密度3DIC制造领域取得了显著进展，将优异性能与可靠制造工艺相结合。
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参考文献
[1] B. -J. Shih et al., "Precise Alignment in Ultra-Thin (
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