引言7 R* `0 S. R- I' L9 |
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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三维集成技术的发展4 {0 h/ S8 H& A4 P. q
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。: W" k/ j: s( `- X6 v
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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。
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! B1 w! l" T% s% g' @0 Y. T, r2 I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。5 l0 M% e: D9 d2 i
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先进制造工艺
+ t2 }9 ^; O. Q, o* L# f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。2 |- i' ?5 d5 Y: `
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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。
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; Q& o3 D! p+ J* F0 T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。- _/ Y: E, b- s: o* S
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键合和研磨工艺优化
, j6 r" t. S4 T; `3 I {: `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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! [: ~& P" H/ V4 t4 D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。: m+ P8 ^5 o, ^0 [" |
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3 G1 U# f4 V6 O) {0 ^* o N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。. g$ E3 t& H$ s7 s8 S; J
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1 s3 o$ N* ]$ h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。 ] E- S y: w
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7 L* |; {, `! p# B+ e8 s( Y& C4 j表面处理和硅去除, ?: t% G1 G E* u6 D& E2 u$ g: P
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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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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+ u' x' i" v% L9 l% N! B电学性能和集成结果3 T* l$ r1 P* M+ s6 e
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。, r' ^0 C/ a3 Y2 k
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8 N; d1 p6 l( h/ C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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* W& ]7 p. ]1 k. S5 U* H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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6 o3 ^8 v: w/ P( y热管理和系统集成
9 E" X+ I; L) }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。+ H, r3 a/ R. D4 K+ z" g* o
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$ H( v; P% t$ u! I3 v5 _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。4 N. [3 n, U" C
# O( z. \5 O$ c$ p* g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。) {0 y4 u ]3 C. n
0 b' ?% _6 }5 o1 u# ^: n' k参考文献1 G/ ?& T8 O0 t$ U) N; w3 c/ X
[1] B. -J. Shih et al., "Precise Alignment in Ultra-Thin () A& u5 a$ M) r3 K B; n
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. G4 ]' V( E. U' d P8 s深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。. R/ h: ?; v) P' }& }' X
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