先进封装中混合键合工艺流程概述

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了在先进封装领域的混合键合。

在先进封装领域，混合键合(Hybrid Bonding)是实现芯片高密度堆叠的核心技术。它不同于传统的焊接或胶粘，而是将铜焊盘和绝缘介质(通常是氧化物)同时贴合，达到近乎“无缝”的原子级连接。这项工艺的难度极高，需要对多个环节进行协同优化。下图展示了混合键合的关键工艺步骤及其挑战。

工艺流程概述

从晶圆开始，先通过化学气相沉积(CVD)生长一层绝缘介质，再光刻刻蚀出焊盘图案，沉积阻挡层和种子层，接着用铜电镀(ECP)填充凹槽，最后用化学机械抛光(CMP)将表面磨平，使铜和氧化物共面。之后，晶圆被划片成芯片，对键合面进行等离子活化处理，然后在低温下预键合，让两片芯片靠分子力初步吸附。最后经过一步低温退火(Post-bond Anneal)，铜原子相互扩散形成可靠的电气连接，而介质界面也牢固愈合。

关键工艺属性与优化

混合键合对多项工艺有严格要求，必须协同优化：

· 键合CVD与电镀(ECP)：沉积的介质膜应力要低，避免翘曲;铜填充必须无空洞。两者的热匹配也很重要。

· CMP：这是最关键的一步，直接影响键合质量。CMP后的表面必须极度平坦，且铜与氧化物的高度差(dishing/erosion)极小，否则键合时会出现空隙或非接触。

· 等离子活化：通过表面处理激活键合能，为预键合提供足够的化学亲和力。活化均匀性影响键合强度。

· 低温退火：最终让铜焊盘熔合，同时不损伤器件。退火温度越低越好，但需要与CMP平坦度和活化处理协调。

· 其他挑战：等离子划片的侧壁粗糙度、颗粒控制、刻蚀通量、应力导致的裂纹、可靠性等都需要综合考量。

三个关键影响因素的排序

图片最后给出了对“无空隙、低间隙”界面最有直接影响的三个步骤的排序(从高到低)：

1. CMP：平坦度和微观高度差决定了键合界面的物理接触完整性，是第一位。

2. 等离子活化：决定了表面化学状态，影响键合初始强度。

3. 退火：最终固化铜连接，但前提是前两步做得好。混合键合就像在指甲盖大小的区域上，同时完成成千上万个微型“焊接”和玻璃“熔接”，任何一步的微小偏差都会导致电气失效。正因为工艺协同如此复杂，它才成为3D芯片堆叠中最有挑战也最有价值的技术之一。