混合鍵合3D芯片技術(shù)將拯救摩爾定律。

為了繼續(xù)縮小電路尺寸，芯片制造商正在爭(zhēng)奪每一納米的空間。但在未來(lái)5年里，一項(xiàng)涉及幾百乃至幾千納米的更大尺度的技術(shù)可能同樣重要。

這項(xiàng)技術(shù)被稱為“混合鍵合”，可以將兩塊或多塊芯片疊放在同一個(gè)封裝中。這使芯片制造商能夠增加處理器和內(nèi)存中的晶體管數(shù)量，雖然晶體管的縮小速度已普遍放緩，但這曾推動(dòng)摩爾定律發(fā)展。2024年5月，在美國(guó)丹佛舉行的IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)（ECTC）上，來(lái)自世界各地的研究團(tuán)隊(duì)圍繞這一技術(shù)公布了多項(xiàng)研究改進(jìn)，其中一些成果可能會(huì)產(chǎn)生創(chuàng)紀(jì)錄的3D堆疊芯片連接密度：每平方毫米硅片約700萬(wàn)個(gè)連接。

在IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)上，來(lái)自英特爾公司的石毅（Yi Shi，音）告訴與會(huì)工程師們，由于半導(dǎo)體工藝的新特性，所有這些連接都是必需的。摩爾定律現(xiàn)在被一種稱為系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（STCO）的概念主宰，根據(jù)這一概念，芯片的各項(xiàng)功能（如緩存、輸入/輸出和邏輯）分別使用最適合的技術(shù)制造。然后，可以采用混合鍵合和其他先進(jìn)封裝技術(shù)將這些子系統(tǒng)組裝起來(lái)，使它們像單塊硅片一樣全力工作。但只有在連接密度足夠高，且在不同硅片之間傳輸數(shù)據(jù)的延遲或能耗都很小的情況下，這才能實(shí)現(xiàn)。

在所有先進(jìn)封裝技術(shù)中，混合鍵合提供了最高密度的垂直連接。因此，Yole集團(tuán)的技術(shù)和市場(chǎng)分析師加布里埃拉?佩雷拉（Gabriella Pereira）表示，它是先進(jìn)封裝行業(yè)中增長(zhǎng)最快的一部分。根據(jù)Yole集團(tuán)的預(yù)測(cè)，到2029年，先進(jìn)封裝行業(yè)整體市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)2倍以上，達(dá)到380億美元，屆時(shí)，混合鍵合預(yù)計(jì)將占據(jù)其中約一半的市場(chǎng)份額，雖然目前它僅占市場(chǎng)的一小部分。

在混合鍵合中，每塊芯片的頂面均放置銅焊盤(pán)，周?chē)^緣層，通常是硅氧化物，銅焊盤(pán)嵌在絕緣層表面。在對(duì)氧化物進(jìn)行化學(xué)改性后，將兩塊芯片面對(duì)面擠壓在一起，使每塊芯片上嵌入的銅焊盤(pán)相互對(duì)齊。然后慢慢加熱夾層，使銅膨脹填滿間隙并熔化，從而將兩塊芯片連接起來(lái)。

混合鍵合可以將一種尺寸的單塊芯片附著到一個(gè)更大尺寸芯片的完整晶圓上，也可以將兩片相同尺寸的完整晶圓鍵合在一起。佩雷拉表示，由于后者在相機(jī)芯片中得到了應(yīng)用，其工藝比前者更加成熟。例如，歐洲微電子研究中心（Imec）的工程師們創(chuàng)造出了一些有史以來(lái)最密集的晶圓對(duì)晶圓鍵合，鍵合距離（或稱為間距）僅400納米。但對(duì)于芯片與晶圓鍵合，歐洲微電子研究中心實(shí)現(xiàn)的間距僅為2微米。

相比目前正在生產(chǎn)中的先進(jìn)3D芯片的9微米間距，歐洲微電子研究中心的2微米間距是巨大的進(jìn)步。而且比前一代技術(shù)（間距幾十微米的焊料“微凸塊”）有了更大的飛躍。

“使用現(xiàn)有設(shè)備，將晶圓與晶圓對(duì)齊比將芯片與晶圓對(duì)齊更容易。大多數(shù)微電子工藝都是為（整片）晶圓設(shè)計(jì)的。”法國(guó)研究機(jī)構(gòu)CEA Leti的集成與封裝科學(xué)負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)-查爾斯?蘇里奧（Jean-Charles Souriau）說(shuō)。但晶圓上芯片（CoW，或晶圓上裸芯片）技術(shù)正在高端處理器中大放異彩，如在AMD處理器中，這項(xiàng)技術(shù)被用于組裝其新型中央處理器（CPU）和人工智能加速器中的計(jì)算核心和緩存。

在這兩種場(chǎng)景中，為了進(jìn)一步縮小間距，研究人員致力于使表面更加平整、鍵合晶圓粘接更好，并減少整個(gè)工藝的時(shí)間和復(fù)雜度。如果做到這一點(diǎn)，就可能會(huì)徹底改變芯片的設(shè)計(jì)方式。

間距緊密的WoW

最近的晶圓上晶圓（WoW）研究實(shí)現(xiàn)了 360到500納米的最緊湊間距，這要求在平整度方面投入巨大的精力。要以100納米級(jí)的精度將兩片晶圓鍵合在一起，整片晶圓必須幾乎完全平整。即便晶圓有最輕微的彎曲或扭曲，整個(gè)部分也將無(wú)法連接。

平整晶圓的工作通過(guò)一種名為化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）的工藝完成。它對(duì)芯片制造至關(guān)重要，特別是對(duì)于生產(chǎn)晶體管上方的互連層。

“對(duì)于混合鍵合，化學(xué)機(jī)械平坦化是我們必須控制的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)?！碧K里奧說(shuō)。IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)上展示的結(jié)果表明，化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)已提升到一個(gè)新水平，不僅能夠平整整個(gè)晶圓，還能夠減小銅焊片之間納米級(jí)的圓形絕緣層，確保更好的連接。

還有研究人員專注于確保這些平整的部件能夠牢固地粘在一起。他們嘗試使用不同的表面材料，如用硅碳氮化物代替硅氧化物，并采用不同的方案來(lái)對(duì)表面進(jìn)行化學(xué)激活。最初，晶圓或裸芯片被擠壓在一起時(shí)，它們是通過(guò)相對(duì)較弱的氫鍵對(duì)接在一起的，人們擔(dān)心在后續(xù)工藝中它們無(wú)法保持原位。對(duì)接之后，晶圓和芯片會(huì)被慢慢加熱，在退火工藝中形成更強(qiáng)的化學(xué)鍵。這些鍵的強(qiáng)度如何（以及如何確定這一點(diǎn)）是IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)上展示的主要研究?jī)?nèi)容。

最終的鍵合強(qiáng)度有一部分來(lái)自銅連接。退火步驟使銅在間隙中膨脹，形成導(dǎo)電橋。三星的韓勝浩解釋說(shuō)，控制這個(gè)間隙的大小是關(guān)鍵。如果膨脹過(guò)少，銅將無(wú)法熔化形成連接；而如果膨脹過(guò)多，晶圓將被推開(kāi)。這是納米級(jí)的問(wèn)題。韓勝浩報(bào)告了一種新的化學(xué)工藝研究，即每次蝕刻去除單一原子層的銅，他希望通過(guò)這種工藝實(shí)現(xiàn)精確控制。

連接的質(zhì)量也很重要。芯片互連中的金屬不是單晶體，而是由許多顆粒組成的，顆粒朝向不同方向。即使銅膨脹后，金屬的顆粒邊界通常也不會(huì)從一側(cè)跨越到另一側(cè)。這種跨越應(yīng)該會(huì)降低連接的電阻并提高其可靠性。日本東北大學(xué)的研究人員報(bào)告了一種新的冶金方案，最終可以生成跨越邊界的大型單銅顆粒?！斑@是一次重大變化?！比毡緰|北大學(xué)副教授福島磯村說(shuō)，“我們現(xiàn)在正在分析其背后的原因?！?/p>

IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)上討論的其他實(shí)驗(yàn)側(cè)重如何簡(jiǎn)化鍵合工藝。有幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)試圖降低形成鍵合所需的退火溫度（通常在300℃左右），將長(zhǎng)時(shí)間加熱對(duì)芯片造成的損害風(fēng)險(xiǎn)降到最小。應(yīng)用材料公司的研究人員介紹了一種大幅縮短退火時(shí)間（從幾個(gè)小時(shí)縮短到5分鐘）的方法以及在這方面取得的進(jìn)展。

表現(xiàn)出色的CoW

目前，CoW混合鍵合對(duì)新型中央處理器和圖形處理器制造商更加有用：芯片制造商可通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)堆疊不同尺寸的芯片，并在芯片相互鍵合之前對(duì)每塊芯片進(jìn)行測(cè)試，確保不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)缺陷部件而毀掉整塊昂貴的中央處理器。

CoW面臨著WoW所面臨的全部困難，但可選擇的緩解辦法卻更少。例如，化學(xué)機(jī)械平坦化工藝用于平整晶圓，而不是單個(gè)裸芯片，一旦裸芯片從源晶圓中切割下來(lái)并測(cè)試，便沒(méi)有多少辦法可以改進(jìn)其鍵合準(zhǔn)備了。

不過(guò)，英特爾的研究人員報(bào)告了具有3微米間距的CoW混合鍵合，同時(shí)，如上文提到的，歐洲微電子研究中心團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了2微米間距，實(shí)現(xiàn)方式為：在中間過(guò)程仍將裸芯片附著在晶圓上，使其變得非常平整，同時(shí)在整個(gè)過(guò)程中保持裸芯片的清潔。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都使用了等離子體蝕刻技術(shù)來(lái)切割裸芯片，而不是常用的專用刀片。等離子體蝕刻不會(huì)像刀片那樣導(dǎo)致邊緣碎裂，碎裂產(chǎn)生的碎片可能會(huì)干擾連接。歐洲微電子研究中心團(tuán)隊(duì)還可通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)改變裸芯片的形狀，制作倒角，減輕可能破壞連接的機(jī)械應(yīng)力。

多位參加IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)的研究人員認(rèn)為，CoW混合鍵合對(duì)未來(lái)的高帶寬內(nèi)存（HBM）至關(guān)重要。高帶寬內(nèi)存由多塊動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）裸芯片堆疊而成，目前有8到12層高，置于一塊控制邏輯芯片之上。它通常與高端圖形處理器放在同一封裝內(nèi)，對(duì)于處理ChatGPT等大語(yǔ)言模型所需的海量數(shù)據(jù)至關(guān)重要。今天的高帶寬內(nèi)存裸芯片堆疊采用的是微凸塊技術(shù)，兩層之間有被有機(jī)填料包裹的小焊球。

隨著人工智能進(jìn)一步提高內(nèi)存需求，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器制造商希望在高帶寬內(nèi)存芯片中堆疊20層，甚至是更多層。微凸塊的體積會(huì)占用空間，這意味著這些堆疊很快將因太高而無(wú)法與圖形處理器一起封裝。在這方面，混合鍵合可以降低高帶寬內(nèi)存的高度，同時(shí)比較容易減少封裝中的余熱，因?yàn)閷优c層之間的熱阻會(huì)減少。

在IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)上，三星工程師展示了混合鍵合可以實(shí)現(xiàn)的16層堆疊的高帶寬內(nèi)存。三星高級(jí)工程師李賢民表示：“我認(rèn)為使用這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)20層的堆疊。”其他CoW新技術(shù)也可以幫助將混合鍵合應(yīng)用于高帶寬內(nèi)存。蘇里奧說(shuō)，CEA Leti的研究人員正在探索自對(duì)齊技術(shù)。這將助于確保僅通過(guò)化學(xué)工藝實(shí)現(xiàn)良好的CoW連接。每個(gè)表面的一部分被制成疏水性，另一部分為親水性，從而使表面自動(dòng)滑入到位。

在IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)上，來(lái)自日本東北大學(xué)和雅馬哈機(jī)器人公司的研究人員報(bào)告了類(lèi)似的方案，在動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)芯片上，利用水的表面張力對(duì)齊的5微米焊片實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于50納米的精度。

混合鍵合的邊界

研究人員幾乎肯定會(huì)繼續(xù)縮小混合鍵合連接的間距。臺(tái)灣積體電路制造公司（以下簡(jiǎn)稱臺(tái)積電）的開(kāi)拓系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理賈漢中（Han?Jong Chia,音）在IEEE電子器件與技術(shù)大會(huì)上表示，200納米的WoW間距不僅是可能的，而且是可取的。臺(tái)積電計(jì)劃在兩年內(nèi)引入一種名為“背面供電”的技術(shù)。（英特爾計(jì)劃在2024年底引入）。這項(xiàng)技術(shù)將芯片粗大的電源傳輸互連放置在硅表面下方，而不是上方。臺(tái)積電研究人員通過(guò)計(jì)算得出，沒(méi)有了這些電源管道，最上層可以更好地連接較小的混合鍵合焊片。采用200納米鍵合焊片的背面供電裝置將大幅降低3D連接的電容，通過(guò)測(cè)量，其能效和信號(hào)速度將達(dá)到使用400納米鍵合焊片時(shí)的8倍。

賈漢中表示，如果鍵合間距進(jìn)一步縮小，未來(lái)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)跨越兩片晶圓的“折疊”電路塊。這樣，當(dāng)電路塊內(nèi)的一些長(zhǎng)連接就可以走垂直捷徑，有助于提高計(jì)算速度并降低功耗。

混合鍵合可能不僅限于硅。CEA Leti的蘇里奧表示：“當(dāng)下，我們?cè)凇鑼?duì)硅晶圓’上取得了很大發(fā)展，不過(guò)我們也在探索氮化鎵和硅晶圓以及玻璃晶圓之間……以及所有材料之間的混合鍵合?！彼诘臋C(jī)構(gòu)甚至介紹了用于量子計(jì)算芯片的混合鍵合研究，其中涉及對(duì)超導(dǎo)鈮而不是銅進(jìn)行對(duì)齊和鍵合。

“很難說(shuō)研究邊界在哪里，一切都在飛快發(fā)展?！碧K里奧說(shuō)。