晶圓鍵合機(jī)的晶圓級(jí)三維集成是一個(gè)新的概念，利用許多高級(jí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路密度的增加和體積的縮小。下面介紹三項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。
1、對(duì)準(zhǔn)和鍵合：
對(duì)準(zhǔn)不精確導(dǎo)致電路故障或可靠性差。因此，對(duì)準(zhǔn)精度的高低主導(dǎo)了的晶片接觸面積和三維集成電路堆疊的成品率。對(duì)準(zhǔn)精度與對(duì)準(zhǔn)器和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記有關(guān)。也受操作員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的影響。
銅被廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造中。因此，銅是三維集成中連接兩個(gè)設(shè)備層或晶圓的較好的選擇。銅晶圓鍵合的原理是讓兩個(gè)晶片接觸然后熱壓縮。在鍵合過(guò)程中，兩個(gè)晶片的銅層可以相互擴(kuò)散以完成鍵合過(guò)程。集成的質(zhì)量與晶圓表面的清潔度和鍵合時(shí)間有關(guān)。
一般來(lái)說(shuō)，溫度至少300～400℃才能完成銅鍵合。可以根據(jù)其界面的形態(tài)來(lái)確定鍵合質(zhì)量。為了獲得好的銅晶片鍵合的結(jié)果，條件是400℃加熱30分鐘，接著400℃氮?dú)猸h(huán)境退火30或60分鐘。雖然高溫和高壓可能會(huì)提高鍵合質(zhì)量，但相應(yīng)的成本和設(shè)備的損耗也成為需要關(guān)注的主要問(wèn)題。因此，在較低的溫度和壓力下的鍵合方法是三維集成的主要目的。
2、晶片減薄技術(shù)：
三維集成技術(shù)極大的增大集成電路密度的同時(shí)也帶來(lái)了散熱困難的問(wèn)題。由于硅基板和金屬材料之間存在電阻，當(dāng)通過(guò)電流時(shí)，會(huì)有發(fā)熱效應(yīng)。而熱量不斷的產(chǎn)生會(huì)使芯片的背面產(chǎn)生一種內(nèi)應(yīng)力，而內(nèi)應(yīng)力較大時(shí)會(huì)使芯片直接破裂，加快了芯片的損壞速度。通過(guò)使用芯片減薄工藝，不僅可以有 效的降低集成電路的內(nèi)阻，優(yōu)化各芯片的散熱性能，還提高了電路的穩(wěn)定性的和縮小了芯片體積，更符合集成電路整體小型化的趨勢(shì)。
3、硅基板穿孔技術(shù)（TSV）：
硅通孔的概念是由諾貝爾獎(jiǎng)得主WilliamShockley最早提出來(lái)的，硅基板穿孔（TSV）在晶片與晶片之間、晶圓與晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)晶片之間互聯(lián)的技術(shù)。該技術(shù)能夠使晶片在三維方向上堆疊的密度達(dá)到最大，因此不同基板的晶片通過(guò)硅基板穿孔技術(shù)進(jìn)行立體堆棧整合后，不僅可縮短金屬導(dǎo)線的和聯(lián)機(jī)電阻，更能減小晶片的體積。
①先通孔工藝。先通孔工藝是在CMOS器件制作之前，在空白硅片上完成通孔制作和導(dǎo)電材料的填充。在這個(gè)方案中，填充材料不能是金屬，比如銅。此外，由于在這個(gè)階段還沒(méi)有金屬互連，先通孔工藝的縱寬比是小于后通孔工藝的。
②后通孔工藝。后通孔工藝是在BEOL完成后，在CMOS即將制作完成和但還未進(jìn)行減薄工藝處理的硅片上預(yù)留的空白區(qū)進(jìn)行鉆蝕通孔。該技術(shù)包括鉆孔和填充過(guò)程，為了不破壞設(shè)備和電路，應(yīng)在低于熱預(yù)算的溫度環(huán)境下制作。
③TSV工藝流程。整個(gè)硅基板穿孔過(guò)程可大致分為兩個(gè)部分：第一部分是通孔的蝕刻，第二部分填充通孔。硅基板穿孔的蝕刻難度取決于減薄后的晶圓的厚度。當(dāng)目標(biāo)蝕刻深度太深，通孔的開口尺寸通過(guò)需要相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，這也導(dǎo)致晶片尺寸的增加。填充材料也是需要考慮的問(wèn)題。銅、鎢和多晶硅是典型的硅基板穿孔填充材料的選擇。在這些材料中，銅和鎢的只能用在后通孔方案中，而多晶硅可用于先通孔和后通孔方案中。銅是一種工藝兼容材料，殘余應(yīng)力少，電子性能好，但難以填充高縱寬比的通孔。相反，鎢很容易填充到高寬比的通孔，但其殘余應(yīng)力高是一個(gè)很大的問(wèn)題。多晶硅可用于硅基板穿孔的先通孔方案中，但它的電阻比金屬高。考慮到每種材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，硅基板穿孔填充材料的選擇對(duì)三維集成具有重要意義，特別是對(duì)于晶圓鍵合機(jī)的晶圓級(jí)三維集成。
