HBM工艺制造流程与原理
学术
2024-10-10 18:03
北京
随着人工智能技术的迅猛发展，对高性能计算资源的需求日益增加。HBM（High Bandwidth Memory）作为一种先进的存储解决方案，凭借其卓越的数据传输速率、低功耗和紧凑的设计，成为支撑AI应用的关键技术之一。HBM是高性能的DRAM堆叠而成，是利用TSV（Through-Silicon Via，硅穿孔）技术实现多层DRAM芯片的垂直堆叠。下面我们详细介绍HBM工艺制造流程与原理。TSV技术通过在硅基板中创建垂直的导电通道，实现芯片间的直接连接。这些导电通道的直径（CD）通常在1-5微米之间，深度可达10-50微米。TSV技术不仅能够实现高密度的垂直互连，还能显著减少信号延迟，提高数据传输速率。前中段互连工艺：首先，完成所有前中段互连工艺，包括金属布线、接触孔填充等。这些工艺步骤确保了芯片内部的电路连接和功能实现。钝化层蚀刻：对晶圆表面进行钝化层蚀刻，暴露出焊盘（bond pads）。这些焊盘将用于后续的TSV连接，确保芯片间能够通过TSV实现电气连接。保护电路：使用胶带从晶圆正面覆盖，保护已经制造好的电路，防止在后续的背面减薄工艺中受损。减薄工艺：从晶圆背面开始减薄，直至暴露出TSV铜插头。对于标准的300毫米硅晶圆（初始厚度约为775微米），为了暴露出50微米深的TSV，需要从背面去除至少725微米的硅材料。减薄方法：常用的减薄方法包括机械研磨（grinding）、化学机械抛光（CMP）和湿法刻蚀（wet etching-stripe）。这些方法可以精确地控制减薄的厚度，确保TSV铜插头完全暴露。绝缘层沉积与去除：在减薄后的晶圆背面沉积一层绝缘层，然后通过蚀刻工艺再次暴露出TSV铜插头。这一步骤确保TSV插头在后续的金属凸点形成过程中不会受到污染。金属凸点形成：在暴露出的TSV铜插头上形成金属凸点（bumps）。这些凸点将用于后续的芯片堆叠过程中实现芯片之间的电气连接。常见的金属凸点材料包括铜、金、锡等。凸点的形成通常采用电镀或蒸发工艺。键合准备：将带有凸点的减薄晶圆与一个未减薄的承载晶圆（handling wafer）键合。承载晶圆用于提供机械支撑，防止在后续工艺中损坏减薄的晶圆。键合工艺：键合工艺包括热压键合（thermal compression bonding）、共晶键合（eutectic bonding）和熔融键合（fusion bonding）等。这些键合方法确保了芯片间的可靠连接。移除保护胶带：移除减薄晶圆正面的保护胶带，并对晶圆进行清洁，确保表面无污染。这一步骤为后续的多晶圆堆叠做好准备。第一层：将带有凸点的减薄DRAM晶圆与承载晶圆键合。第二层：移除第一层DRAM晶圆正面的保护胶带，清洁表面。第三层：将另一片带有凸点的减薄DRAM晶圆键合到第一层DRAM晶圆上。第四层：重复上述步骤，继续键合更多的DRAM晶圆，直到达到所需的层数。堆叠方式：根据具体需求，可以选择不同的堆叠方式，如面对面（Face-to-Face, F2F）和背对背（Back-to-Back, B2B）键合。堆叠示例：下图展示了四个DRAM晶圆通过TSV技术堆叠在一起的示例。每个晶圆都按照上述步骤处理后，通过TSV技术实现堆叠。具体的堆叠过程如下：
尽管HBM技术在提高芯片性能方面表现出色，但也面临一些挑战：- 制造成本：HBM工艺复杂，涉及多个高精度步骤，增加了制造成本。为了降低成本，需要不断优化工艺流程和材料选择。
- 良率控制：HBM工艺中的每一个步骤都需要严格控制，以确保高良率。良率的提升是实现大规模生产的前提条件。
- 热管理：多层堆叠芯片会产生更多的热量，需要有效的热管理方案。常见的热管理方法包括散热片、冷却液和热管等。
- 可靠性：多层堆叠芯片的可靠性是一个重要问题。需要通过严格的测试和验证，确保芯片在各种工作条件下的稳定性和寿命。
3D IC devices, technologies, and manufacturing / Hong Xiao.
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编辑：柚子露
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