eng
Выпуск #7/2025
Д. Суханов
ИНТЕГРАЦИЯ ТРЕХСЛОЙНОГО СТЕКА – БУДУЩЕЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
ИНТЕГРАЦИЯ ТРЕХСЛОЙНОГО СТЕКА – БУДУЩЕЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Просмотры: 948
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.249.7.114.118
В статье описываются технологии HD TSV и гибридного бондинга, обеспечивающие интеграцию различных компонентов для сенсоров и систем формирования изображений. Оптимизация процесса утонения и уменьшение аспектного соотношения TSV позволили устранить электрические утечки и значительно улучшить характеристики TSV.
В статье описываются технологии HD TSV и гибридного бондинга, обеспечивающие интеграцию различных компонентов для сенсоров и систем формирования изображений. Оптимизация процесса утонения и уменьшение аспектного соотношения TSV позволили устранить электрические утечки и значительно улучшить характеристики TSV.
Теги: 3d integration 3d-интеграция ai aspect ratio cmos structures hd tsv hybrid bonding аспектное соотношение гибридный бондинг искусственный интеллект кмоп-структуры
Интеграция трехслойного стека – будущее интеллектуальных устройств для формирования изображений
Д. Суханов
В статье описывается интеграция высокоплотных сквозных кремниевых переходов (HD TSV) и гибридного бондинга. Благодаря усовершенствованному процессу утонения и оптимизации геометрии удалось устранить дефекты изоляции и значительно улучшить морфологические и электрические характеристики TSV 1 × 6 мкм. Полученные результаты открывают путь к серийному производству трехслойных интеллектуальных устройств формирования изображений.
За последнее десятилетие уменьшение габаритов электронных компонентов привело к значительному росту их функциональности и производительности. Развитие технологий 3D-интеграции – вертикального наложения слоев облегчило объединение нескольких функций электронных устройств в ограниченном пространстве и позволило достичь повышения производительности при ограниченном энергопотреблении. Благодаря этому такие решения, как многоуровневая память, чиплеты и гетерогенная интеграция стремительно набирают обороты.
В последние годы датчики изображения на основе КМОП-структур явно лидируют в сфере 3D-интеграции.
Среди новых технологий в области восприятия изображений ключевой тенденцией является применение 3D-стеков. Уже сейчас двухслойные устройства формирования изображений, благодаря 3D-гибридному бондингу, обеспечивают значительно более высокую производительность по сравнению с традиционными (2D) решениями. Это достигается за счет объединения двух отдельно оптимизированных технологий: специализированной пиксельной технологии (низкий уровень шума, высокая динамика, высокая квантовая эффективность) и усовершенствованной аналоговой и цифровой КМОП-технологии (высокая плотность, низкое энергопотребление).
Трехслойная интеграция, являясь следующим этапом развития 3D-технологии, предполагает добавление еще одного слоя на кремниевой пластине. Этот слой служит для реализации новых функций, размещения инновационных решений по разделению функций или использования различных модулей с передовыми технологиями. Трехслойный подход позволяет минимизировать размер пикселей сенсоров, сохраняя при этом оптические характеристики приборов. Более того, это обеспечивает прямую реализацию нейронный сетей и памяти, что позволяет встраивать искусственный интеллект (ИИ) непосредственно в сам датчик изображения.
Сочетание гибридного бондинга и высокоплотных сквозных кремниевых переходов (HD TSVs – high-density through-silicon vias) является крайне многообещающим для интеграции различных компонентов для сенсоров и формирователей изображений. Результаты разработки CEA-Leti в области кремниевых технологий, включающие гибридный бондинг пластина-к-пластине и HD TSV, с демонстрацией двухслойной и трехслойной интеграции, будут показаны ниже. Достигнутые результаты прокладывают путь к следующему поколению интеллектуальных устройств для формирования изображений (рис. 1).
Разработка TSV высокой
плотности 1 × 10 мкм
TSVs необходимы для 3D-интегральных схем, поскольку они обеспечивают плотные вертикальные соединения, которые уменьшают задержку и увеличивают пропускную способность. Как часть трехслойного датчика изображения, они создают условия для интеграции дополнительных функций, таких как ИИ для более продвинутых возможностей обработки непосредственно в датчике, повышая его общую производительность и универсальность. При создании HD TSV ожидалось плохое покрытие ступеней диэлектрическим слоем, предназначенным для изоляции металлических TSV
от окружающего кремния. Это ограничение было выявлено на базовом первом слое (1L) тестируемого устройства (TV – test vehicle). Используя всего лишь по одному уровню металлизации на каждой стороне утоненной пластины, установленной на носителе путем бондинга слоев оксид-оксид, удалось сформировать слой 1L TV и использовать его для получения характеристик HD TSV, независимо от сборки (рис. 2).
Изготовленное TV включало реализацию последовательно соединенных структур с шагом 2 мкм (рис. 3a), что дало 100%-ный выход по параметру проводимости у 10 000 HD TSV, продемонстрировав, что соединения как с передней, так и с задней линиями были выполнены без брака. Затем были использованы структуры с одним изолированным TSV (рис. 3б) для точного измерения электрического сопротивления одного TSV без вкладов от линий питания. Было получено медианное значение сопротивления менее 1 Ом с минимальным значением около 0,5 Ом. Однако на определенных структурах такого рода с плотной матрицей HD TSV (шаг 2 мкм) вокруг тестируемого устройства (DUT – device under tests) измерение сопротивления было нарушено, скорее всего, из-за утечки между фиктивными TSV. Поэтому часть тока, текущего от верхней линии к нижней, вероятно, проходила через фиктивные TSV вместо или в дополнение к протеканию через DUT.
Морфологические характеристики подтвердили, что контакт с верхней и нижней линиями был хорошим и что внутри медных цилиндров отсутствовали пустоты.
Совмещение между TSV и посадочными площадками (линия лицевой стороны) было исключительно хорошим (<50 нм).
Дополнительные поперечные СЭМ-фотографии также подтвердили, что изоляционный слой был недостаточно толстым, с высокой вероятностью разрывов вдоль боковых стенок из-за ограничений процесса осаждения диэлектрика. Рассмотрим результаты разработки различных TV.
Демонстрация двух-
и трехслойной интеграции
Был разработан трехслойный стек 3L TV, который включает в себя два гибридных интерфейса связи Cu-Cu лицом к лицу (F2F – face to face) и лицом к обратной стороне (F2B – face to back), причем один слой содержит HD TSV размером 1 × 10 мкм.
3L TV состоит из трех пластин диаметром 300 мм, каждая из которых образована из трех сложенных друг на друга уровней: уровень линии металлического слоя (MZ – metallization), уровень гибридного соединения (HBV – hybrid bonding via) и уровень гибридного металлического соединения (HBM – hybrid bonding metal). После гибридного соединения F2F первых двух пластин кремний верхней пластины утонялся до 10 мкм, чтобы обеспечить изготовление TSV в оставшемся тонком слое кремния. После добавления контактных площадок поверх TSV можно выполнить гибридное соединение F2B перед удалением кремния верхней пластины. Наконец, после осаждения и открытия пассивирующего слоя, формируются окончательные медные площадки.
Для данного типа 3D-интеграции основной проблемой является интеграция технологии формирования межсоединений TSV в процесс гибридного бондинга, чтобы обеспечить полный цикл F2B после изготовления TSV. Чтобы продемонстрировать осуществимость интеграции, сначала был разработан двухслойный 2L TV.
На рис. 4 представлено изображение поперечного сечения 2L TV, полученное с помощью СЭМ. Электрические испытания структур (1 × 10 мкм HD TSV) продемонстрировали хорошую электрическую связь (сопротивление близко к 1 Ом).
После того как была продемонстрирована возможность интеграции HD TSV, совместимых с этапом гибридного бондинга F2B, был отработан процесс производства 3L TV с тремя пластинами и двумя этапами гибридного бондинга. В ходе данного процесса была разработана техника 3D-сечения сфокусированным ионным пучком FIB-SEM, позволяющая получать изображения двух перпендикулярных поперечных сечений в одной области для одновременного анализа структуры в направлениях X и Y (рис. 5).
3D-сечение показывает хорошую связность между слоями и корректную интеграцию TSV. На структурах с числом полузвеньев от 12 до 6 480 (рис. 6) было получено среднее сопротивление около 2,5 Ом на модуль с очень низкой дисперсией для основных соединений (80% от общих соединений). Тем не менее, технологический процесс продолжает совершенствоваться с целью минимизации сопротивления полученной структуры. Далее было принято решение немного изменить конфигурацию структуры 3L TV, используя более короткие соединения TSV, чтобы изготавливать TSV 1 × 6 мкм вместо TSV 1 × 10 мкм. Более короткие TSV должны снизить сопротивление структуры 3L.
Разработка 1 × 6 мкм HD TSV
И внедрение в 2L TV
Проблема утечки между TSV была устранена путем уменьшения их аспектных соотношений. Для сохранения плотности диаметр оставили неизменным, а высоту TSV уменьшили на 40%, что снизило электрические потери.
Для этого сначала пришлось улучшить и оптимизировать процесс утонения, уменьшив TTV (Total Thickness Variation) до 1 мкм. Следовательно, появилась возможность перейти на геометрию TSV 1 × 6 мкм (включая верхний и нижний оксидные слои) вместо исходной 1 × 10 мкм. Данное уменьшение аспектного соотношения улучшило покрытие изоляционного вкладыша для каждого шага TSV и решило проблему утечки.
После успешных процессов создания 1 × 6 мкм HD TSV в 1L TV и их электрических и морфологических измерений (рис. 7) было принято решение по их внедрению в 2L TV, которое также оказалось успешным. Выход соединения в последовательных цепях оставался близким к 100%, подтверждая совместимость наших 1 × 6 мкм HD TSV с ограничениями гибридного бондинга. Электрическое сопротивление, измеренное на одиночных структурах, включая вклады от контактных площадок и переходных отверстий, соответствовало всем ожиданиям и расчетам, со средним значением 1,2 Ом. Наконец, измерения на СЭМ подтвердили, что морфология TSV и интерфейсы гибридного соединения после бондинга соответствуют всем предъявляемым требованиям (рис. 8).
Представленные в настоящей статье процессы и технологии закладывают основу будущих поколений интеллектуальных устройств для формирования изображений. Гибридный бондинг и HD TSV обеспечивают высокоплотные и низкоомные межсоединения, что в значительной степени будет способствовать прогрессу таких устройств. Будущее технологий микроэлектронных компонентов – это развитие многоуровневых стеков.
HD TSV формата 1 × 6 мкм от CEA-Leti продемонстрировали превосходные морфологические и электрические характеристики. Это стало возможным благодаря усовершенствованному процессу утонения, который уменьшил TTV до 1 мкм. Более короткая длина TSV привела к уменьшению электрического сопротивления и аспектного соотношения, что, в свою очередь, способствовало лучшему осаждению оксидного лайнера и, как следствие, улучшенной электроизоляции. В результате созданы предпосылки для серийного производства трехслойных интеллектуальных устройств для формирования изображений.
ЛИТЕРАТУРА
Borel S., Nicolas S. Achieving 3-layer stacking integration for future smart imagers // Chip Scale Review. 2024. July-August.
Д. Суханов
В статье описывается интеграция высокоплотных сквозных кремниевых переходов (HD TSV) и гибридного бондинга. Благодаря усовершенствованному процессу утонения и оптимизации геометрии удалось устранить дефекты изоляции и значительно улучшить морфологические и электрические характеристики TSV 1 × 6 мкм. Полученные результаты открывают путь к серийному производству трехслойных интеллектуальных устройств формирования изображений.
За последнее десятилетие уменьшение габаритов электронных компонентов привело к значительному росту их функциональности и производительности. Развитие технологий 3D-интеграции – вертикального наложения слоев облегчило объединение нескольких функций электронных устройств в ограниченном пространстве и позволило достичь повышения производительности при ограниченном энергопотреблении. Благодаря этому такие решения, как многоуровневая память, чиплеты и гетерогенная интеграция стремительно набирают обороты.
В последние годы датчики изображения на основе КМОП-структур явно лидируют в сфере 3D-интеграции.
Среди новых технологий в области восприятия изображений ключевой тенденцией является применение 3D-стеков. Уже сейчас двухслойные устройства формирования изображений, благодаря 3D-гибридному бондингу, обеспечивают значительно более высокую производительность по сравнению с традиционными (2D) решениями. Это достигается за счет объединения двух отдельно оптимизированных технологий: специализированной пиксельной технологии (низкий уровень шума, высокая динамика, высокая квантовая эффективность) и усовершенствованной аналоговой и цифровой КМОП-технологии (высокая плотность, низкое энергопотребление).
Трехслойная интеграция, являясь следующим этапом развития 3D-технологии, предполагает добавление еще одного слоя на кремниевой пластине. Этот слой служит для реализации новых функций, размещения инновационных решений по разделению функций или использования различных модулей с передовыми технологиями. Трехслойный подход позволяет минимизировать размер пикселей сенсоров, сохраняя при этом оптические характеристики приборов. Более того, это обеспечивает прямую реализацию нейронный сетей и памяти, что позволяет встраивать искусственный интеллект (ИИ) непосредственно в сам датчик изображения.
Сочетание гибридного бондинга и высокоплотных сквозных кремниевых переходов (HD TSVs – high-density through-silicon vias) является крайне многообещающим для интеграции различных компонентов для сенсоров и формирователей изображений. Результаты разработки CEA-Leti в области кремниевых технологий, включающие гибридный бондинг пластина-к-пластине и HD TSV, с демонстрацией двухслойной и трехслойной интеграции, будут показаны ниже. Достигнутые результаты прокладывают путь к следующему поколению интеллектуальных устройств для формирования изображений (рис. 1).
Разработка TSV высокой
плотности 1 × 10 мкм
TSVs необходимы для 3D-интегральных схем, поскольку они обеспечивают плотные вертикальные соединения, которые уменьшают задержку и увеличивают пропускную способность. Как часть трехслойного датчика изображения, они создают условия для интеграции дополнительных функций, таких как ИИ для более продвинутых возможностей обработки непосредственно в датчике, повышая его общую производительность и универсальность. При создании HD TSV ожидалось плохое покрытие ступеней диэлектрическим слоем, предназначенным для изоляции металлических TSV
от окружающего кремния. Это ограничение было выявлено на базовом первом слое (1L) тестируемого устройства (TV – test vehicle). Используя всего лишь по одному уровню металлизации на каждой стороне утоненной пластины, установленной на носителе путем бондинга слоев оксид-оксид, удалось сформировать слой 1L TV и использовать его для получения характеристик HD TSV, независимо от сборки (рис. 2).
Изготовленное TV включало реализацию последовательно соединенных структур с шагом 2 мкм (рис. 3a), что дало 100%-ный выход по параметру проводимости у 10 000 HD TSV, продемонстрировав, что соединения как с передней, так и с задней линиями были выполнены без брака. Затем были использованы структуры с одним изолированным TSV (рис. 3б) для точного измерения электрического сопротивления одного TSV без вкладов от линий питания. Было получено медианное значение сопротивления менее 1 Ом с минимальным значением около 0,5 Ом. Однако на определенных структурах такого рода с плотной матрицей HD TSV (шаг 2 мкм) вокруг тестируемого устройства (DUT – device under tests) измерение сопротивления было нарушено, скорее всего, из-за утечки между фиктивными TSV. Поэтому часть тока, текущего от верхней линии к нижней, вероятно, проходила через фиктивные TSV вместо или в дополнение к протеканию через DUT.
Морфологические характеристики подтвердили, что контакт с верхней и нижней линиями был хорошим и что внутри медных цилиндров отсутствовали пустоты.
Совмещение между TSV и посадочными площадками (линия лицевой стороны) было исключительно хорошим (<50 нм).
Дополнительные поперечные СЭМ-фотографии также подтвердили, что изоляционный слой был недостаточно толстым, с высокой вероятностью разрывов вдоль боковых стенок из-за ограничений процесса осаждения диэлектрика. Рассмотрим результаты разработки различных TV.
Демонстрация двух-
и трехслойной интеграции
Был разработан трехслойный стек 3L TV, который включает в себя два гибридных интерфейса связи Cu-Cu лицом к лицу (F2F – face to face) и лицом к обратной стороне (F2B – face to back), причем один слой содержит HD TSV размером 1 × 10 мкм.
3L TV состоит из трех пластин диаметром 300 мм, каждая из которых образована из трех сложенных друг на друга уровней: уровень линии металлического слоя (MZ – metallization), уровень гибридного соединения (HBV – hybrid bonding via) и уровень гибридного металлического соединения (HBM – hybrid bonding metal). После гибридного соединения F2F первых двух пластин кремний верхней пластины утонялся до 10 мкм, чтобы обеспечить изготовление TSV в оставшемся тонком слое кремния. После добавления контактных площадок поверх TSV можно выполнить гибридное соединение F2B перед удалением кремния верхней пластины. Наконец, после осаждения и открытия пассивирующего слоя, формируются окончательные медные площадки.
Для данного типа 3D-интеграции основной проблемой является интеграция технологии формирования межсоединений TSV в процесс гибридного бондинга, чтобы обеспечить полный цикл F2B после изготовления TSV. Чтобы продемонстрировать осуществимость интеграции, сначала был разработан двухслойный 2L TV.
На рис. 4 представлено изображение поперечного сечения 2L TV, полученное с помощью СЭМ. Электрические испытания структур (1 × 10 мкм HD TSV) продемонстрировали хорошую электрическую связь (сопротивление близко к 1 Ом).
После того как была продемонстрирована возможность интеграции HD TSV, совместимых с этапом гибридного бондинга F2B, был отработан процесс производства 3L TV с тремя пластинами и двумя этапами гибридного бондинга. В ходе данного процесса была разработана техника 3D-сечения сфокусированным ионным пучком FIB-SEM, позволяющая получать изображения двух перпендикулярных поперечных сечений в одной области для одновременного анализа структуры в направлениях X и Y (рис. 5).
3D-сечение показывает хорошую связность между слоями и корректную интеграцию TSV. На структурах с числом полузвеньев от 12 до 6 480 (рис. 6) было получено среднее сопротивление около 2,5 Ом на модуль с очень низкой дисперсией для основных соединений (80% от общих соединений). Тем не менее, технологический процесс продолжает совершенствоваться с целью минимизации сопротивления полученной структуры. Далее было принято решение немного изменить конфигурацию структуры 3L TV, используя более короткие соединения TSV, чтобы изготавливать TSV 1 × 6 мкм вместо TSV 1 × 10 мкм. Более короткие TSV должны снизить сопротивление структуры 3L.
Разработка 1 × 6 мкм HD TSV
И внедрение в 2L TV
Проблема утечки между TSV была устранена путем уменьшения их аспектных соотношений. Для сохранения плотности диаметр оставили неизменным, а высоту TSV уменьшили на 40%, что снизило электрические потери.
Для этого сначала пришлось улучшить и оптимизировать процесс утонения, уменьшив TTV (Total Thickness Variation) до 1 мкм. Следовательно, появилась возможность перейти на геометрию TSV 1 × 6 мкм (включая верхний и нижний оксидные слои) вместо исходной 1 × 10 мкм. Данное уменьшение аспектного соотношения улучшило покрытие изоляционного вкладыша для каждого шага TSV и решило проблему утечки.
После успешных процессов создания 1 × 6 мкм HD TSV в 1L TV и их электрических и морфологических измерений (рис. 7) было принято решение по их внедрению в 2L TV, которое также оказалось успешным. Выход соединения в последовательных цепях оставался близким к 100%, подтверждая совместимость наших 1 × 6 мкм HD TSV с ограничениями гибридного бондинга. Электрическое сопротивление, измеренное на одиночных структурах, включая вклады от контактных площадок и переходных отверстий, соответствовало всем ожиданиям и расчетам, со средним значением 1,2 Ом. Наконец, измерения на СЭМ подтвердили, что морфология TSV и интерфейсы гибридного соединения после бондинга соответствуют всем предъявляемым требованиям (рис. 8).
Представленные в настоящей статье процессы и технологии закладывают основу будущих поколений интеллектуальных устройств для формирования изображений. Гибридный бондинг и HD TSV обеспечивают высокоплотные и низкоомные межсоединения, что в значительной степени будет способствовать прогрессу таких устройств. Будущее технологий микроэлектронных компонентов – это развитие многоуровневых стеков.
HD TSV формата 1 × 6 мкм от CEA-Leti продемонстрировали превосходные морфологические и электрические характеристики. Это стало возможным благодаря усовершенствованному процессу утонения, который уменьшил TTV до 1 мкм. Более короткая длина TSV привела к уменьшению электрического сопротивления и аспектного соотношения, что, в свою очередь, способствовало лучшему осаждению оксидного лайнера и, как следствие, улучшенной электроизоляции. В результате созданы предпосылки для серийного производства трехслойных интеллектуальных устройств для формирования изображений.
ЛИТЕРАТУРА
Borel S., Nicolas S. Achieving 3-layer stacking integration for future smart imagers // Chip Scale Review. 2024. July-August.
Отзывы читателей
