王喬彥、黃元九、許穆平、陳冠能 / 陽明交通大學電子研究所
隨著電晶體微縮的進展，更高效能與更小尺寸的元件需求逐漸提升；此外，為了因應人工智慧等具高速運算需求之應用，在先進封裝技術中透過垂直堆疊達成的異質整合，能夠有效達成上述目標，因此在後摩爾時代中獲得重視。其中，混合接合技術因其在縮小接點間距和提高I/O密度方面展現出卓越性能，成功突破傳統封裝技術的限制，為電子產品及元件提供了更高的性能和更低的功耗，因此在三維積體電路中被視為前瞻性的技術。為了實現低溫的銅對銅接合，數種先進技術被開發並應用至銅導線的製程上。其中，鈍化層覆蓋於銅的新穎技術，已被成功驗證能展現優異的低溫銅對銅接合表現，因此在後續量產上具備相當的潛力，有望在低熱預算的製程中，達成優異的接合表現，進而提升封裝性能。
【內文精選】
先進封裝與3D IC關鍵技術及目前發展趨勢
先進封裝透過新穎封裝製程與結構設計，能將多個晶片整合在同一系統中，並涵蓋2D至3D的系統架構。先進封裝的其中一項關鍵技術是使用矽穿孔(Through Silicon Via; TSV)結構，以垂直方向連接晶片與元件，達成占地面積減少的目標，同時提升I/O數目，並降低訊號延遲與功耗，使整體性能上升。透過搭配如矽中介層(Si Interposer)、微凸塊(Microbump)、重佈線層(Redistribution Layer)等結構的組合與設計，已完成不同的先進封裝結構。
其他的關鍵技術則依照測試與封裝需求而不同，包含晶圓薄化(Wafer Thinning)、晶背研磨(Wafer Back Grinding)、晶圓承載(Wafer Handling)、暫時性接合(Temporally Bonding)、載板移除(Carrier Removal)與模壓成型(Molding)等步驟，並於每一步驟後需檢查總厚度變異量(Total Thickness Variation; TTV)與晶圓翹曲(Warpage)等參數。
混合接合技術介紹
1. 接合技術介紹
(3) 高分子接合
高分子接合(又稱Adhesive Bonding)是使用如環氧樹脂(Epoxy)、聚醯亞胺(Polyimide; PI)或其他感光性高分子等材料進行接合的技術。其原理主要是利用高分子受熱後的交聯現象(Crosslinking)來完成反應，因此需要採用固化製程(Curing)來提升材料的強度。較高的固化溫度(Curing Temperature)會提高製程熱預算，因此透過選取合適固化溫度的材料，有望達成低溫接合的目標。
由於高分子的質地較金屬與氧化物柔軟，因此在接合難度上較低，容易達成低溫接合，且對於表面的潔淨度容忍度也較高。此外，相較於氧化物，高分子接合對於表面的平整度較不敏感，因此在進行接合前不一定要進行表面平坦化製程，可降低成本，提升製程的彈性。並且相較於使用氣相沉積法製備的氧化物，高分子材料通常採用旋轉塗佈的方式，可在大氣環境下完成，因此設備簡單且製程快速，成本也相對較低。同時由於高分子材料的楊式模數(Young’s Modulus)較低，因此能在接合過程中吸收應力，有效減緩界面的熱應力與機械應力。此外，因為高分子材料具備能在高溫下分解的特點，因此適合應用在暫時性接合的技術中，並可搭配不同的解膠技術與研磨、蝕刻等程序，實現優異的晶圓轉移與垂直堆疊能力(圖二)。因此高分子接合技術在3D IC中，能展現出多種優勢，具備研發與量產的潛力。
圖二、透過高分子接合所實現之多層RDL堆疊結構流程圖
4. 混合接合結構製程介紹
混合接合是將金屬沉積於介電材料之間，並透過接合方式完成晶片的堆疊。銅金屬是最常見的材料，而電鍍製程由於具備快速、低真空需求、設備簡單、填孔能力佳等特性，因此被廣泛應用於半導體產業中。混合接合製程是先在基板上沉積介電材料，再使用微影製程定義電路結構；之後對介電層進行蝕刻，透過物理氣相沉積法或電鍍銅製程，進行金屬線路的製備；後續搭配化學機械研磨製程，實現高平整度之表面；再依據目標的不同，採用直接接合或熱壓接合的方式，完成接合實驗。
5. 混合接合目前應用
索尼半導體製造公司(Sony Semiconductor Solutions Corporation)率先採用混合接合製程，將其應用在背照式CMOS影像感測器(Back-illuminated CMOS Image Sensors; BI-CIS)的系統中，成功使用直接接合的方式，將CMOS影像感測器(CMOS Image Sensors; CIS)與影像訊號處理器(Image Signal Processor; ISP)進行接合(圖六)。透過堆疊式BI-CIS架構重建影像，並正式將該製程投入到量產製造中，奠定混合接合技術在先進封裝中的重要性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、藉由混合接合技術完成CMOS影像感測器之堆疊結構
★本文節錄自《工業材料雜誌》454期，更多資料請見下方附檔。