EV Group und Leti 1 µm Pitch – Durchbruch für 3D-IC-Fertigung

Querschnitt der 1 µm Pitch Kupfer-Kontakte auf einem 300 mm Waferpaar Das Foto wurde an einem Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope (FIB-SEM) aufgenommen
Querschnitt der 1-µm-Pitch-Kupfer-Kontakte auf einem 300 mm Waferpaar. Das Foto wurde an einem Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope (FIB-SEM) aufgenommen

Weltweit erstmals haben die EV Group und das Leti 300-mm-Wafer direkt so gebondet, dass die elektrischen Kontakte nur 1 µm voneinander entfernt sind.

Die Kupfer-Kontaktpads erreichen einen Durchmesser von 500 nm.

Das ist ein Durchbruch, wie Markus Wimplinger, Corporate Technology Development und IP Director der EV Group (EVG) erklärt: »Die 3D Integration verspricht höhere Packungsdichten und Bandbreiten sowie einen niedrigeren Stromverbrauch in einer Vielzahl von Anwendungen, von CMOS Bildsensoren und MEMS-Komponenten der nächsten Generation bis hin zur Hochleistungs-Datenverarbeitung.«

Das Wafer-to-Wafer Direct Hybrid Bonding – genauer gesagt das Kupfer/Oxid-Hybridbonden – ist der zentrale Prozess, um 3D-IC-Packages mit hoher Packungsdichte realisieren zu können. Den neunen Pitch-Rekord beim hybriden Kupfer-Bonden mit der bisher unerreichten Wafer-to-Wafer-Overlay-Genauigkeit hat das Leti in den eigenen Rainräumen mit Hilfe des vollautomatischen Fusions-Waferbonder des Typs GEMINI FB XT von EVG demonstriert. Die Entwicklung fand im Rahmen des IRT Nanoelec Programms unter Führung des CEA statt. Im Februar 2016 war  EVG dem 3D Integration Consortiums von IRT Nanoelec beigetreten.   

Wafer Bonding - der grundlegende Prozess für das 3D-Stacking

Das vertikale Stapeln von Halbleiterbausteinen hat sich zu einem immer erfolgversprechenderen Ansatz entwickelt, um weitere Steigerungen bei der Packungsdichte und Leistung zu ermöglichen. Das Wafer-to-Wafer-Bonden ist dabei ein wesentlicher Prozessschritt, um ICs dreidimensional übereinander zu stapeln und zu verbinden. Dazu muss eine hohe Alignment- und Overlay-Präzision zwischen den Wafern erreicht werden. Nur so lassen sich gute elektrische Kontakte innerhalb der miteinander verbundenen Komponenten auf den gebondeten Wafern herstellen. Gleichzeitig soll die Kontaktfläche an der Bondschnittstelle minimiert werden, um auf dem Wafer mehr Platz für die ICs selber zu schaffen.

Um die Vorgaben der Roadmap einhalten zu können, die immer kleinere Abstände zwischen den Kupferkontakten vorsehen, muss sich die Genauigkeit beim Wafer-to-Wafer Bonden in jeder Produktgeneration weiter verbessern.

195 nm Overlay-Alignmentgenauigkeit bei 300-mm-Wafern

In der Demonstration von Leti wurden die oberen und unteren 300 mm Wafer auf dem automatischen GEMINI FB XT Produktionsbonder direkt gebondet. In diesem System ist EVGs proprietärer SmartView NT Face-to-Face Aligner und ein Alignment Verification Modul integriert, das direkt im System Infrarot Alignment-Messungen nach dem Bondschritt erlaubt. Das System erreichte generell eine Overlay-Alignmentgenauigkeit von unter 195 nm (3 Sigma), wobei die mittleren Alignment-Werte im Bereich sogar unter 15 nm lagen. Post-Bake Acoustic Microscopy Scans des gesamten, gebondeten 300 mm Wafer-Stapels sowie einzelner Dies bestätigten die Defekt-Freiheit des Bond-Interfaces bei Pitches zwischen 1 und 4 µm.

»Unseres Wissens nach wurden bis heute keine Ergebnisse präsentiert, die die Machbarkeit von Kupfer-Hybridbonds mit Pitch-Werten unter 1,5 µm zeigen. Die aktuelle Demonstration stellt einen echten Durchbruch und einen wichtigen Schritt dar, um 3D Chip Stacking mit hoher Packungsdichte zu ermöglichen und am Ende auch kommerziell zu nutzen«, sagt Frank Fournel, Head of Bonding Process Engineering bei CEA Leti.

Basierend auf EVGs XT Frame Plattform und einem Equipment Front-End Modul (EFEM) ist der automatische Produktions-Fusionsbonder GEMINI FB XT für hohen Durchsatz- und Produktivitätswerte optimiert. Der in das System integrierte SmartView NT Aligner erreicht die industrieweit führende Wafer-to-Wafer Overlay Alignmentgenauigkeit von von unter 200 nm (3 Sigma).

Darüber hinaus kann das System bis zu 6 Module für vor- und nachgelagerte Prozesse wie der Oberflächenvorbereitung und Konditionierung sowie Metrologie aufnehmen. Dazu zählen Waferreinigung, Plasma-Aktivierung, Alignment-Verifizierung, Debonden (um vor-gebondete Wafer bei Bedarf automatisch wieder trennen und neu prozessieren zu können) sowie Thermo-Kompressionsbonden.

Die Ergebnisse wurden in einem Paper mit dem Titel »1 µm Pitch Direct Hybrid Bonding with <300nm Wafer-to-wafer Overlay Accuracy« zusammengefasst, bei dem CEA Leti als Mitautor fungierte und das auf der IEEE S3S Conference 2017 präsentiert wurde.