芯片三维集成的“风口”之下，金刚石凭啥备受瞩目？

12月5-7日，由DT新材料主办的第八届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2024）将在上海新国际博览中心隆重举办。同期针对半导体与加工主题特设4大论坛，宽禁带半导体及创新应用论坛、超硬材料与超精密加工论坛、金刚石前沿应用与产业发展论坛、培育钻石论坛，已邀请国内外知名专家和企业莅临交流，欢迎报名。

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李蕊  13373875075

芯片技术作为现代科技发展的核心驱动力，其制程工艺逼近物理极限，使得芯片三维异质集成来延续和拓展摩尔定律的重要性日趋凸显。芯片三维互连技术及异质集成能够将不同功能芯片在三维方向整合，提升芯片性能，为众多领域提供高性能解决方案。在众多技术探索中，金刚石因其卓越特性成为芯片技术发展的新希望。

   芯片三维互连技术

通过垂直方向上的TSV/TGV技术与水平方向上的RDL技术的配合，对芯片进行三维互连，可将不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet异质集成到1个封装体中。

三维异质集成及互连结构  图源：论文

1、TSV技术：垂直互连的关键

TSV主要用于垂直方向信号连接，Cu-TSV 应用广泛。其制造工艺包含深孔刻蚀、绝缘层及种子层形成、Cu填充和多余Cu去除等步骤。当前TSV直径约10μm，深宽比约10∶1，未来有望缩小至直径1μm、深宽比20∶1。然而，小尺寸TSV加工面临绝缘层和种子层均匀性及Cu填充难题，相关工艺和材料特性研究有待深入。

2、TGV技术：低成本高潜力替代方案

TGV是TSV的低成本替代，具有高频特性好、工艺流程简单等优势，在射频、光电和 MEMS器件封装领域前景广阔。其工艺流程包括盲孔制备、种子层沉积和电镀填充。激光诱导湿法刻蚀是常用成孔方法，但存在侧壁垂直度差、深宽比小等问题，且 TGV电镀填充方式与TSV不同，相关理论研究缺乏。

3、RDL技术：水平互连的核心

RDL实现芯片水平方向互连，通过晶圆级金属布线工艺改变I/O焊盘位置和排列。目前高密度RDL线宽/线间距约6μm，微孔直径20μm，但为提高I/O密度，需发展 1μm线宽/线间距和更小直径微孔的RDL。实现高密度RDL面临光刻、微孔加工、低介电常数材料和工艺选择等关键问题。

   异质集成方案

1、基于TSV及RDL的异质集成方案

晶圆级封装：TSV用于传感器封装可减小尺寸、提高生产效率，硅基埋入扇出技术实现了芯片三维堆叠封装，不同系统或功能芯片可集成在一个芯片中。

2016年，华天科技有限公司开发出硅基埋入扇出（eSiFO）技术，使用硅片作为载体，将芯片置于在12英寸硅晶圆上制作的高精度凹槽内，重构出1个晶圆；然后采用可光刻聚合物材料填充芯片和晶圆之间的间隙，在芯片和硅片表面形成扇出的钝化平面；再通过光刻打开钝化层开口，并采用晶圆级工艺进行布线和互连封装。

2.5D TSV转接板异质集成：2.5D TSV转接板解决有机基板布线问题，实现多芯片高密度连接，台积电CoWoS技术具代表性，已广泛应用于高性能计算领域。

2011年，台积电该技术通过芯片到晶圆工艺将芯片连接至硅转接板上，再把堆叠芯片与基板连接，实现芯片－转接板－基板的三维封装结构。该技术采用前道工艺在转接板上制作高密度的互连线，通过转接板完成多个芯片的互连，可以大幅提高系统集成密度，降低封装厚度。

 典型2.5DTSV转接板异质集成结构  图源：论文

三维异质集成：基于TSV和微凸点的3D集成技术用于存储芯片，后拓展到逻辑芯片堆叠，英特尔和三星推出相关技术并实现量产。

2019年，英特尔推出基于TSV和微凸点的新型3D集成技术Foveros，该技术能够实现逻辑芯片的面对面堆叠，首次将芯片堆叠从传统的无源中介层和内存等扩展到高性能逻辑芯片。

无凸点混合键合三维异质集成：无凸点Cu/绝缘层混合键合解决微凸点微型化瓶颈，台积电SoIC技术实现超高密度垂直互连，但面临设计规则、平整度等挑战。

2015 年，索尼获得Ziptronix 公司的混合键合技术授权，首次推出了基于无凸点混合键合的高性能图像传感器产品。半导体业界逐渐意识到混合键合将成为突破微凸点微型化瓶颈的有效途径。

2、基于玻璃基板的异质集成方案

玻璃基三维异质集成结构  图源：论文

TGV及RDL异质集成：玻璃基板在传输性能、布线和成本上具优势，基于TGV及 RDL的异质集成方案已用于多种芯片封装，但玻璃散热差，需改进散热设计。

埋入玻璃式扇出型异质集成：佐治亚理工学院和本文作者团队开发的相关技术实现逻辑和存储芯片集成，在电源、超声换能器和毫米波雷达芯片封装中获应用，提升芯片性能和集成度。

   金刚石在三维互连技术及异质集成中的应用

金刚石/铜复合材料：通过在金刚石颗粒上设计双层结构，采用真空热压法制备了高致密度、良好热性能的金刚石/铜复合材料，改善了金刚石与铜基体之间的界面结合，获得了高达721W/（m∙K）的热导率。

金刚石与硅基半导体的集成：华为通过Cu/SiO₂混合键合技术将硅基与金刚石衬底材料进行三维集成，利用金刚石的高散热性为三维集成的硅基器件提供散热通道，提高器件的可靠性。

厚膜氮化镓与多晶金刚石异质集成：中国科学院微电子研究所采用动态入射角度的等离子体抛光技术和原位硅纳米层沉积辅助的离子束表面活化键合方法，实现了厚膜GaN与多晶金刚石的异质集成，键合率达~92.4%。

金刚石半导体芯片研发：Diamond Foundry培育全球首个单晶金刚石晶圆，旨在解决人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子器件和无线通信芯片的热挑战。

   总结

芯片三维互连和异质集成技术发展迅速，多种技术方案已应用或具应用潜力，但仍面临诸多挑战。金刚石的引入为芯片技术带来新机遇，国内外研究和应用展示其在提升芯片性能和功能方面的巨大潜力。未来，期待金刚石在芯片领域的深入研究和广泛应用，推动芯片技术实现新突破，为科技发展注入新动力。

以上内容部分来源于论文DOI：10.16257/j.cnki.1681-1070.2023.0041

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