隨著摩爾定律臨近極限，先進封裝已成為提升芯片性能的重要路徑之一。而近年來，三維IC和小芯片技術成為業界熱門話題，吸引了各大芯片廠商紛紛布局。在2022廣東省半導體產業技術峰會上，香港應用科技研究院（以下簡稱：香港應研院）高級總監史訓清博士作了三維集成及互聯主題報告，分享了三維集成及互聯技術的發展趨勢及技術挑戰，以及香港應研院在該技術上的研發情況。
香港應用科技研究院高級總監史訓清博士在線演講
史訓清表示，三維IC和小芯片技術是當前半導體領域最熱的話題。目前各大廠商為應對以5G、人工智能、自動駕駛以及元宇宙等應用的發展新機遇，更熱衷于通過先進的小芯片封裝技術，以加強其芯片計算能力及支持芯片異構集成，實現成本與性能的雙提升。不過，他認為，“目前很多所謂三維IC技術，嚴格來說仍然是2.5D，并不是3D的。真正的三維IC技術，應該是把MEMS、Memory、Logic放置在一個芯片上。”
“目前三維IC技術主要應用于跟高性能計算相關的CPU、GPU和NPU，可以把一些驅動芯片通過載板和第三代半導體器件，利用模組集成或被動的器件集成，再加上一些傳感器件，形成一個三維集成的小芯片系統。”史訓清表示。
史訓清表示，小芯片的三維互聯技術優勢主要體現在：一是可以大幅提高大型芯片的良率。通過小芯片設計，則可將超大型的芯片按照不同的功能模塊切割成獨立的小芯片，進行分開制造，這樣就可以有效改善良率，同時降低生產成本；二是可以降低設計的復雜度和設計成本；三是降低芯片制造的成本，將系統芯片進行小芯片設計之后，不同的芯粒可以根據需要來選擇合適的工藝，來分開制造，然后再通過先進封裝技術進行組裝，不需要全部都采用先進的工藝在一塊晶圓上進行一體化制造，這樣可以極大的降低芯片的制造成本；四是可以滿足多樣化市場需求，特別是滿足應用端對定制芯片的需求。
史訓清表示，TSV技術是三維互聯中的一個非常重要的技術。他介紹，TSV技術主要有深硅刻蝕形成微孔絕緣層/阻擋層/種子層的沉積、深孔填充、化學機械拋光、晶圓減薄、再分布線制備等工藝技術。
他特別提到，TSV微孔的填充技術是三維集成的關鍵技術，也是難度較大的一個環節，TSV填充效果直接關系到集成技術的可靠性和良率等問題，而高的可靠性和良率對于三維TSV堆疊集成實用化是至關重要的。他表示，微孔的填充會受到很多因素的影響，比如受到很多電化學高分子材料分子以及一些物理參數的影響。
怎么解決這個問題呢？史訓清表示，現在比較熱門的技術是用AI技術。他表示，香港應研院十幾年前就開始做這方面的嘗試，利用軟件做虛擬設計，需要從物理、化學、流體力學等各個層面做全面考慮，然后再回到基于材料的開發，選用高分子結構進行相關的結構合成，然后對工藝本身進行工藝仿真，進而找到最優化的工藝參數，最后形成無缺陷的填充。
另外，史訓清介紹，在基片減薄過程中保持良好的完整性，避免裂紋擴展是TSV工藝過程中的另一個難點。
他也介紹，針對三維互聯芯片技術，香港應研院正進一步開發相關的材料和工藝，既可以做垂直互聯，也可以做水平互聯，還可以做各種類的三維互聯，且開發出了自有知識產權的材料工藝，應用在不同的產品上，包括汽車MEMS、CIS，進而幫助一些企業開發三維的集成技術。
2022廣東省半導體產業技術峰會錄播
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