Onderzoekers van imec hebben samen met de Oostenrijkse machinebouwer EV Group (EVG) een belangrijke doorbraak gerealiseerd in de ontwikkeling van geavanceerde 3D-chiparchitecturen. Tijdens de IEEE Electronic Components and Technology Conference (ECTC) presenteren beide partijen een wafer-to-wafer hybrid bonding-technologie met een interconnect pitch van slechts 200 nanometer én een recordnauwkeurige uitlijning van de verbindingen tussen twee wafers.
De ontwikkeling is van belang voor toekomstige generaties chips, waarin steeds meer functionaliteit niet langer naast elkaar op één chip wordt geplaatst, maar in meerdere lagen boven elkaar wordt gestapeld. Deze zogeheten 3D-integratie moet zorgen voor hogere prestaties, een lager energieverbruik en een verdere voortzetting van de schaalverkleining in de halfgeleiderindustrie.
Imec werkt hiervoor aan het zogenaamde CMOS 2.0-concept. Daarbij wordt een system-on-chip opgesplitst in verschillende functionele lagen, die vervolgens via extreem dichte verticale verbindingen weer met elkaar worden verbonden. Vooral voor toepassingen waarbij logische schakelingen of geheugens direct op elkaar worden gestapeld, zijn zeer kleine en nauwkeurige verbindingen noodzakelijk.
In het gepresenteerde onderzoek realiseerden imec en EVG een wafer-to-wafer hybrid bonding-proces met een verbindingafstand van 200 nanometer. Daarbij werd op een volledige 300 millimeter wafer een uitlijningsnauwkeurigheid bereikt van minder dan 40 nanometer tussen de koperen contactpunten. Volgens de onderzoekers is dit wereldwijd voor het eerst gelukt over alle chips op de volledige wafer.
Volgens Zsolt Tokei, programmadirecteur 3D System Integration bij imec, is het resultaat bereikt door optimalisatie van het volledige proces. Daarbij spelen onder meer een door imec ontwikkeld SiCN-diëlectricum, uiterst nauwkeurige chemisch-mechanische polijsttechnieken en verbeterde ontwerpen van de koperen contactpunten een belangrijke rol.
De nauwkeurige positionering werd mogelijk gemaakt door EVG’s meest geavanceerde waferbondingsysteem, de GEMINI FB. Een dergelijke precisie is essentieel om voldoende elektrische opbrengst en betrouwbaarheid te realiseren wanneer miljoenen verbindingen tussen twee chiplagen moeten worden gemaakt.
Imec en EVG willen de technologie verder ontwikkelen richting nog kleinere pitches dan 200 nanometer. Daarmee bereiden zij de weg voor naar toekomstige chiparchitecturen waarin logische schakelingen en geheugens steeds intensiever in drie dimensies worden geïntegreerd.
Paul Lindner, Executive Technology Director bij EV Group, benadrukt het belang van de langdurige samenwerking tussen beide organisaties. Volgens hem laat het resultaat zien hoe nauwe samenwerking tussen onderzoeksinstituten en machinebouwers kan bijdragen aan de ontwikkeling van de volgende generatie halfgeleidertechnologie.
De doorbraak onderstreept opnieuw de sleutelrol van hybrid bonding binnen de toekomstige chipindustrie. Naarmate traditionele schaalverkleining zijn grenzen bereikt, wordt 3D-integratie steeds belangrijker om de prestaties van chips verder te verhogen.
