【揭秘】HBM背后的先进封装技术！

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高性能AI对HBM的需求对晶圆厂设备市场产生了影响。HBM在2023年仅占DRAM产量的一小部分，但预计未来几年将以50%的复合年增长率增长。这有助于推动对DRAM晶圆处理设备和创建HBM堆栈所需相关功能的需求。应用材料公司是该领域领先的工艺设备制造商，拥有广泛的技术支持，可用于领先的DRAM和3D封装。

领导力

支撑HBM的主要组件是领先的DRAM芯片。目前，HBM堆栈包含多达8个DRAM芯片，芯片制造商计划在不久的将来增加到12个甚至更多。在过去的十年中，应用材料进行了战略投资，以建立和巩固其作为DRAM处理设备行业领先供应商的地位。

2023年，应用材料的DRAM份额比十年前高出10个百分点以上，DRAM收入超过了两个最接近的工艺设备同行的总和。该公司在HBM封装工艺设备支出中所占的份额目前超过50%。

应用材料已经部署了一些为逻辑到DRAM开发的创新，以实现更好的密度缩放、显著提高性能和功率效率。例如，存储器制造商最近跟随逻辑芯片制造商采用的HKMG（high-k metal gate）晶体管技术，该技术使用外来材料来提高栅极电容并减少泄漏。DRAM中的这种材料变化是通过多种应用沉积技术实现的，这些技术有助于形成复杂而精致的HKMG材料堆栈和微调晶体管性能。该公司已经在其它DRAM处理步骤中部署了类似的创新，包括一种新的low-k介电材料，以克服互连电阻的挑战，以及一种共同优化的CVD硬掩膜材料和蚀刻系统，以加速电容器缩放。

虽然DRAM芯片的创新很重要，但HBM背后的密度和带宽是通过先进的3D封装实现的。在制造传统DRAM所需的大约700个工艺步骤中，HBM制造流程增加了大约19个材料工程步骤——而应用材料公司的设备可提供其中大约75%的步骤。

HBM DRAM的一个关键成分是TSV(through-silicon vias)——用于电连接堆叠芯片的垂直导线。应用材料是TSV开发的早期先驱。近15年前，该公司成为欧洲研究机构imec的重要合作伙伴，制定了业界首个TSV工艺流程和集成方案。这次合作促成了今天HBM中使用的TSV标准。

自这一里程碑以来，应用材料已经为TSV和其他HBM封装步骤开发了几个额外、独特的解决方案。这些技术充分利用了该公司在芯片互连布线方面的深厚能力，利用几种前端晶圆处理设备技术来增强构建HBM堆栈所需的后端封装步骤。该公司预计其HBM封装收入将在2024财年增长达到6倍，收入增长到6亿美元以上。

广泛的封装组合

如前所述，HBM需要大约19个增量材料工程步骤。在晶圆的正面，需要10个HBM步骤来创建正面互连柱和TSV，这是通过在硅上蚀刻沟槽然后填充绝缘衬垫和金属线形成的。在正面晶圆加工完成后，晶圆被翻转进行背面加工，另外需要9个材料工程步骤来显示TSV并创建背面互连柱。

TSV的主要技术挑战来自于需要在观察低热预算的同时创建和布线高纵横比的沟槽。为了满足对更高HBM内存容量和数据带宽的需求，业界将过渡到具有两倍TSV数量的新一代设备。随着TSV变得越来越窄，沉积均匀性变化变得越来越成问题，从而降低了性能和良率。

应用材料开发了电介质和金属沉积技术，可实现更高纵横比的TSV，并在通槽内提供更好的覆盖范围。其Producer InVia 2 CVD系统采用了一种合适的工艺，可以在低温下沉积均匀的介电衬里，并精确地遵循通孔侧壁的几何形状。同样，Endura Ventura 2 PVD系统增加了对金属沉积的控制，以确保屏障种子层的良好覆盖，从而提供更高的电气性能和可靠性。

除了TSV外，微碰撞柱对HBM堆的电学和热学性能也至关重要。虽然在减小微凸点的尺寸和间距方面已经有了重大的创新，但随着这些凸点及其相应的键垫尺寸的缩小，接触电阻呈指数级增长。该公司独特的Volaris预清洁技术与业界领先的凸点下金属化PVD相结合，有助于降低接触电阻和寄生功率，同时提高凸点的可靠性。

HBM加工的另一个日益增长的挑战是非常薄的模具堆积，这可能受到模具翘曲和弯曲的阻碍。应用材料Producer Avila PECVD系统在低温下在晶圆背面沉积一层薄的介电薄膜，允许芯片制造商通过调节薄膜的应力来控制翘曲。

未来HBM路线图

人工智能计算的不断进步将需要HBM技术的持续创新。为了实现更高的密度连接和更低的延迟，下一代HBM TSV预计将从目前的5um直径标准缩小到3um及以下，从而实现更高的宽高比。通过展示各种TSV尺寸的电气性能，应用材料公司证明了其工具集可以扩展到缩小尺寸和更极端的长宽比。

这些路线图演示充分利用了该公司位于新加坡的先进封装开发中心的独特能力，该中心是世界上最先进的晶圆级封装实验室之一，拥有最先进的洁净室。它拥有业内唯一的集成TSV和微碰撞生产线，生产线拥有近100种工具，可以与客户合作运行测试车辆。该中心是与新加坡科学技术研究局(a *STAR)的领先研发机构微电子研究所(IME)建立的联合实验室合作伙伴关系。

凭借这些深厚的研发能力和最广泛的HBM处理设备组合，应用材料公司有能力帮助芯片制造商解决HBM集成流程中的独特挑战，并继续推动未来的发展路线图。