HBM制造的核心壁垒在于晶圆级先进封装工艺
思瀚产业研究院    2024-11-22

1、HBM制造中TSV成本占比最高，直接决定良率

HBM制造主要包括TSV（硅通孔）、micro bumping（微凸点制作）和堆叠键合。我们假设HBM毛利率为50%左右，2024年HBM生产各环节合计市场空间预计约为92亿美元。根据3D InCites，以4层DRAM存储芯片与一层逻辑芯片堆叠为例，在99.5%的封装良率下，TSV生产、TSV显露、晶圆凸点、组装（采用TC-NCF法）在总成本中的占比分别为18%、12%、3%、15%，其中TSV环节成本包括TSV创建和TSV显露，合计占比达30%，约为27.6亿美元。TSV环节作为成本的重要组成项，直接影响了产品的良率。

1.1 HBM生产核心在于先进封装工艺

HBM生产的核心难点在于晶圆级先进封装技术，主要包括TSV、micro bumping和堆叠键合。HBM首先使用TSV技术、microbumping技术在晶圆层面上完成通孔和凸点，再通过TC-NCF、MR-MUF、Hybrid Bonding工艺完成堆叠键合，然后连接至logic die，封测公司采用cowos工艺将HBM、SoC通过interposer硅中介层形成互通，最终连接至基板。

1.2 TSV工艺相较传统互联方式优势明显

◼ TSV本质是一种垂直互联方式。TSV （硅通孔技术）是通过垂直堆叠芯片、垂直连接各层来实现信号传输的最新互连方案。为了实现信号的传输，在通孔的中心填充导电性良好的金属来实现互连。

TSV相较于传统互连方式更有优势。传统方式是采取金属布线和引线键合技术相结合的方式实现互连封装，其信号传输距离长，信号损耗大，降低了通道和电路的可靠性。同时，平面层内互连布线复杂，容易导致信号和某些器件之间相互干扰。

此外，平面布线也占用了芯片一定的使用面积。相较于传统方式，TSV采用垂直互联方式，其优势在于进一步提高了芯片的集成度，避免了空间的闲置和浪费，从而提高了芯片的堆叠密度。同时，由于是垂直空间互连，信号的传输效率和可靠性大大提高。硅通孔的应用使芯片的集成化、小型化和低功耗成为可能。

1.3TSV工艺分为五步

TSV 制造的主要工艺流程依次为：

（1）硅通孔制造深反应离子刻蚀（DRIE）法行成通孔；

（2）绝缘层制备使用化学沉积的方法沉积制作绝缘层；

（3）阻挡层和种子层制备使用物理气相沉积的方法沉积制作阻挡层和种子层；

（4）电镀填充选择一种电镀方法在盲孔中进行铜填充；

（5）抛光使用化学和机械抛光（CMP）法去除多余的铜。而一旦完成了铜填充，则需要对晶圆进行减薄；最后是进行晶圆键合。

1.4 TSV工艺：硅通孔制造

（1）硅通孔制造

采用深反应离子刻蚀法行成通孔：目前，TSV的刻蚀方法主要包括深反应离子刻蚀（DRIE）和激光刻蚀。DRIE也称“Bosch”刻蚀，由Bosch公司首次提出，Bosch工艺通过交替进行刻蚀和保护步骤来改善TSV的各向异性，保证TSV通孔的垂直度，从而形成硅通孔。具体而言，DRIE以其出色的制高深宽比孔能力而闻名。它可以实现大于20:1的深宽比，这对于制造深而窄的通孔非常重要，另外DRIE的各向异性蚀刻工艺使其能够有效地蚀刻纵向深度，同时保持较小的横向宽度。

供应商：国外：刻蚀设备主要由美国应用材料、泛林半导体占据；气体包括液化空气集团、默克、林德等国内：中微公司、北方华创等推出的等离子刻蚀机，可实现一定程度的高深宽比刻蚀

1.5 TSV工艺：绝缘层制备

（2）绝缘层制备

使用化学沉积的方法沉积制作绝缘层：TSV孔内的绝缘层用于将硅衬底与孔内的传输通道隔离，有效降低了信号从导电金属泄露至硅衬底所造成的信号畸变和串扰。侧壁隔离层的质量成为主要关注点，绝缘层失效可能导致漏电或其他可靠性问题，直接影响硅基器件的良率。介质层沉积的方法主要有高温热氧化、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，其中CVD包括等离子增强化学气相沉积(PECVD)和亚大气压化学气相沉积(SACVD)。

供应商：国外：KLA（SPTS）、应用材料等国内：拓荆科技等

1.6 TSV工艺：阻挡层和种子层制备

（3）阻挡层和种子层制备

使用物理气相沉积的方法沉积制作阻挡层和种子层：在TSV的制作工艺中，一般采用铜作为TSV通孔内部的金属互连材料。然而铜在互连线中的应用面临一些挑战。铜在二氧化硅介质中的扩散速度很快，容易导致绝缘层介电性能的严重劣化，甚至导致器件在低温下性能劣化。因此，在电镀铜填充TSV通孔之前，需要制备阻挡层，阻止铜迁移到硅衬底，从而使铜能够应用于集成电路中。

由于阻挡层上铜的导电性低、成核行为差，且阻挡层材料延展性较差，通常需要在沉积阻挡层后再沉积铜种子层才能进行铜电镀，帮助导电。通常，钴、氮化硅钽、钛、氮化钛、氮化硅和氮化钨被用作阻挡层，钛被用作种子层。

供应商：国外：KLA（SPTS）等国内：北方华创等

1.7 TSV工艺：电镀填充

（4）电镀填充

选择电镀法在盲孔中进行铜填充：目前，硅通孔中心导体填充的金属材料主要有铜和钨。铜由于导电性能优异，能与现行工艺很好地结合，一般采用电镀填充铜。目前，TSV电镀填铜主要采用硫酸铜工艺体系。电镀液的绝大部分成分为硫酸、铜离子、氯离子、促进剂、抑制剂、整平剂六种。理想的填充工艺为自下而上的沉积工艺，即在镀铜液中合理配比抑制剂、促进剂等不同添加剂，可达到“在孔内加速，在孔外抑制”的效果，从而得到电阻率低、无空洞、可靠性高的硅通孔结构。硅通孔电镀铜工艺目前主要有大马士革电镀和掩模电镀两种。

供应商：国外：设备包括德国安美特、东京电子、Ebara、应用材料、泛林集团等；电镀液包括陶氏化学、乐思化学、上村、安美特、罗门哈斯等国内：设备包括盛美上海等；电镀液包括上海新阳、天承科技等

1.8 TSV工艺：抛光

（5）抛光

使用化学和机械抛光（CMP）法去除多余的铜：TSV工艺中引入了 CMP 技术，用于去除硅表面的SiO2电介质层、阻挡层和种子层。CMP工艺会将电镀产生的多余铜从表面去除，需要快速的铜去除速度和高的一致性。其次，为了去除阻挡层，抛光液必须具有速度选择性并使缺陷最小化。最后，必须对氧化层进行抛光。在CMP过程中，当铜表面的氧化物被去除后，抛光液的化学成分会氧化新暴露的金属表面，然后对其进行机械研磨，直到多余的铜金属全部消失。

供应商：

国外：设备包括应用材料、Ebara等；抛光垫、抛光液包括陶氏、FujiFilm、卡博特等。

国内：设备包括华海清科、特思迪等；抛光垫、抛光液包括鼎龙股份、安集科技等。

HBM主要采用micro bumping工艺制备微凸点

晶圆微凸点是先进封装中的关键基础技术之一。其主要作用是电信号互连及机械支撑，目前绝大部分先进封装均需要用到晶圆微凸点技术，而凸点的制备则是微凸点技术最为关键的环节。

HBM采用电镀法制备微凸点。凸点制备方法有蒸发溅射法、电镀法、化学镀法、机械打球法、焊膏印刷法和植球法等。目前HBM的DRAM芯片之间主要通过micro bump（微凸点）互联，micro bump是电镀形成的铜柱凸点。

micro bumping工艺分为四步

凸点制作流程涉及前道工艺，其主要步骤包括：

（1）溅射形成凸点下金属层（UBM）；

（2）由于要确保凸点拥有足够的高度，因此需选用能在晶圆上厚涂的光刻胶，并利用其形成掩膜；

（3）铜电镀形成凸点，电镀完成后，光刻胶随即被去除，并采用金属刻蚀工艺去除凸点之外的UBM；

（4）通过晶圆级回流焊设备将这些凸点制成球形。这里采用的焊接凸点回流焊工艺可以最大限度减少各凸点的高度差，降低焊接凸点表面的粗糙度，同时去除焊料中自带的氧化物，进而保障在键合过程中增加键合强度。

2、 主流厂商堆叠键合工艺技术路径仍有分化

堆叠键合工艺包括TC-NCF、MR-MUF和混合键合工艺，目前海力士采用MR-MUF工艺，三星和美光采用TC-NCF工艺，由于不同工艺对层数和高度上限不同，未来三家逐步走向混合键合工艺，可在一定高度内实现更多的层数。

TC-NCF（Thermo Compression – Non-Conductive Film，非导电薄膜）：对HBM产品中每层垂直堆叠芯片分别进行加热和互联，具体步骤是使用非导电薄膜（NCF）填充DRAM die微凸点侧的微凸点间空隙，再使用热压键合连接两层die。

MR-MUF（Mass reflow molded underfill，批量回流模制底部填充）：对HBM产品中所有的垂直堆叠芯片同时进行加热和互联，具体步骤是将多个芯片放置在下层基板上，通过回流焊一次性粘合，并用模塑料填充间隙。

3、MR-MUF工艺仍在进一步升级

先进MR-MUF：海力士开发的先进MR-MUF即新一代MR-MUF技术，具备翘曲控制特性，可实现无翘曲堆叠，且芯片厚度比传统芯片薄40%，并通过新型保护材料提高了散热性能。

4、混合键合是理想的下一代技术

混合键合（Hybrid Bonding）：在堆叠芯片时，使芯片间不需要凸点而直接连接的技术。通过此技术，可减少芯片整体厚度，以实现高层堆叠。SK海力士目前在探讨将该技术应用于16层以上HBM产品的必要性。同时，公司也在考虑采用先进MRMUF技术和混合键合技术相结合的方式。

5、HBM对检测和量测设备需求提升

应用于前道制程和先进封装的质量控制工艺可细分为检测和量测两大环节，分别对应检测设备和量测设备。检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷；量测指对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。根据检测类型的不同，半导体质量控制设备可分为检测设备和量测设备。

由于HBM的产品结构更加精细化，生产流程更加复杂化，对质量控制设备的需求倍增。HBM由于是在晶圆层面上进行多层堆叠，制作工艺难度较大，同时多次重复堆叠也使得原本工艺流程次数成倍增加，因此为了确保良率维持较好水平，HBM生产对生产工艺控制提出了更高的要求，量检测设备需求也相应地成倍增加。

6、HBM量检测全球市场空间76.5亿美元

2020年全球半导体量检测设备市场规模为76.5亿美元，其中中国大陆市场规模为21.0亿美元。全球半导体检测和量测设备市场规模高速增长，根据VLSI Research统计，2016年至2020年全球半导体检测与量测设备市场规模的年均复合增长率为12.6%，2020年全球市场规模达到76.5亿美元，同比增长20.1%，其中中国大陆半导体检测与量测设备的市场规模为21.0亿美元，同比增长24.3%。根据VLSI Research统计，2020年全球半导体检测和量测设备市场中检测设备占比为62.6%，量测设备占比为33.5%。

7、HBM量检测市场仍由海外设备企业主导，国产替代空间大

全球和中国大陆半导体检测和量测设备市场均由国外设备企业垄断，国产化空间较大。全球范围内主要检测和量测设备企业包括科磊半导体、应用材料、日立等。根据VLSI Research，科磊半导体一家独大，2020年其在量检测设备市场份额占比为50.8%，全球前五大公司合计市场份额占比超过了82.4%，均来自美国和日本，市场集中度较高。

在中国半导体检测与量测设备市场中，设备的国产化率较低，市场主要由几家垄断全球市场的国外企业占据主导地位，其中科磊半导体在中国市场的占比仍然最高，领先于所有国内外检测和量测设备公司，但国内也正在涌现一批有限的量检测企业，包括精测电子、中科飞测、赛腾股份、睿励科学等。

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