引言

Cu-Cu混合鍵合(Cu-Cu Hybrid Bonding) 技術(shù)正在成為先進(jìn)3D集成的重要技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)細(xì)間距互連和高密度芯片堆疊。本文概述了Cu-Cu混合鍵合的原理、工藝、主要挑戰(zhàn)和主要行業(yè)參與者的最新進(jìn)展[1]。

Cu-Cu混合鍵合技術(shù)簡(jiǎn)介

Cu-Cu混合鍵合是芯片堆疊技術(shù)，結(jié)合了Cu-Cu金屬鍵合和介電-介電鍵合，通常是氧化物-氧化物鍵合。工藝通常包括以下關(guān)鍵步驟：

對(duì)Cu焊盤(pán)和介電表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)

表面活化，通常使用等離子體處理

介電表面在室溫下鍵合

退火以促進(jìn)Cu-Cu互擴(kuò)散并形成強(qiáng)金屬鍵

與使用焊料凸點(diǎn)的傳統(tǒng)倒裝芯片鍵合相比，Cu-Cu混合鍵合具有以下優(yōu)勢(shì)：

更細(xì)的間距(亞微米)互連

更低的寄生電容和電阻

更好的散熱性能

更薄的封裝厚度

圖1：(a)倒裝芯片焊料回流和(b)Cu-Cu混合鍵合的16H HBM結(jié)構(gòu)對(duì)比。混合鍵合方法實(shí)現(xiàn)了更薄的封裝，芯片之間無(wú)間隙連接。

關(guān)鍵工藝步驟和挑戰(zhàn)

表面準(zhǔn)備

獲得超平滑和清潔的鍵合表面對(duì)成功實(shí)現(xiàn)混合鍵合很重要。化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)用于使Cu焊盤(pán)和介電表面平坦化。精確控制Cu凹陷(凹陷)很重要 - 通常只允許幾納米的凹陷。

圖2：使用SiCN作為鍵合層的晶圓對(duì)晶圓混合鍵合集成流程。CMP用于在鍵合前使表面平坦化。

表面活化

等離子體處理通常用于在鍵合前活化介電表面。這在表面上創(chuàng)建反應(yīng)性羥基(OH)基團(tuán)，以實(shí)現(xiàn)室溫鍵合。需要優(yōu)化等離子體條件以獲得高鍵合強(qiáng)度。

圖3：關(guān)鍵的混合鍵合工藝步驟，包括通過(guò)等離子體處理進(jìn)行表面活化，以創(chuàng)建羥基基團(tuán)實(shí)現(xiàn)室溫鍵合。

室溫鍵合

將活化的晶圓或芯片在室溫下接觸，使介電表面形成初始鍵合。精確對(duì)準(zhǔn)對(duì)細(xì)間距互連尤為關(guān)鍵。

退火

鍵合后退火，通常在200-400°C下進(jìn)行，使Cu原子能夠跨鍵合界面擴(kuò)散，形成強(qiáng)金屬-金屬鍵。需要優(yōu)化退火條件，以實(shí)現(xiàn)良好的Cu鍵合，同時(shí)避免空洞形成等問(wèn)題。

圖4：(a)16H HBM整體結(jié)構(gòu)和(b)退火后Cu-Cu界面的橫截面SEM圖像，顯示跨鍵合界面的重結(jié)晶Cu晶粒。

主要挑戰(zhàn)

Cu-Cu混合鍵合的主要挑戰(zhàn)包括：

實(shí)現(xiàn)并維持超清潔的鍵合表面

精確控制Cu凹陷/凹陷

優(yōu)化等離子體活化以獲得高鍵合強(qiáng)度

精確對(duì)準(zhǔn)，特別是對(duì)于細(xì)間距

鍵合界面處的空洞/缺陷控制

某些應(yīng)用的熱預(yù)算限制

主要參與者的最新進(jìn)展

三星

三星一直在積極開(kāi)發(fā)用于高帶寬內(nèi)存(HBM)應(yīng)用的混合鍵合技術(shù)。已經(jīng)展示了使用混合鍵合的16H HBM堆疊。

圖5：使用TCB-NCF和混合鍵合方法的16H HBM堆疊熱阻對(duì)比。混合鍵合方法顯示出15-30%較低的熱阻。

三星還提出了新型結(jié)構(gòu)，如鍵合界面處的Cu-Cu布線，以進(jìn)一步改善電氣和熱性能。

SK海力士

SK海力士也在追求用于HBM的混合鍵合。已經(jīng)展示了使用芯片對(duì)晶圓(C2W)混合鍵合的8Hi HBM堆疊。

圖6：8Hi HBM的焊料凸點(diǎn)倒裝芯片和混合鍵合互連結(jié)構(gòu)對(duì)比，顯示使用混合鍵合可減少15%的厚度。

SK海力士的工作集中在優(yōu)化等離子體處理和鍵合條件，以實(shí)現(xiàn)高鍵合強(qiáng)度和低空洞密度。

美光

美光正在開(kāi)發(fā)用于HBM和潛在3D DRAM應(yīng)用的混合鍵合。他們強(qiáng)調(diào)了幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括：

晶圓切割后的顆粒控制

傳統(tǒng)晶圓支撐系統(tǒng)的限制

需要更高溫度的退火

圖7：美光的新晶圓支撐系統(tǒng)(WSS)工藝，可實(shí)現(xiàn)更高溫度退火，提高混合鍵合質(zhì)量。

索尼

作為CMOS圖像傳感器混合鍵合的早期采用者，索尼繼續(xù)推進(jìn)該技術(shù)。最近的工作集中在：

大尺寸(>400 mm2)芯片對(duì)晶圓鍵合

細(xì)間距(6 μm)互連

新型結(jié)構(gòu)，如界面處的Cu-Cu布線

圖8：索尼在鍵合界面處的新型Cu-Cu布線結(jié)構(gòu)，除了電氣接觸外，還可將Cu圖案用作互連。

應(yīng)用材料

作為主要設(shè)備供應(yīng)商，應(yīng)用材料正在開(kāi)發(fā)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的混合鍵合工藝和工具。最近的工作展示了：

0.5 μm間距的晶圓對(duì)晶圓鍵合

使用SiCN作為鍵合介電材料

Cu凹陷控制在<2-3 nm

圖9：應(yīng)用材料公司展示的各種特征尺寸和間距(小至0.5 μm)的混合鍵合結(jié)果TEM圖像。

英特爾

英特爾正在研究混合鍵合作為其先進(jìn)封裝路線圖的一部分。最近的工作集中在：

用于鍵合介電的低溫SiCN薄膜

表面活化效果的表征

鍵合強(qiáng)度優(yōu)化

圖10：英特爾研究中各種SiCN-SiCN鍵合界面和退火溫度的鍵合能量(強(qiáng)度)結(jié)果。

臺(tái)積電

臺(tái)積電正在其SoIC(集成芯片系統(tǒng))平臺(tái)下開(kāi)發(fā)混合鍵合。正在推進(jìn)芯片對(duì)晶圓(SoIC-X)和晶圓對(duì)晶圓(SoIC-CoWoS)方法。

最近的工作集中在：

熱管理優(yōu)化

TSV與鍵合焊盤(pán)直接連接

超薄鍵合膜

圖11：臺(tái)積電SoIC平臺(tái)中背面鍵合界面電氣-熱協(xié)同優(yōu)化方法。

新興研究方向

正在追求幾個(gè)有趣的研究方向，以進(jìn)一步推進(jìn)混合鍵合技術(shù)：

1. 新型鍵合材料

雖然SiO2和SiCN是常見(jiàn)的鍵合介電材料，但也在研究其他材料。例如，Resonac提出使用環(huán)氧模塑料(EMC)和光敏性介電材料(PID)等有機(jī)材料進(jìn)行混合鍵合。

圖12：Resonac使用EMC芯片和PID晶圓進(jìn)行混合鍵合的熱鍵合工藝。

2. 金屬間化合物形成

一些研究人員正在探索在鍵合界面處控制形成金屬間化合物。例如，德累斯頓工業(yè)大學(xué)的工作研究了用于混合鍵合的超薄Cu-Sn雙層。

圖13：不同退火溫度下超薄Cu-Sn雙層的金屬間化合物生長(zhǎng)研究。

3. 新鍵合機(jī)制

IMEC報(bào)告了一種"Cu鼓包"機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)亞微米間距的混合鍵合。這涉及在退火過(guò)程中控制Cu擴(kuò)散以填充界面處的小間隙。

圖14：IMEC的Cu"鼓包"機(jī)制支持亞微米混合鍵合的TEM橫截面圖。

4. 替代鍵合方法

雖然大多數(shù)混合鍵合工作集中在室溫下的氧化物對(duì)氧化物鍵合，然后退火，但也在探索一些替代方法。例如，加州大學(xué)洛杉磯分校提出了一種兩階段熱壓縮鍵合(TCB)方法，簡(jiǎn)化了工藝。

圖15：傳統(tǒng)混合鍵合與加州大學(xué)洛杉磯分校提出的兩階段Cu-Cu TCB方法的比較。

結(jié)論

Cu-Cu混合鍵合正在迅速發(fā)展成為下一代3D集成的關(guān)鍵技術(shù)。主要的存儲(chǔ)器和邏輯制造商，以及設(shè)備和材料供應(yīng)商，正在積極開(kāi)發(fā)和優(yōu)化混合鍵合工藝。主要關(guān)注領(lǐng)域包括更細(xì)間距擴(kuò)展、更大尺寸晶圓/芯片鍵合、新型材料系統(tǒng)以及與先進(jìn)節(jié)點(diǎn)器件的集成。

取得了重大進(jìn)展，但仍然存在幾個(gè)挑戰(zhàn)，特別是在表面準(zhǔn)備、對(duì)準(zhǔn)精度和缺陷控制方面。需要在材料、工藝和設(shè)備方面繼續(xù)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)混合鍵合在廣泛應(yīng)用中的大規(guī)模制造。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)不斷推動(dòng)更高水平的集成和性能，Cu-Cu混合鍵合將在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)3D和異構(gòu)集成方案中發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來(lái)幾年可能會(huì)看到混合鍵合在需要超高密度互連的存儲(chǔ)器、處理器、傳感器和其他應(yīng)用中得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] J. H. Lau, "Cu-Cu Hybrid Bonding," in Flip Chip, Hybrid Bonding, Fan-In, and Fan-Out Technology. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2024, ch. 2, pp. 103-157.