Cu-Cu Hybrid Bonding技术在先进3D集成中的应用

逍遥设计自动化

引言
; j4 f8 b1 l$ x6 @Cu-Cu混合键合(Cu-Cu Hybrid Bonding) 技术正在成为先进3D集成的重要技术，可实现细间距互连和高密度芯片堆叠。本文概述了Cu-Cu混合键合的原理、工艺、主要挑战和主要行业参与者的最新进展[1]。
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Cu-Cu混合键合技术简介
0 k6 K8 ^/ y  KCu-Cu混合键合是芯片堆叠技术，结合了Cu-Cu金属键合和介电-介电键合，通常是氧化物-氧化物键合。工艺通常包括以下关键步骤：

对Cu焊盘和介电表面进行化学机械抛光(CMP)

表面活化，通常使用等离子体处理

介电表面在室温下键合

退火以促进Cu-Cu互扩散并形成强金属键
$ w5 F* q; H/ b1 j( @[/ol]
& O7 q" |8 s6 K, G- X; v- p3 N与使用焊料凸点的传统倒装芯片键合相比，Cu-Cu混合键合具有以下优势：

更细的间距(亚微米)互连

更低的寄生电容和电阻

更好的散热性能

更薄的封装厚度
3 ]" K' b. ^% I- f
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+ b0 i, E1 C% l- M! e图1：(a)倒装芯片焊料回流和(b)Cu-Cu混合键合的16H HBM结构对比。混合键合方法实现了更薄的封装，芯片之间无间隙连接。
' K& E( a$ I/ P3 F
8 P1 o6 s  y7 n关键工艺步骤和挑战
表面准备
获得超平滑和清洁的键合表面对成功实现混合键合很重要。化学机械抛光(CMP)用于使Cu焊盘和介电表面平坦化。精确控制Cu凹陷(凹陷)很重要 - 通常只允许几纳米的凹陷。
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图2：使用SiCN作为键合层的晶圆对晶圆混合键合集成流程。CMP用于在键合前使表面平坦化。

表面活化
3 k, \* y1 `6 v5 Q等离子体处理通常用于在键合前活化介电表面。这在表面上创建反应性羟基(OH)基团，以实现室温键合。需要优化等离子体条件以获得高键合强度。

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' t$ Z5 }% T/ @8 a* C- \& }图3：关键的混合键合工艺步骤，包括通过等离子体处理进行表面活化，以创建羟基基团实现室温键合。
2 W2 n% g% ?2 |: }# g9 M
* _, o' |% B$ q1 z室温键合
: [: D" ?" s- M将活化的晶圆或芯片在室温下接触，使介电表面形成初始键合。精确对准对细间距互连尤为关键。
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" x0 S7 _$ r: M" M退火
: S( _4 U* O+ _  X键合后退火，通常在200-400°C下进行，使Cu原子能够跨键合界面扩散，形成强金属-金属键。需要优化退火条件，以实现良好的Cu键合，同时避免空洞形成等问题。

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图4：(a)16H HBM整体结构和(b)退火后Cu-Cu界面的横截面SEM图像，显示跨键合界面的重结晶Cu晶粒。

主要挑战
Cu-Cu混合键合的主要挑战包括：

实现并维持超清洁的键合表面

精确控制Cu凹陷/凹陷

优化等离子体活化以获得高键合强度

精确对准，特别是对于细间距

键合界面处的空洞/缺陷控制

某些应用的热预算限制
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. T, U: D% r3 X6 }. }7 V$ R
主要参与者的最新进展
* J, o1 x6 ?" k+ G, F三星
三星一直在积极开发用于高带宽内存(HBM)应用的混合键合技术。已经展示了使用混合键合的16H HBM堆叠。

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图5：使用TCB-NCF和混合键合方法的16H HBM堆叠热阻对比。混合键合方法显示出15-30%较低的热阻。
; X" Z  e. A) n. D" b; b
  J0 O  ^6 o; s5 Z三星还提出了新型结构，如键合界面处的Cu-Cu布线，以进一步改善电气和热性能。

3 T  s6 [0 z* P% Z; SSK海力士
5 t: T) h5 Y+ r+ E( K; O2 q. rSK海力士也在追求用于HBM的混合键合。已经展示了使用芯片对晶圆(C2W)混合键合的8Hi HBM堆叠。
. z2 ~2 {; Q( `' [" S

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! G/ }/ V8 }1 w8 B图6：8Hi HBM的焊料凸点倒装芯片和混合键合互连结构对比，显示使用混合键合可减少15%的厚度。
$ N2 \5 [, C: x. ]
SK海力士的工作集中在优化等离子体处理和键合条件，以实现高键合强度和低空洞密度。
+ f2 M- R1 s2 U  i- P9 d4 U
! W1 e( Y$ n0 C+ H, Y! [' c6 R, N/ H* n美光
+ s3 F4 I% e. j' b美光正在开发用于HBM和潜在3D DRAM应用的混合键合。他们强调了几个关键挑战，包括：
& Y, }, R; p, d# G) `" A. C3 c

晶圆切割后的颗粒控制

传统晶圆支撑系统的限制

需要更高温度的退火

) {0 h# O/ N9 u! I! J7 ?

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图7：美光的新晶圆支撑系统(WSS)工艺，可实现更高温度退火，提高混合键合质量。

1 ?, ?8 n$ k+ _9 i+ A7 |索尼
作为CMOS图像传感器混合键合的早期采用者，索尼继续推进该技术。最近的工作集中在：
* P0 E0 r& @# [

大尺寸(>400 mm2)芯片对晶圆键合

细间距(6 μm)互连

新型结构，如界面处的Cu-Cu布线
4 `9 {9 q% k+ b3 ?  R
. p/ @+ Y9 m2 i/ m

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图8：索尼在键合界面处的新型Cu-Cu布线结构，除了电气接触外，还可将Cu图案用作互连。

* b* |( V4 t% j" Z- \应用材料
作为主要设备供应商，应用材料正在开发先进节点的混合键合工艺和工具。最近的工作展示了：
$ E  H9 ^+ Q4 a

0.5 μm间距的晶圆对晶圆键合

使用SiCN作为键合介电材料

Cu凹陷控制在

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图9：应用材料公司展示的各种特征尺寸和间距(小至0.5 μm)的混合键合结果TEM图像。
7 e9 p) i5 e  w1 X% _+ r
英特尔
! s2 P; d' {0 ?9 h英特尔正在研究混合键合作为其先进封装路线图的一部分。最近的工作集中在：
& o/ |; l; |4 z, @0 e; W' r, {3 H

用于键合介电的低温SiCN薄膜

表面活化效果的表征

键合强度优化
3 ?8 w; {% k* }3 H3 n0 N

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图10：英特尔研究中各种SiCN-SiCN键合界面和退火温度的键合能量(强度)结果。
( C3 T. P7 _# t+ |
. \7 k0 h+ O* F3 j台积电
; t2 [+ h: w4 D$ s' l台积电正在其SoIC(集成芯片系统)平台下开发混合键合。正在推进芯片对晶圆(SoIC-X)和晶圆对晶圆(SoIC-CoWoS)方法。

, w' B' V( O! K/ i  p9 E最近的工作集中在：

热管理优化

TSV与键合焊盘直接连接

超薄键合膜

! }5 V/ C2 R, I7 h

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图11：台积电SoIC平台中背面键合界面电气-热协同优化方法。

新兴研究方向
正在追求几个有趣的研究方向，以进一步推进混合键合技术：
1. 新型键合材料
$ e! N+ E; t- `* X! L3 j9 `( [虽然SiO2和SiCN是常见的键合介电材料，但也在研究其他材料。例如，Resonac提出使用环氧模塑料(emc)和光敏性介电材料(PID)等有机材料进行混合键合。
# o& e" B+ v) L, l, ^

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# ]# X. M, f! ]# j: ]图12：Resonac使用EMC芯片和PID晶圆进行混合键合的热键合工艺。

2. 金属间化合物形成
一些研究人员正在探索在键合界面处控制形成金属间化合物。例如，德累斯顿工业大学的工作研究了用于混合键合的超薄Cu-Sn双层。

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3 k, {6 q( \/ u* z图13：不同退火温度下超薄Cu-Sn双层的金属间化合物生长研究。

0 c8 a- D6 g/ A4 [( E! ?3. 新键合机制
6 G3 w+ B; v, Y7 r2 TIMEC报告了一种"Cu鼓包"机制，可实现亚微米间距的混合键合。这涉及在退火过程中控制Cu扩散以填充界面处的小间隙。

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0 l( v2 W/ T1 Q7 j5 _图14：IMEC的Cu"鼓包"机制支持亚微米混合键合的TEM横截面图。

& a+ j4 o# h$ K2 w4. 替代键合方法
虽然大多数混合键合工作集中在室温下的氧化物对氧化物键合，然后退火，但也在探索一些替代方法。例如，加州大学洛杉矶分校提出了一种两阶段热压缩键合(TCB)方法，简化了工艺。

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  i9 l# I* F! F$ Q4 X图15：传统混合键合与加州大学洛杉矶分校提出的两阶段Cu-Cu TCB方法的比较。
+ ]7 K6 c) y$ J. R
" B6 o$ j5 V8 P  @结论
Cu-Cu混合键合正在迅速发展成为下一代3D集成的关键技术。主要的存储器和逻辑制造商，以及设备和材料供应商，正在积极开发和优化混合键合工艺。主要关注领域包括更细间距扩展、更大尺寸晶圆/芯片键合、新型材料系统以及与先进节点器件的集成。
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取得了重大进展，但仍然存在几个挑战，特别是在表面准备、对准精度和缺陷控制方面。需要在材料、工艺和设备方面继续创新，以实现混合键合在广泛应用中的大规模制造。
& L1 f+ c& q8 U6 G: M8 @6 E
8 t. @& Z* }  \5 {; E) M6 G随着半导体行业不断推动更高水平的集成和性能，Cu-Cu混合键合将在实现先进3D和异构集成方案中发挥关键作用。未来几年可能会看到混合键合在需要超高密度互连的存储器、处理器、传感器和其他应用中得到更广泛的应用。

参考文献
[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.
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