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
5 p. N* d$ q1 R4 X# v; BCu-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]。

7 n! E, ?+ ^. C( d  ?9 i0 XCu-Cu混合键合技术简介
& K$ W" A% k& WCu-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
: H% Y/ s. R$ b1 A% Z: m( ?[/ol]
+ i- T, u' w0 @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：
8 |- r& |# `# x! C1 x8 Z" y: W

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
4 D! K3 r  M% |' \! V
, P0 }% ^3 h5 m2 G, ~% U( r& N- C

qaktyx5h1ap64077135536.png

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。
* P" M  V& p2 L9 ~
关键工艺步骤和挑战
+ X8 ]$ T3 C8 I" A7 K( j& }! }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。
+ N* R+ U8 n. D

tukrj3e12yu64077135636.png

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。

9 Z* K$ Q4 e0 }& i' X( t表面活化
6 L+ v" s* Y; D1 ^) m7 a, O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。

itbdsj3iifp64077135737.png

3 O) N( P2 P% n& x; x+ G* |3 p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。

室温键合
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。
! T6 g4 C* o7 @6 y, I0 o
退火
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。
3 T# P# |! d& L2 E9 u/ Q* K

2k3pylmuxfd64077135837.png

3 e9 u' g5 Y4 t3 W# |: {1 `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。

" D% `( H+ u% g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
) K9 h! a' A  A0 U  l. K[/ol]
5 U  n2 r) @% f( z+ V4 t1 d
' e3 y: u" t  s7 [4 U+ R" G主要参与者的最新进展
三星
" N5 P; S2 g' G+ N+ p8 y! }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。

ymqqivsk1yh64077135937.png

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。

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。
# \# k% w1 z; L% n; j
SK海力士
SK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。

404qyu3vlvd64077136038.png

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。
% t% Y* _+ c' v/ ^' 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。
8 V2 V8 G% Z& Y9 f: l+ e
美光
* ]6 L: B& l; k* J' a# g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：

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

" [% u/ d9 R, Q6 j1 y' d

ut314qzm5gx64077136138.png

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。
+ ~+ O5 e0 x3 C2 Z( ^" c% t
7 f' z, X, f  S) g" W, x* J$ y索尼
: X5 B; {8 ?1 c$ I# U/ r4 m, D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：
" ]5 c& m: p1 r. R( ^/ U$ l6 {4 i6 l2 v  J" Q

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

qz54ipfq1mu64077136238.png

) o" ^3 V  {8 T# g5 k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。

3 r: j; F& {* u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：

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
# U/ }+ _0 c; X  w( t3 b
; I, Y. B. t" h. b* F8 f

autzd02fnpu64077136339.png

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。

+ _$ Q; g( Q- {英特尔
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：
1 r8 p7 M# @6 W: s6 x) a1 T& Z  o

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
4 J" j5 l9 `) \1 @- f5 Q
7 K: ?7 s8 ]) _" \8 E# I

aidcjibsnq564077136439.png

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。

台积电
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。

最近的工作集中在：
- O! ?4 ]- `! V0 @, H

热管理优化

TSV与键合焊盘直接连接

超薄键合膜
8 X; ?$ j. u9 j
; Q6 h' |7 v. ]. z

vo4wv4r4kz364077136540.png

图11：台积电SoIC平台中背面键合界面电气-热协同优化方法。

. [' c& U1 d5 j3 \& T9 O- m新兴研究方向
- J* t* R5 Q- x1 A+ ^  N" {  }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：
4 E  c+ q7 T( P+ T; \" w2 h1. 新型键合材料
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。
4 @6 ^: F7 I) T- x7 p  U

pudlnifofrg64077136640.png

图12：Resonac使用EMC芯片和PID晶圆进行混合键合的热键合工艺。
$ j% w! ]' R  f7 j$ ]) t# ~
' ?4 u5 t9 m5 x. V& O# b" W2. 金属间化合物形成
9 Z, r# j& M" v4 n' }1 ]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。
/ z" q1 g9 \: S

xk11pdxggni64077136740.png

8 K& P0 v5 V" a$ m8 z  O1 G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。
, H& O. R8 W. g  u. X
3. 新键合机制
2 t: x4 u7 o2 Q5 Z( \IMEC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。
4 w. [- J# B' u7 Q

thvhe5pknz264077136840.png

图14：IMEC的Cu"鼓包"机制支持亚微米混合键合的TEM横截面图。
3 U* p6 B: D+ `: H5 I* \$ L( j% ^
4. 替代键合方法
* z2 }/ m8 v5 Y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。

3zne1lf2fee64077136941.png

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。
6 H- J+ C( `, h) S: [8 f
7 X8 z: h  `* R2 {; `9 x结论
/ K& P0 A  E. U0 L7 jCu-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。
) E( q. J2 ~( n; I  o4 m8 Y
" K0 S0 b" t( Q+ ]$ {" `% G. D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。

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。

6 p2 @( U0 H) f$ [; B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.

- C: V' T1 i( s0 L6 r  k- END -

软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
* y* a& a" ~- D# p) V( P3 o点击左下角"阅读原文"马上申请
/ k9 z6 n5 z2 N4 V; X# f8 Q
欢迎转载
) ]7 w& w0 h* d% Y* I0 _6 s
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

9 |9 x# O+ G( n' _4 V7 {
* ^' i8 H6 W* v# I( R0 Z* e
" i( m' c3 {/ b4 p% {

5due4j444cq64077137041.gif

/ ?( P2 w% ^. W  V# p/ X
! T4 H2 y  l4 a9 I) r4 n关注我们
7 O3 V4 u3 `9 R0 n- f" j+ T" N
1 I  F8 w9 A: s" W' f( z

oeb4nz0vbrw64077137141.png

dornzbj31cp64077137241.png ( s' f7 K, m0 _7 [

zpopyimtqka64077137341.png # X7 c4 |9 u. ^, N3 D6 s

                     
0 `1 G, R# T7 Z
3 i$ C( \- K' Z

/ V8 J' T3 n) k: c* H关于我们：
$ O# ^- D# |: S$ s5 @深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
: \, m- k9 x) `
7 Y% `9 t$ j% k7 Q$ F0 _" T" Ahttp://www.latitudeda.com/
; B/ P8 m# k7 i6 t; w6 I7 _（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）