引言

Cu-Cu混合鍵合(Cu-Cu Hybrid Bonding) 技術正在成為先進3D集成的重要技術，可實現細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、主要挑戰和主要行業參與者的最新進展[1]。

Cu-Cu混合鍵合技術簡介

Cu-Cu混合鍵合是芯片堆疊技術，結合了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鍵步驟：

對Cu焊盤和介電表面進行化學機械拋光(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Cu-Cu互擴散并形成強金屬鍵

與使用焊料凸點的傳統倒裝芯片鍵合相比，Cu-Cu混合鍵合具有以下優勢：

更細的間距(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結構對比。混合鍵合方法實現了更薄的封裝，芯片之間無間隙連接。

關鍵工藝步驟和挑戰

表面準備

獲得超平滑和清潔的鍵合表面對成功實現混合鍵合很重要。化學機械拋光(CMP)用于使Cu焊盤和介電表面平坦化。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。這在表面上創建反應性羥基(OH)基團，以實現室溫鍵合。需要優化等離子體條件以獲得高鍵合強度。

圖3：關鍵的混合鍵合工藝步驟，包括通過等離子體處理進行表面活化，以創建羥基基團實現室溫鍵合。

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。精確對準對細間距互連尤為關鍵。

退火

鍵合后退火，通常在200-400°C下進行，使Cu原子能夠跨鍵合界面擴散，形成強金屬-金屬鍵。需要優化退火條件，以實現良好的Cu鍵合，同時避免空洞形成等問題。

圖4：(a)16H HBM整體結構和(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晶Cu晶粒。

主要挑戰

Cu-Cu混合鍵合的主要挑戰包括：

實現并維持超清潔的鍵合表面

精確控制Cu凹陷/凹陷

優化等離子體活化以獲得高鍵合強度

精確對準，特別是對于細間距

鍵合界面處的空洞/缺陷控制

某些應用的熱預算限制

主要參與者的最新進展

三星

三星一直在積極開發用于高帶寬內存(HBM)應用的混合鍵合技術。已經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構，如鍵合界面處的Cu-Cu布線，以進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。已經展示了使用芯片對晶圓(C2W)混合鍵合的8Hi HBM堆疊。

圖6：8Hi HBM的焊料凸點倒裝芯片和混合鍵合互連結構對比，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化等離子體處理和鍵合條件，以實現高鍵合強度和低空洞密度。

美光

美光正在開發用于HBM和潛在3D DRAM應用的混合鍵合。他們強調了幾個關鍵挑戰，包括：

晶圓切割后的顆粒控制

傳統晶圓支撐系統的限制

需要更高溫度的退火

圖7：美光的新晶圓支撐系統(WSS)工藝，可實現更高溫度退火，提高混合鍵合質量。

索尼

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

大尺寸(>400 mm2)芯片對晶圓鍵合

細間距(6 μm)互連

新型結構，如界面處的Cu-Cu布線

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

應用材料

作為主要設備供應商，應用材料正在開發先進節點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)的混合鍵合結果TEM圖像。

英特爾

英特爾正在研究混合鍵合作為其先進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

鍵合強度優化

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(強度)結果。

臺積電

臺積電正在其SoIC(集成芯片系統)平臺下開發混合鍵合。正在推進芯片對晶圓(SoIC-X)和晶圓對晶圓(SoIC-CoWoS)方法。

最近的工作集中在：

熱管理優化

TSV與鍵合焊盤直接連接

超薄鍵合膜

圖11：臺積電SoIC平臺中背面鍵合界面電氣-熱協同優化方法。

新興研究方向

正在追求幾個有趣的研究方向，以進一步推進混合鍵合技術：

1. 新型鍵合材料

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

圖12：Resonac使用EMC芯片和PID晶圓進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，德累斯頓工業大學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研究。

3. 新鍵合機制

IMEC報告了一種"Cu鼓包"機制，可實現亞微米間距的混合鍵合。這涉及在退火過程中控制Cu擴散以填充界面處的小間隙。

圖14：IMEC的Cu"鼓包"機制支持亞微米混合鍵合的TEM橫截面圖。

4. 替代鍵合方法

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

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

結論

Cu-Cu混合鍵合正在迅速發展成為下一代3D集成的關鍵技術。主要的存儲器和邏輯制造商，以及設備和材料供應商，正在積極開發和優化混合鍵合工藝。主要關注領域包括更細間距擴展、更大尺寸晶圓/芯片鍵合、新型材料系統以及與先進節點器件的集成。

取得了重大進展，但仍然存在幾個挑戰，特別是在表面準備、對準精度和缺陷控制方面。需要在材料、工藝和設備方面繼續創新，以實現混合鍵合在廣泛應用中的大規模制造。

隨著半導體行業不斷推動更高水平的集成和性能，Cu-Cu混合鍵合將在實現先進3D和異構集成方案中發揮關鍵作用。未來幾年可能會看到混合鍵合在需要超高密度互連的存儲器、處理器、傳感器和其他應用中得到更廣泛的應用。

參考文獻

[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.