混合鍵合（Hybrid Bonding）工藝介紹

簡(jiǎn)介：

所謂混合鍵合（hybrid bonding），指的是將兩片以上不相同的Wafer或Die通過(guò)金屬互連的混合鍵合工藝，來(lái)實(shí)現(xiàn)三維集成，在Hybrid Bonding前，2D，2.5D及3D封裝都是采用焊錫球凸點(diǎn)(solder bump)或微凸點(diǎn)（Micro bump）來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與基板，芯片與中介層(Interposer),芯片與芯片間的電連接。Solder bump/micro bump在制備工藝中都有植球的步驟，所植的球就是焊錫球（Solder bump），所以在Hybrid Bonding之前芯片間的連接都是靠焊錫球進(jìn)行連接。

當(dāng)然Solder bump是植在銅柱（Copper bump）上的。當(dāng)copper bump pitch小于10~20um時(shí)，焊錫球solder bump就變成了工藝難點(diǎn)及缺陷的主要來(lái)源。這時(shí)候就需要一種新的工藝來(lái)解決bump間距小于10微米芯片間鍵合的問(wèn)題。

混合鍵合兩種常見(jiàn)的類型：

1.Wafer to Wafer (W2W)晶圓對(duì)晶圓：適合高良率的芯片，如CMOS、3D NAND。2.Die to Wafer (D2W) 芯片對(duì)晶圓：適合不同種類型芯片集成，如異構(gòu)集成。

W2W可以提供更高的對(duì)準(zhǔn)精度、吞吐量和鍵合良率。但一個(gè)主要限制是無(wú)法選擇已知的合格芯片（KGD）。這會(huì)導(dǎo)致將有缺陷的芯片粘合到好的芯片上，從而導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)芯片的浪費(fèi)。W2W 的另一個(gè)缺點(diǎn)是兩片晶圓上芯片的尺寸必須一致，因此這限制了異構(gòu)集成選項(xiàng)的靈活性。所以，W2W適用于良率高的晶圓，通常是設(shè)計(jì)尺寸較小芯片，如CMOS 圖像傳感器、3D NAND。

D2W允許將不同尺寸、工藝節(jié)點(diǎn)的芯片（如邏輯芯片與存儲(chǔ)芯片）選擇性集成到同一晶圓上，從而支持異構(gòu)集成和定制化設(shè)計(jì)，避免了W2W因整片晶圓鍵合導(dǎo)致的良率損失問(wèn)題（例如一片晶圓存在缺陷時(shí)，僅影響單個(gè)芯片而非整片）。此外，D2W可通過(guò)分步測(cè)試篩選合格芯片（KGD）再進(jìn)行鍵合，降低了整體成本。

這種特性使其在先進(jìn)封裝（如3D堆疊）中更具適應(yīng)性，尤其適用于需要整合多來(lái)源芯片的高性能計(jì)算場(chǎng)景。然而，D2W混合鍵合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度更高，主要體現(xiàn)在亞微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度和界面共面性控制兩大挑戰(zhàn)。

工藝流程：

混合鍵合結(jié)合了兩種不同的鍵合技術(shù)：介電鍵合和金屬互連。一般采用介電材料（通常是SiO?）與嵌入式銅(Cu)焊盤(pán)結(jié)合，通過(guò)形成電介質(zhì)鍵(dielectric bond)和金屬鍵(metal bond)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)晶圓(wafers)或裸片(dies)之間建立永久電連接，而無(wú)需焊料凸塊。這種無(wú)凸塊方法通過(guò)減少信號(hào)損耗和改善熱管理來(lái)提高電氣性能 。

一．表面準(zhǔn)備：晶圓需經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光/平坦化（CMP）和表面活化及清洗處理。混合鍵合層的表面光滑度非常關(guān)鍵。Hybrid Bonding界面處對(duì)任何類型的凹凸都可能會(huì)產(chǎn)生空洞和無(wú)效的鍵合，通常需要確保表面粗糙度（Ra）低于0.5nm。，銅焊盤(pán)為1nm。為了達(dá)到這種平滑度，需要進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）。

CMP完成后，還需要進(jìn)行表面活化（Activation）等離子體處理：對(duì)SiO?表面進(jìn)行Ar、N?或O?等離子體處理，增加表面羥基（-OH）密度，增強(qiáng)親水性。銅表面可能需還原性等離子體（如H?）去除氧化層。

二．對(duì)位：晶圓或芯片的對(duì)準(zhǔn)需要在潔凈室（Class 1-10）中進(jìn)行，避免顆粒污染。經(jīng)過(guò)精確對(duì)準(zhǔn)，以確保金屬焊盤(pán)正確對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)有效的電氣互連。

需要注意的是：由于鍵合過(guò)程涉及兩個(gè)非常光滑且平坦的表面齊平地鍵合在一起，因此鍵合界面對(duì)任何顆粒的存在都非常敏感；高度僅為1 微米的顆粒會(huì)導(dǎo)致直徑為10 毫米的粘合空隙，從而導(dǎo)致鍵合缺陷。

三．預(yù)鍵合：經(jīng)過(guò)對(duì)位之后晶圓或芯片間僅形成初始電介質(zhì)鍵，此時(shí)只是通過(guò)范德華力結(jié)合在一起，還需要在室溫或略高的溫度、在N?或真空環(huán)境下,配合一定的壓力，通過(guò)原子擴(kuò)散和機(jī)械互鎖形成牢固的鍵合。

南京屹立芯創(chuàng)擁有多項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明專利技術(shù)，設(shè)備可以通過(guò)在真空和升溫環(huán)境中對(duì)晶圓與芯片施加穩(wěn)定、均勻的壓力，讓芯片與晶圓之間更平坦化，實(shí)現(xiàn)晶圓或芯片間穩(wěn)定鍵合。

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四．鍵合后處理：初始鍵合后，還需要通過(guò)額外的熱處理來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)銅向介電層擴(kuò)散，確保穩(wěn)固的互連，以此來(lái)增強(qiáng)鍵合強(qiáng)度和電氣性能。

混合鍵合應(yīng)用：

混合鍵合用于芯片的垂直（或3D）堆疊。混合鍵合的顯著特點(diǎn)是無(wú)凹凸。它從基于焊接的凸塊技術(shù)轉(zhuǎn)向直接的銅對(duì)銅連接。這意味著頂模和底模彼此齊平。兩個(gè)芯片都沒(méi)有凸塊，只有可以縮放到超細(xì)間距的銅焊盤(pán)。沒(méi)有焊料，因此避免了與焊料相關(guān)的問(wèn)題。同時(shí)混合鍵合在電學(xué)性能方面也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，Hybrid Bonding信號(hào)丟失率幾乎可以忽略不計(jì)，這在高吞吐量，高性能計(jì)算領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。

目前常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景：

1.3D芯片堆疊：混合鍵合被廣泛應(yīng)用于處理器和內(nèi)存堆棧中，例如AMD的3D V-Cache技術(shù)和HBM高帶寬內(nèi)存的多層堆疊。通過(guò)混合鍵合，可以將CPU與額外緩存芯片緊密連接在一起，顯著提升系統(tǒng)性能；同時(shí)，在圖形處理單元（GPU）和高性能計(jì)算領(lǐng)域，將內(nèi)存芯片直接堆疊到邏輯芯片上，極大地提高了數(shù)據(jù)帶寬和訪問(wèn)效率。

2.異構(gòu)集成：混合鍵合技術(shù)也促進(jìn)了異構(gòu)系統(tǒng)的集成，使得各種不同工藝節(jié)點(diǎn)制造的芯片可以有效地結(jié)合在一起，形成一個(gè)單一的高性能封裝體。例如，將射頻芯片、傳感器、處理器等多種類型的芯片整合在同一封裝內(nèi)，優(yōu)化了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能手機(jī)和其他智能硬件的空間利用和整體性能。

3.圖像傳感器：混合鍵合在CMOS圖像傳感器(CIS)領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，如背照式（BSI）傳感器和堆疊式傳感器等，其中底層的像素陣列通過(guò)混合鍵合技術(shù)與頂層的電路層相連，降低了光路損失并實(shí)現(xiàn)了更小型化的相機(jī)模組設(shè)計(jì)。

總結(jié)：

混合鍵合作為先進(jìn)封裝技術(shù)的核心組成部分，正逐漸成為推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)向三維集成發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。從市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，當(dāng)前火爆的AI算力需求，推動(dòng)混合鍵合技術(shù)市場(chǎng)正以顯著增速擴(kuò)張，其在高密度集成、低功耗傳輸上的優(yōu)勢(shì)使其成為3D封裝的關(guān)鍵技術(shù)。

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審核編輯 黃宇