以下文章來(lái)源于十二芯座，作者M(jìn)icroX

在先進(jìn)封裝中，Hybrid bonding(混合鍵合)不僅可以增加I/O密度，提高信號(hào)完整性，還可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高帶寬的異構(gòu)集成。它是主要3D封裝平臺(tái)（如臺(tái)積電的SoIC、三星的X-Cube和英特爾的fooveros）背后的基礎(chǔ)技術(shù)。展望未來(lái)，隨著邏輯和內(nèi)存堆疊變得更加緊密耦合，帶寬需求不斷增加，鍵合技術(shù)只會(huì)變得越來(lái)越重要，成為芯片和系統(tǒng)層面創(chuàng)新的關(guān)鍵推動(dòng)者。

技術(shù)原理與架構(gòu)特點(diǎn)

Hybrid bonding 是一種以無(wú)凸點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)為特征的半導(dǎo)體堆疊技術(shù)。與傳統(tǒng)的基于焊料的封裝不同，混合鍵合通過(guò)直接的銅對(duì)銅（Cu-Cu）接觸實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械互連。上下芯片緊密鍵合，其間僅有被介質(zhì)材料封裝的超細(xì)圖案化銅焊盤(pán)。這些銅焊盤(pán)的間距通常低于10微米，并通過(guò)硅通孔（TSVs）連接到芯片內(nèi)部的金屬層，形成完整的信號(hào)和電源路徑。

“混合”一詞指的是介電對(duì)介電的分子鍵合和金屬對(duì)金屬的銅鍵合的結(jié)合，兩者均無(wú)需粘合劑。這使得界面更加穩(wěn)定，損耗更低，具有卓越的電氣和熱性能。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與系統(tǒng)級(jí)益處

Hybrid bonding 提供了眾多的技術(shù)和系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，從根本上重塑了芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)：

超高互連密度：能夠在低于10微米甚至達(dá)到數(shù)百納米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)垂直互連，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)凸點(diǎn)方法的密度。

低電阻和低功耗：消除焊料凸點(diǎn)顯著降低了互連電阻，提高了能效和熱性能——這對(duì)于高速數(shù)據(jù)路徑至關(guān)重要。

低延遲和短互連：極大地縮短了信號(hào)路徑，使其接近芯片內(nèi)部的距離，提高了性能，特別是在人工智能、近內(nèi)存計(jì)算和3D緩存架構(gòu)中。

架構(gòu)創(chuàng)新：高密度互連使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)π酒δ苓M(jìn)行模塊化和異構(gòu)集成，克服了單芯片面積和產(chǎn)量的限制。

制造挑戰(zhàn)與關(guān)鍵工藝控制

盡管 Hybrid bonding 具有變革性潛力，但它帶來(lái)了嚴(yán)格的工藝要求。關(guān)鍵因素包括：

表面平整度：鍵合界面極其敏感于微尺度粗糙度。介電表面要求粗糙度小于0.5納米，銅焊盤(pán)小于1納米。這需要化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）作為關(guān)鍵步驟。

清潔度和顆粒控制：即使是1微米的顆粒也可能導(dǎo)致毫米級(jí)區(qū)域的鍵合失敗?；旌湘I合需要ISO 3級(jí)或更好的潔凈室環(huán)境，使其在清潔度需求上更接近前端晶圓廠。

對(duì)準(zhǔn)精度：晶圓對(duì)晶圓（W2W）鍵合系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)低于50納米的對(duì)準(zhǔn)精度，集成高分辨率光學(xué)元件和精確的機(jī)械定位。鍵合壓力和停留時(shí)間也必須嚴(yán)格控制，以實(shí)現(xiàn)初始的范德華鍵合(van der Waals bonding)和隨后的銅對(duì)銅鍵合(Cu-Cu bonding)。

工藝概述

Hybrid bonding 以晶圓對(duì)晶圓（W2W）或芯片對(duì)晶圓（D2W）的形式實(shí)現(xiàn)，遵循以下一般步驟：

TSV形成：通過(guò)硅通孔在基底晶圓中建立信號(hào)和電源路徑。

鍵合層制造：在晶圓頂部沉積介電層（例如二氧化硅或碳氮化硅）并圖案化銅焊盤(pán)。

CMP拋光：對(duì)兩個(gè)鍵合表面進(jìn)行拋光，以滿足納米級(jí)平整度要求。

表面激活和清潔：用等離子體（例如氮?dú)猓┨幚硪约せ畋砻妫S后用去離子水沖洗。

對(duì)準(zhǔn)和預(yù)鍵合：使用先進(jìn)的定位系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)晶圓，并施加低壓力鍵合以啟動(dòng)介電粘附。

熱退火：應(yīng)用受控的熱處理以形成銅對(duì)銅金屬鍵，最終完成混合界面。

W2W與D2W工藝選擇

W2W：適用于高產(chǎn)量、小面積芯片；具有對(duì)準(zhǔn)和吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)。常見(jiàn)于圖像傳感器和3D NAND。

D2W：適用于大型或復(fù)雜芯片，使用經(jīng)過(guò)晶圓分類后的已知良好芯片（KGD）。技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化和異構(gòu)集成。AMD的3D V-Cache（SoIC）是使用D2W混合鍵合的突出例子。

Wafer to wafer：指的是將兩個(gè)完整的晶圓（wafer）直接進(jìn)行鍵合或連接。

Die to wafer：則是指將單個(gè)芯片（die）與另一個(gè)完整的晶圓進(jìn)行鍵合或連接。