ハイブリッドボンディング: ムーアの法則を救う 3D チップ技術

先週開催されたIEEE電子部品技術会議（ECTC）で、研究者らは最先端のプロセッサやメモリに不可欠になりつつある技術の最新状況について発表した。ハイブリッドボンディングと呼ばれるこの技術は、2つ以上のチップを同一パッケージ内で積み重ねるものであり、ムーアの法則を定義した従来のトランジスタ縮小のペースが全般的に鈍化しているにもかかわらず、チップメーカーはプロセッサやメモリ内のトランジスタ数を増やすことができる。大手チップメーカーや大学の研究グループは、苦労の末に得られたさまざまな改良を実証し、アプライドマテリアルズ、Imec、インテル、ソニーなどのグループは、3D積層チップ間の接続密度を1平方ミリメートルのシリコンあたり約700万リンクという記録的なものにまで高める結果を示した。

インテルのイー・シー氏はECTCのエンジニアたちに、半導体の進歩の新たな性質のためにこれらすべての接続が必要だと語った。インテルの技術開発担当ゼネラルマネージャー、アン・ケレハー氏は次のように説明した。 IEEE スペクトラム 2022 年現在、ムーアの法則はシステム技術共同最適化 (STCO) と呼ばれる概念によって規定されています。STCO では、キャッシュ メモリ、入出力、ロジックなどのチップの機能が分離され、それぞれに最適な製造技術を使用して製造されます。その後、ハイブリッド ボンディングやその他の高度なパッケージング技術によって、それらを 1 つのシリコン片のように動作するように再組み立てできます。ただし、これは、遅延やエネルギー消費をほとんど発生させずにシリコン片間でビットをやり取りできる高密度の接続によってのみ実現できます。

ハイブリッドボンディングは、現在使用されている唯一の先進的なパッケージング技術ではないが、垂直接続の密度が最も高い。そして、この技術はECTCで発表された研究の約5分の1を占め、圧倒的な人気を誇ったと、いくつかの画期的な成果を支えたツールを開発したBesi社の技術担当シニアバイスプレジデント、クリス・スキャンラン氏は言う。

「どこまでが限界かは分かりません。物事は急速に動いています。」
—Jean-Charles Souriau、CEA Leti

ハイブリッド ボンディングでは、各チップの上面に銅パッドが構築されます。銅は絶縁体 (通常はシリコン酸化物) に囲まれており、パッド自体は絶縁体の表面からわずかに凹んでいます。酸化物が化学的に改質された後、2 つのチップが面と面を合わせて押し付けられ、凹んだパッドが互いに揃います。次に、このサンドイッチがゆっくりと加熱され、銅がギャップを越えて膨張し、2 つのチップが接続されます。

ハイブリッド ボンディングは、1 つのサイズの個々のチップを、より大きなサイズのチップが詰まったウェーハに取り付けることも、同じサイズのチップが詰まった 2 つのウェーハを接合することもできます。後者は、カメラ チップでの使用もあって、前者よりも成熟したプロセスです。たとえば、Imec は、ボンド間の距離 (ピッチ) がわずか 400 ナノメートルの、これまでで最も高密度のウェーハ オン ウェーハ (WoW) ボンドのいくつかを報告しました。同じ研究センターは、チップ オン ウェーハ (CoW) シナリオで 2 マイクロメートルのピッチを実現しました (現在市販されているチップは、約 9 マイクロメートル間隔で接続されています)。

ハイブリッドボンディングは、チップの上部に凹んだ銅パッドを形成することから始まります。 [top]2つのチップが押し付けられると、周囲の酸化物誘電体が結合する。 [middle]焼きなましにより銅が膨張し、導電性接続が形成される。 [bottom]。

「利用可能な装置があれば、チップとウェハーを合わせるよりもウェハー同士を合わせる方が簡単です。マイクロエレクトロニクスのほとんどのプロセスは、 [full] 「ウェーハは、チップオンウェーハではありません」と、フランスの研究機関CEA Letiの集積およびパッケージングの科学リーダーであるJean-Charles Souriau氏は言います。しかし、AMDのEpycラインなどのハイエンドプロセッサで注目を集めているのは、チップオンウェーハ（またはダイツーウェーハ）であり、この技術は、高度なCPUやAIアクセラレータの計算コアとキャッシュメモリを組み立てるために使用されています。

両方のシナリオでピッチをさらに狭くするべく、研究者たちは表面をわずかに平坦にし、結合したウェハーをより密着させ、プロセス全体の時間と複雑さを削減することに焦点を当てた。これを正しく行うことは、最終的にはチップの設計方法に革命をもたらす可能性がある。

うわー、タイトなピッチだね

最も狭いピッチ（500 nm ～ 360 nm）を報告したウェハーオンウェハー（WoW）の研究では、平坦性という 1 つの点に多大な労力が費やされました。2 つのウェハーを 100 nm レベルの精度で結合するには、ウェハー全体がほぼ完全に平坦でなければなりません。ウェハーが曲がったり歪んだりすると、材料のセクション全体が接続されなくなります。

ウェーハを平坦化するのは、化学機械平坦化（CMP）と呼ばれるプロセスの仕事です。これは一般的にチップ製造の鍵となるもので、特にトランジスタ上の相互接続層を生成するプロセスの部分では重要です。

「CMP はハイブリッド ボンディングで制御しなければならない重要なパラメータです」と Souriau 氏は言います。今週 ECTC で発表された結果は、CMP を新たなレベルに引き上げ、ウェーハ全体を平坦化するだけでなく、銅パッド間の絶縁体の丸みをわずか数ナノメートル削減して接続性を向上させました。

その他の研究では、シリコン酸化物の代わりにシリコン炭窒化物などの異なる表面材料を試したり、表面を化学的に活性化するさまざまな方法を使用したりして、平らな部品が十分に強く接着されるようにすることに焦点を当てました。最初に、ウェハーまたはダイが押し付けられると、それらは比較的弱い水素結合で所定の位置に保持されます。問題は、結合と次のステップの間ですべてが所定の位置に留まるようにすることです。結合されたウェハーとチップは、その後、より強い化学結合を形成するためにゆっくりと加熱されます (アニーリングと呼ばれるプロセス)。これらの結合がどれほど強いのか、そしてそれをどのように把握するかは、ECTC での多くの研究の主題でした。