[📚세미피디아] Hybrid Bonding, 하이브리드 본딩이란?

 

📚세미피디아 전체 글 목록

 

하이브리드 본딩이란 무엇인가?

https://www.youtube.com/watch?v=N4n5nDEWqQo&pp=ygUW7ZWY7J2067iM66as65OcIOuzuOuUqQ%3D%3D

https://www.brewerscience.com/what-is-hybrid-bonding/

하이브리드 본딩을 이해하려면 먼저 고급 패키징 산업의 역사를 간단히 살펴볼 필요가 있다. 전자 패키징 산업이 3차원 패키징으로 발전할 때, 마이크로 범프는 다이 위의 작은 구리 범프를 사용하여 칩 간 수직 상호 연결을 제공하는 웨이퍼 레벨 패키징의 한 형태였다. 범프의 크기는 40마이크로미터 피치에서 20마이크로미터 또는 10마이크로미터 피치로 점차 줄어들었다. 그러나 문제는 10마이크로미터 이하로 줄이는 것이 매우 어려워졌고, 엔지니어들은 더 작은 크기로 계속 스케일링하기 위한 새로운 솔루션을 찾기 시작했다. 하이브리드 본딩은 범프의 사용을 완전히 피하고 대신 작은 구리-구리 연결을 사용하여 10마이크로미터 피치 이하를 가능하게 한다. 이를 통해 상호 연결 밀도가 크게 향상되어 3D와 유사한 패키지와 고급 메모리 큐브를 실현할 수 있다.

하이브리드 본딩은 유전체 본딩(SiOx)과 내장 금속(Cu)이 결합된 영구적인 본딩 방식이다. 이는 업계 전반에서 **직접 본딩 상호 연결(DBI)** 로 알려져 있다. 하이브리드 본딩은 본딩 계면에 매립된 금속 패드를 포함하는 융합 본딩을 확장하여, 웨이퍼를 면 대 면으로 연결할 수 있게 해준다.

https://blog.brewerscience.com/what-is-hybrid-bonding

https://www.youtube.com/watch?v=j0yR43Yl18I&t=531s&pp=ygUW7ZWY7J2067iM66as65OcIOuzuOuUqQ%3D%3D

왜 하이브리드 본딩을 사용해야 하는가?

하이브리드 본딩은 다이-대-웨이퍼(D2W) 또는 웨이퍼-대-웨이퍼(W2W)를 밀접하게 배치된 구리 패드를 통해 수직으로 연결한다. 이미지 센싱 분야에서 W2W 하이브리드 본딩이 이미 몇 년 동안 양산되어 왔지만, 업계에서는 D2W 하이브리드 본딩 개발을 더욱 가속화하고자 노력하고 있다. 이러한 개발을 통해 이질적인 집적이 가능해져, 다양한 기능, 크기 및 설계 규칙을 가진 다이를 직접 연결할 수 있는 강력하고 유연한 수단을 제공하게 된다.

하이브리드 본딩은 다른 본딩 기술에 비해 많은 장점을 제공합니다:

*   고급 3D 디바이스 적층 가능
*   가장 높은 I/O
*   10마이크로미터 미만의 본딩 피치 실현
*   더 높은 메모리 밀도
*   향상된 대역폭
*   증가된 전력
*   향상된 속도 효율성
*   범프가 필요 없어 성능을 저하시키지 않으면서도 전력 및 신호 저하 방지

Image Credit: Imed Jani. Test and characterization of 3D high-density interconnects. Micro and Nanotechnolo- gies/Microelectronics. Université Grenoble Alpes, 2019. English. NNT : 2019GREAT094 . tel- 02634259

https://www.youtube.com/watch?v=znfVicro51A&pp=ygUW7ZWY7J2067iM66as65OcIOuzuOuUqQ%3D%3D

화학 기계적 연마(CMP)는 웨이퍼 레벨 패키징에서 핵심적인 공정 중 하나입니다. CMP는 화학적 및 기계적 작용의 조합을 통해 물질을 제거하여 매우 매끄럽고 평탄한 재료 표면을 달성하는 공정입니다. CMP 공정을 통해 평탄한 표면을 얻는 것은 비용이 많이 들어 SiOx를 유전체 재료로 사용하는 단점 중 하나입니다. SiOx의 경우 CMP를 통해 표면 거칠기(Ra)가 1nm 미만의 평탄한 표면이 필요합니다. 평탄한 표면이 달성되지 않으면 입자 또는 구리 데싱으로 인해 본딩 라인에 공극이 생길 수 있습니다. 또한 SiOx는 본딩 중 리플로가 없어 금속 주변에 공기 격자가 발생할 수 있습니다.

아래는 영구 본딩 접착제를 하이브리드 본딩에 사용하는 방법을 보여주는 간단한 공정입니다. A 경우에는 Cu 기둥 위에 유전체 고분자를 도포한 후 본딩 전에 평탄화합니다. B 경우에는 고분자를 패턴화하고 듀얼 다마신 방식으로 Cu 기둥을 형성한 후 본딩합니다. 감광성 유전체 재료의 기능성이 이러한 공정을 가능하게 합니다.

https://www.youtube.com/watch?v=vxQ7dAhU3VE&pp=ygUW7ZWY7J2067iM66as65OcIOuzuOuUqQ%3D%3D

하이브리드 본딩

https://www.appliedmaterials.com/us/en/semiconductor/markets-and-inflections/heterogeneous-integration/hybrid-bonding.html

이질적인 집적은 반도체 기업이 다양한 기능, 기술 노드 및 크기의 칩렛을 고급 패키지에 결합하여 단일 제품으로 작동할 수 있게 해줍니다. 고성능 컴퓨팅 및 인공 지능과 같은 애플리케이션에서 트랜지스터에 대한 수요는 계속해서 기하급수적으로 증가하고 있지만, 기존 2D 스케일링 방식으로 트랜지스터를 줄이는 능력은 느려지고 더 비용이 많이 들게 되었습니다. 이질적인 집적은 이러한 업계 과제를 해결합니다. 이는 새로운 방식으로 칩 성능, 전력, 면적, 비용 및 출시 시간(PPACt)을 개선할 수 있게 해주는 새로운 전략의 핵심 요소입니다.

칩 제조업체는 통과 실리콘 비아(TSV) 및/또는 하이브리드 본딩을 사용하여 고급 2.5D 및 3D 패키지에 칩렛을 통합할 수 있습니다. 통과 실리콘 비아는 기존의 PCB 기반 칩 방식과 비교하여 성능을 크게 향상시키고 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 최신 패키징 혁신인 하이브리드 본딩은 칩 또는 웨이퍼 간 직접 연결을 가능하게 합니다. TSV와 비교하여 하이브리드 본딩은 성능을 더욱 향상시키고 전력 소비를 더 줄일 수 있습니다. 하이브리드 본딩에서는 다이가 서로 쌓여 있고, 매우 미세한 구리-구리 상호 연결이 사용되어 이들 다이 간 연결을 제공합니다.

https://blog.brewerscience.com/what-is-hybrid-bonding

구리-구리 하이브리드 본딩은 전력과 신호 손실이 거의 없이 단일체 설계와 매우 유사한 성능을 가능하게 합니다. 이 기술의 과제는 거의 0에 가까운 다이 간 정렬 오류로 결함이 없는 구리-구리 본딩을 달성하는 것이며, 동시에 비용을 낮추는 것입니다. 이를 위해서는 상위 및 하위 공정과 함께 디바이스 설계에 큰 변화가 필요합니다. 통합된 공정 개발 및 공동 최적화가 여기에서 핵심적인 역할을 합니다.

어플라이드 머티리얼즈는 유전체 증착, 금속 증착, 전기 도금, 화학적 기계적 평탄화(CMP) 및 식각 등 다양한 하이브리드 본딩 공정 단계를 지원하는 기술과 솔루션을 보유하고 있습니다. 어플라이드 머티리얼즈의 Insepra™ SiCN 및 Catalyst CMP 시스템은 새로운 재료와 향상된 표면 처리를 통해 최첨단 하이브리드 본딩을 가능하게 합니다.

또한 우리는 개발 파트너와 협력하여 고객에게 완전한 단말 간 하이브리드 본딩 솔루션을 개발하고 확산할 수 있는 기술을 제공하고 있습니다.

첫 번째 협업은 CIS와 NAND에 사용되는 웨이퍼-대-웨이퍼 본딩이며, DRAM에도 잠재적인 관심사입니다. 어플라이드는 EVG와 협력하여 웨이퍼-대-웨이퍼 하이브리드 본딩을 위한 통합 공정을 개발하고 있습니다.

https://www.youtube.com/watch?v=RTKZF2kFkiI&pp=ygUW7ZWY7J2067iM66as65OcIOuzuOuUqQ%3D%3D

https://www.youtube.com/watch?v=EZJqNYygZLg&pp=ygUW7ZWY7J2067iM66as65OcIOuzuOuUqQ%3D%3D

 

📚세미피디아 전체 글 목록

https://semi52.tistory.com/123

[📚세미피디아] TC-NCF란?

https://semi52.tistory.com/122

[⚡주간반도체] 반도체의 부활… 자동차와 함께 한국 경제 ‘쌍끌이’