[Peace & Chips]引领下一代HBM的“混合键合”

by Kim Pyeonghwa

Published 04 Sep.2023 09:15(KST)

Updated 10 Sep.2023 22:12(KST)

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实现异构集成3D封装的关键技术
通过铜连接芯片表面提升性能与品质
前工序技术至关重要…下一代HBM不可或缺

编者按被称为现代产业“米”的半导体。几乎每天都听到这个词，但真要开口解释时却往往无从说起。复杂晦涩的半导体概念和整个产业脉络，Peace&Chips会用最易懂的方式“喂”给您，您只需要“端起勺子”即可。

最近阅读半导体相关新闻时，不难看到“封装”这个词。由于半导体行业即便砸下巨额投资，也在微细工艺的极限面前遇到性能提升的瓶颈，因此开始把目光投向封装技术。

业内所说的封装，是指把多个半导体芯片组合在一起，以最大化性能的概念。芯片排列时，将逻辑芯片水平排布、存储芯片垂直堆叠并进行组合，由此从将芯片水平+垂直结合的2.5维（D）封装，演进到彻底垂直堆叠的3D结合封装。尤其是通过3D封装让不同种类的芯片像一颗半导体那样协同工作的“异构集成”备受关注。

在这一过程中所需的技术就是“混合键合（Hybrid Bonding）”。如果要把芯片一层层堆叠起来，原本需要在中间布置大量球状导电凸点（Bump）以实现导电。而所谓混合键合，就是去掉这些凸点，直接把芯片彼此贴合的技术。利用去掉凸点后腾出的空间，可以提升性能和品质，同时还能缩小封装成品的尺寸。

芯片封装时使用的凸点示意图。混合键合技术的核心在于去除这些凸点。/ 三星半导体新闻室内容截图提供

芯片之间的贴合原理是这样的：芯片表面由铜（Cu）和氧化层（SiO2）构成，通过热处理让铜与铜、氧化层与氧化层彼此键合。由于这是把两种不同材料进行键合（Bonding）的方法，因此得名“混合”。乍一看似乎很简单，但要把芯片表面做得足够平坦并不容易，热处理工艺本身的技术门槛也相当高。

值得注意的一点是，实现混合键合要用到前道工艺技术。前道工艺是指在硅晶圆（Wafer）上绘制电路，完成半导体芯片基底（Die）的一系列流程。之后，为了把芯片制成最终成品而进行的收尾流程则称为后道工艺。

通常人们认为封装属于后道工艺，但在混合键合的情况下，由于是在半导体晶圆上直接把不同的芯片基底（Die）进行键合，因此前道工艺技术显得尤为重要。这也是在前道工艺设备市场占据主导地位的美国应用材料公司（Applied Materials）对封装业务兴趣浓厚的原因。目前，该公司正致力于开发用于混合键合的相关设备。