低温ハイブリッドボンディングが3D IC積層の限界を覆す：鍵と鍵穴を備えたCu/SiO₂構造がHBM4世代のきっかけに

低溫 Hybrid Bonding 如何顛覆 3D IC 堆疊極限

1. ハイブリッドボンディングがムーアの法則を継続する唯一の方法であるのはなぜですか?

従来のモアレ スケーリングが物理的なボトルネックに近づき、プロセス コストが急騰するにつれて、 3D 異種統合が次の黄金世代として注目されています。ハイブリッド ボンディングは、銅-銅のスルーホールと酸化物-酸化物のボンディングを 1 つに組み合わせ、はんだバンプに頼ることなく、**<10 µm** またはサブミクロンの垂直相互接続を実現します。信号パスが短く、RC 遅延が低いことは、AI/HPC に必要な高帯域幅メモリ (HBM) にとって特に魅力的です。

ソニーは2016年に初めてCMOSイメージセンサーを量産し、その後imec、TSMC、インテル、サムスンなどが続き、この技術をHPCやメモリチップに導入してきた。

低溫 Hybrid Bonding 顛覆 3D IC 堆疊極限

2. 「鍵と鍵穴」：IBMが創始したデザイン思考

「鍵と鍵穴」ハイブリッドボンディング、1分で学ぶ

要素	役割	効果
上部銅パッド/銅柱	ロック	電気伝導と固定のための隆起構造を提供
下層ポリマーホール（PIまたはSiO₂）	鍵	わずかに大きくて柔軟性があり、銅柱を収納して固定します

1. 最初に挿入

   • 2 枚のウェハーを位置合わせした後、鍵を錠前に押し込むように、銅の柱をポリマーの穴に押し込みます。

2. もう一度ロックする

   • 約 400 °C で熱プレスすると、ポリマーが一時的に軟化して変形し、銅の柱がぴったりフィットします。

   • 冷却後、ポリマーは反発し、銅柱はしっかりと「くっつき」、機械的強度と低抵抗を兼ね備えます。

3. 利点

   • 表面の凹凸を補正し、硬い接触によって生じる隙間を回避できます。

   • はんだバンプがなければ、相互接続ピッチは 10 µm またはサブミクロンまで押し下げられる可能性があります。

簡単に言うと、柔らかいポリマーの「キーホール」を使用して銅の「ロック」を収容し、高温で変形することで、正確で信頼性が高く、抵抗の少ない 3D 垂直結合を実現します。

3. 低温との戦い：金属パッシベーション層により40℃でも接合が可能

「金属パッシベーション層」によって Cu-Cu 接合温度を 40 °C まで下げられるのはなぜですか?

1. 酸素には耐性があるが銅には耐性がない

   • 銅は空気に触れるとすぐに酸化層を形成します。この「錆」の層は銅原子が互いに拡散するのを妨げるため、従来の Cu-Cu 結合では、酸化物層を突破するために 300 ～ 400 °C に加熱する必要があります。

   • まず、非常に薄い層（≈10 nm）の不活性な金、銀、パラジウム、またはチタンを銅の表面にメッキします。これは銅に酸素遮断コーティングを施すようなものです。酸素は侵入できませんが、金属膜の粒界は銅原子にとって依然として「亀裂チャネル」となります。

2. 室温接合、低温アニール

   • 2 つのウェハを位置合わせした後、室温 (約 40 °C)で「接着」することができます (一次接着)。

   • その後は、 150 °C以下の短時間の焼きなましのみが必要となり、銅原子が粒界に沿って反対側まで浸透して高密度の金属連続体が完成し、高温による反りや応力が完全に回避されます。

3. 低温で一気に有利に

   • 減圧・反り：温度差が小さく、ウェハが変形しにくい。

   • BEOL コンポーネントの保護: 下流の回路、誘電体層、高度なトランジスタでは、400 °C の熱バジェットを心配する必要がなくなりました。

   • 痛みのないサイズ縮小：フィルムは単なる外層であり、銅自体の結晶構造は変化しないため、ピッチをさらに縮小しても適用可能です。

つまり、金属不動態層＝銅の防錆膜＋原子ハイウェイとなり、Cu-Cu接合を高温の制約から解放し、40℃でも「しっかり素早く接着」できるため、高層HBMスタッキングを克服するハイブリッド接合の重要な武器となるのです。

IV.象嵌銅とDBI：ジレンマからインスピレーションへ

ダマシンCuとDBIの中核概念 - わかりやすい言葉で理解する2つのポイント

シナリオ	単純な想像力	重要なブレークスルー
ジレンマ：象嵌銅面の凹み	シリコン酸化物層の「溝」に銅が充填されると、表面はわずかに凹状になります (約 20 ～ 50 nm)。 2枚のウェハを接合すると、硬いSiO₂が最初に接触しますが、凹んだ銅はまだ接触していません→ 歩留まりが低くなります。
インスピレーション: DBI (Direct Bond Interconnect)	まず、室温で酸化物層を酸化物層に「貼り付け」 （テープを貼り付けるように）、次に 400 °C でアニールします。銅の熱膨張は SiO₂ よりも大きいため、加熱されると銅が「膨らみ」、自動的に窪みを埋め、最終的に銅同士の密接な結合が形成されます。	-高圧や真空が不要で、処理時間が短い - 銅を事前に完全に位置合わせする必要がないため、大量生産に高い許容度があります

一言でまとめると、まず酸化物層を接合し、次に銅を膨張させて隙間を埋めるという、もともとの問題である「銅の窪みを接合しにくい」という点が、高スループット、高収率の DBI ハイブリッド接合技術に変わりました。

5. HBM4 にハイブリッドボンディングが必要なのはなぜですか?

世代	かぶせる	I/O数	インターフェース帯域幅	主流の関与	利回りの問題点
HBM3E	12-こんにちは	2048	1.5 TB/秒	TCバンプ	ブレイクスルー12-高難易度
HBM4	16-こんにちは	4096	2 TB/秒	ハイブリッドボンディング	バンプピッチが20µm未満の場合、変形とボイドが劇的に増加します。
HBM5	20-こんにちは	>4096	2 TB/秒以上	ハイブリッドエッセンシャル	TC-NCFはこれ以上縮小できない

• 相互接続ピッチ：40～25µmから10µm未満

• 信号の整合性：ロックとキーパッドが直接接続され、寄生成分が30～40%削減されます。

• 薄化要件: バンプなし、スタック厚を 775 µm まで削減 (緩和後も JEDEC 規格を満たす)

• 放熱性：銅と銅の連続性により熱拡散が改善され、高出力AI GPUモジュールに有利です。

6. 課題と展望：チップレットエコシステムに向けて

• アライメント精度とパネルレベルの生産性：0.5µmピッチで90%以上のボンディング歩留まりを維持する方法

• 熱管理：ファインピッチボンディングは局所的な熱流束の集中を引き起こすため、マイクロチャネルまたはCVDダイヤモンドヒートシンクの統合が必要となる。

• 設計ツールチェーン: EDAは電気・熱・機械の結合を考慮する必要がある

ハイブリッドボンディングは単なるパッケージングステップではなく、アーキテクチャ設計における自由度を実現します。低温の「鍵と鍵穴」Cu/SiO₂は、熱収支と機械的ストレスという2つの大きな問題を解決し、 HBM4および上位層のメモリスタッキングを実現し、チップレットベースのサーバーCPU/GPUの大規模量産への道を開きます。

七 .結論：ハイブリッドボンディングは限界を打破する新たな鍵

低温ハイブリッドボンディングは、「鍵」によって 3D IC への新たな扉を開きます。銅-銅相互接続が温度、圧力、酸化による制約を受けなくなり、ピッチがナノメートルレベルまで低下し、層数が 20 Hi を超えると、将来の AI アクセラレータ、超大規模メモリ、異種 SoC がこれまでにない密度と効率で利用できるようになります。台湾のサプライチェーンにとって、低温プロセス、アライメント制御、量産設備を最も早く習得できる企業が、HBM4、さらにはチップレットエコシステム全体の進化を加速させる「マスターキー」を握ることになるだろう。