저온 하이브리드 본딩은 3D IC 스태킹 한계를 뒤집습니다. 잠금 및 키 Cu/SiO₂ 구조가 HBM4 생성을 촉발합니다.

低溫 Hybrid Bonding 如何顛覆 3D IC 堆疊極限

1. 하이브리드 본딩이 무어의 법칙을 이어갈 수 있는 유일한 방법인 이유는 무엇입니까?

기존의 무아레 스케일링이 물리적 병목 현상에 접근하고 공정 비용이 급증함에 따라 3D 이기종 통합이 차세대 황금 기술로 여겨지고 있습니다. 하이브리드 본딩은 구리-구리 관통 구멍과 산화물-산화물 본딩을 하나로 결합하여 솔더 범프에 의존하지 않고도 **<10µm** 또는 심지어 서브마이크론 수직 상호 연결을 달성합니다. 짧은 신호 경로와 낮은 RC 지연은 AI/HPC에 필요한 고대역폭 메모리(HBM)에 특히 매력적입니다.

소니는 2016년에 CMOS 이미지 센서를 최초로 양산했으며, 그 뒤를 이어 imec, TSMC, Intel, Samsung 등이 뒤따랐고, 이후 이들도 이 기술을 HPC와 메모리 칩에 도입했습니다.

低溫 Hybrid Bonding 顛覆 3D IC 堆疊極限

2. "Lock and Key": IBM이 창시한 디자인 씽킹

"자물쇠와 열쇠" 하이브리드 본딩, 1분 만에 배우기

요소	역할	효과
상단 구리 패드/구리 컬럼	잠그다	전기 전도 및 고정을 위한 높은 구조를 제공합니다.
바닥층 폴리머 홀(PI 또는 SiO₂)	열쇠	약간 더 크고 유연하며 구리 기둥을 포함하고 잠급니다.

1. 먼저 삽입

   • 두 웨이퍼가 정렬된 후, 구리 기둥이 폴리머 구멍으로 눌려 들어갑니다. 마치 열쇠를 자물쇠에 끼우는 것과 같습니다.

2. 다시 잠그세요

   • 약 400°C에서 열 압착하는 동안 폴리머는 일시적으로 부드러워지고 변형되어 구리 기둥이 완벽하게 맞춰집니다.

   • 냉각 후, 폴리머는 반발하고 구리 기둥은 단단히 "고정"되어 기계적 강도 와 낮은 저항성을 결합합니다.

3. 이익

   • 표면의 불규칙성을 보정하고 강한 충돌로 인해 생긴 틈을 피할 수 있습니다.

   • 솔더 범프가 없으면 상호 연결 피치를 10µm 또는 심지어 서브마이크론까지 확장할 수 있습니다.

간단히 말해서: 구리 "잠금장치"를 수용하기 위해 부드러운 폴리머 "키홀"을 사용하고 고온에서 변형시켜 정밀하고 안정적이며 저항이 낮은 3D 수직 접합을 구현합니다.

3. 저온 배틀: 금속 패시베이션 층은 40°C에서도 접합이 가능합니다.

"금속 수동화 층"이 Cu-Cu 접합 온도를 40°C로 낮출 수 있는 이유는 무엇입니까?

1. 산소 차단은 되지만 구리 차단은 안 됨

   • 구리는 공기와 접촉하면 빠르게 산화막을 형성합니다. 이 "녹" 층은 구리 원자가 서로 확산되는 것을 방지하므로, 기존의 Cu-Cu 결합은 산화물 층을 뚫기 위해 300~400°C로 가열해야 합니다.

   • 먼저 , 매우 얇은 층(약 10nm)의 불활성 금, 은, 팔라듐 또는 티타늄을 구리 표면에 도금합니다. 이는 구리에 산소 차단 코팅을 하는 것과 같습니다. 즉, 산소가 들어갈 수 없지만 금속 필름의 결정립 경계 는 여전히 구리 원자의 "균열 채널"이 됩니다.

2. 상온 접합, 저온 어닐링

   • 두 웨이퍼를 정렬한 후, ~40°C의 실온 에서 "접착"할 수 있습니다(1차 접합).

   • 그 후에는 ≤150 °C 에서 짧은 어닐링만 필요하며, 구리 원자는 결정립 경계를 따라 반대편으로 침투하여 고밀도 금속 연속체를 완성합니다. 고온으로 인해 발생하는 뒤틀림과 응력을 완전히 방지합니다.

3. 한 번에 낮은 온도의 이점

   • 감압/휘어짐 : 온도차가 작아 웨이퍼가 쉽게 변형되지 않습니다.

   • BEOL 구성 요소 보호 : 다운스트림 회로, 유전체 층, 고급 트랜지스터는 더 이상 400°C 열 예산에 대해 걱정할 필요가 없습니다.

   • 통증 없는 크기 감소 : 필름은 단지 코팅일 뿐이며 구리 자체의 입자 구조를 변경하지 않으므로 피치를 더욱 줄이는 경우에도 적용 가능합니다.

간단히 말해, 금속 패시베이션 층 = 구리의 방청막 + 원자 고속도로 , Cu-Cu 접합을 고온의 제약으로부터 해방시켜 40°C에서도 "단단하고 빠르게 부착"할 수 있어, 고층 HBM 적층을 극복하는 하이브리드 접합의 핵심 무기가 되고 있습니다.

4. 상감 구리와 DBI: 딜레마에서 영감으로

다마스쿠스 쿠와 DBI의 핵심 개념 - 일반 언어로 이해해야 할 두 가지 사항

대본	단순한 상상력	핵심 혁신
딜레마: 상감 구리 표면의 움푹 패임	구리가 실리콘 산화물 층의 "트렌치"에 채워지면 표면이 약간 오목해집니다(약 20~50nm). 두 개의 웨이퍼를 접합할 때, 더 단단한 SiO₂가 먼저 접촉하게 되지만, 움푹 들어간 구리는 아직 접촉하지 않음 → 수율이 낮음.
영감: DBI(Direct Bond Interconnect)	먼저, 산화막을 실온에서 산화막에 "붙이도록" 한 다음(테이프를 붙이는 것처럼), 400°C에서 어닐링합니다. 구리의 열팽창은 SiO₂보다 크기 때문에 가열하면 구리가 "불룩해져서" 자동으로 움푹 들어간 부분을 채우고 결국 단단한 구리-구리 결합을 형성합니다.	- 고압, 진공 불필요 , 공정 시간 단축 - 구리를 미리 완전히 정렬할 필요가 없어 대량 생산에 대한 높은 허용 오차

한 문장으로 요약하자면, 먼저 산화물 층을 접합한 다음 구리가 팽창하여 틈을 채우면 "접합하기 어려운 구리 움푹 들어간 부분"이라는 원래 문제가 처리량이 높고 수율이 높은 DBI 하이브리드 접합 기술로 전환됩니다.

5. HBM4에 하이브리드 본딩이 필요한 이유는 무엇입니까?

세대	씌우다	I/O 수	인터페이스 대역폭	주류 참여	수확의 고통점
HBM3E	12-하이	2048	1.5TB/초	TC-범프	돌파구 12-Hi 높은 난이도
하이비엠4	16-하이	4096	2TB/초	하이브리드 본딩	Bump Pitch가 20µm 미만이면 변형과 공극이 급격히 증가합니다.
하이비엠5	20-하이	>4096	>2TB/초	하이브리드 에센셜	TC-NCF는 더 이상 축소될 수 없습니다.

• 상호 연결 피치 : 40-25µm에서 10µm 미만까지

• 신호 무결성 : 잠금 장치와 키 패드가 직접 연결되어 기생 전류가 30~40% 감소합니다.

• 두께 감소 요구 사항 : 범프 없음, 스택 두께를 775µm로 줄임(완화 후에도 JEDEC 표준 충족)

• 방열 : 구리-구리 연속성은 열 확산을 개선하여 고전력 AI GPU 모듈에 유용합니다.

6. 도전과 전망: 칩렛 생태계를 향하여

• 정렬 정확도 대 패널 수준 생산성 : 0.5µm 피치에서 90% 이상의 본드 수율을 유지하는 방법

• 열 관리 : 미세 피치 접합은 국부적인 열 유속 집중을 유발하므로 마이크로 채널 또는 CVD 다이아몬드 방열판의 통합이 필요합니다.

• 설계 툴 체인 : EDA는 전기-열-기계 결합을 고려해야 합니다.

하이브리드 본딩은 더 이상 단순한 패키징 단계가 아니라 아키텍처 설계의 자유도가 되었습니다 . 저온 "잠금장치와 열쇠" Cu/SiO₂는 열 예산과 기계적 응력이라는 두 가지 주요 문제점을 해결하여 HBM4 및 상위 계층 메모리 스태킹을 현실로 만들고 칩렛 기반 서버 CPU/GPU의 대량 생산을 위한 길을 열었습니다.

7. 결론: 하이브리드 본딩은 한계를 깨는 새로운 열쇠입니다.

저온 하이브리드 본딩은 "열쇠" 하나로 3D IC로 가는 다음 문을 열어줍니다. 구리-구리 상호연결이 더 이상 온도, 압력, 산화에 의한 제약을 받지 않고, 피치가 나노미터 수준으로 낮아지고 층 수가 20Hi를 넘으면 미래의 AI 가속기, 초대형 메모리, 이기종 SoC가 전례 없는 밀도와 효율성으로 제공될 것입니다. 대만의 공급망에 있어서 저온 공정, 정렬 제어, 대량 생산 장비를 가장 빨리 익힐 수 있는 사람이 HBM4의 진화를 가속화하고 칩렛 생태계 전체를 발전시킬 수 있는 "마스터 키"를 쥐게 될 것입니다.