HBM 성능 향상을 위한 다음 단계: 하이브리드 본딩

1. 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding) 기술 개요

 

하이브리드본딩은 두 가지 유형의 계면 사이에 본딩이 동시에 형성되는 것을 말한다. 하나는 산화물의 면과 면 사이의 본딩이고, 다른 하나는 구리와 구리 사이의 본딩이다.

 

Applied Materials의 IR 자료에서 설명된 하이브리드본딩

 

반도체 공정 기술에서 본딩이라는 말은 주로 패키징 단계에서 wafer die를 패키지와 연결하기 위한 과정을 의미하는 것으로, 처음에는 와이어 본딩에서 시작하여 플립칩 본딩, TSV 본딩을 거쳐 하이브리드 본딩에 이르는 기술 개발 과정이 진행되었다.

 

최근 하이브리드 본딩은 HBM과 칩렛 공정이 중요해지면서 주목을 받게 되었는데, HBM의 경우 메모리 wafer die를 여러 측으로 적층해야 하기 때문에, 인접한 wafer die간 연결이 필요한데, 이를 연결하기 위해 기존에는 마이크로범프 방식을 사용하였으나, TSV로 형성되는 I/O의 갯수가 대폭 증가함에 따라 더이상 마이크로범프로도 구현하기 어려워, 더 작은 footprint을 갖는 하이브리드 보딩을 채택하게 된 것이다.이를 통해 더 높은 밀도의 TSV로 형성되는 I/O를 구현할 수 있게 되었다.

 

2. 하이브리드본딩 공정의 단계

 

하이브리드 본딩은 기본적으로 3단계로 이루어 진다

 

1) Wafer die 표면 준비

2) die와 die(혹은 substrate wafer) 접착

3) 열처리(Annealing)

 

 

 

1) Wafer die 표면 준비

 

die와 wafer를 접착하기 위해서 표면을 전처리 하는 단계이다. CMP 고정으로 유전체와 금속 표면을 평탄화 하는데, 금속 표면에는 dishing이라고 해서 특별하게 움푹 들어간 형태로 준비한다. CMP 이후 잔여 파티클이 없도록 세정하고 플라즈마로 표면처리 해서 표면에 있는 원자들에 있는 전자를 활성화 시켜서 반응을 잘 할 수 있는 상태로 만들어 준다.

 

 

2) die와 die(혹은 substrate wafer) 접착

 

Pre-bonding 단계라고도 하며, 산화물(oxide, SiO2)면을 먼저 붙이는 단계이다. main bonding은 전기를 통하는 구리 끼리의 본딩이고, 그 전에 진행되는 단계이다. 산화물인 SiO2의 본딩은 힘으로 눌러 붙이는 방식으로, 15N의 낮은 힘을 상온(room temperature, 약 25도씨)에서 가하면 SiO2 간의 계면에서 Van der Waals 인력에 의한 bonding이 생성된다. 이 때 금속 계면은 dishing으로 인한 공간 때문에 아직 bonding이 생겨나지않은 상태이다.

 

 

3) 열처리(Annealing)  

 

3-1) 저온 열처리(Low temperature annealing)

 

앞서 2단계에서 형성된 SiO2 계면간의 결합을 강화하기 위해 Low temerature(약 150도씨)로 열을 가하면, 압력에 의해 생간 stress와 strain이 해소되면서 상호확산(interdiffusion) 현상이 일어나서 원자간 alignment가 최적화되고 결합이 강해진다. 이 때 Van der Waals 결합에서 결합 강도가 높은 공유결합(Covalent bonding)으로 변환된다. 

 

3-2) 고온 열처리(High temperature annealing)

 

SiO2 계면간의 결합을 강화한 후, 구리간의 결합을 진행하는 단계이다. 온도를 low temperture(150도씨)에서 High temerature(350도씨)로 올려주면, 구리가 팽창하면서 Dishing으로 생긴 공간이 채워지면서 상/하 간의 구리 계면이 연결된다. 온도가 충분히 높기 때문에 접촉된 구리 계면에서는 마찬가지로 상호확산(interdiffusion) 현상이 일어나면서 금속결합이 형성된다. 그리고 최종적으로 산화물(SiO2)와 금속(Cu) 모두 접착과 결합이 완성된다.

3. 기술적 과제와 발전 방향

 

하이브리드 본딩의 채용이 확산되기 위해서는 아래와 같은 기술적 과제가 해결되어야 한다.

- 표면 평탄도: 나노미터 수준의 표면 평탄도가 요구되며, 이를 위해 화학적 기계적 연마(CMP) 공정 기술 개선해야 한다. 특히 금속은 표면에 Dishing을 형성해야 하면서도, 인접한 산화물(Oxide, 유전체)은 평탄하게 유지되어야 한다.

- 클린 공정: 입자 제어와 청정도 유지해야 한다. 다이싱할 때나 세정할 때 청결도를 유지해야 한다. 

- 정밀 정렬 및 분배: 초미세 피치 연결을 위해 높은 정확도의 정렬 기술 구현해야 한다. 또한, 구리와 산화물(유전체)가 특정 부분에 몰려있지 않고, 균일하게 분배되어야 있어야 한다. 어닐링을 하게 되면, 구리가 팽창하면서 Dishing 부분을 채우는데, 팽창된 후 면적비가 적절하게 되어야 한다.

 

- 플라즈마 활성화: 플라즈마로 표면 처리를 할 때, 표면의 산화와 오염을 제거하고 에너지를 높여서 활성화 시키면서도 지나치게 처리되어 표면이 거칠어 지는 것을 방지해야 한다.

 

- 본딩 온도 최적화: 저온 본딩 기술 개발을 통해 공정 효율성 제고

 

- 표면 모양 및 품질: 유전체의 표면은 평탄해야 하고, Dishing된 구리의 끝이 돌출되지 않게 해야 한다. 

 

 

 

4. 현재 동향

 

SK하이닉스는 이미 HBM2E에 하이브리드 본딩을 적용하여 8단 적층을 구현하고 전기 테스트까지 완료했다. 향후 12단 적층 HBM을 넘어 더 높은 단수의 적층을 목표로 하고 있다.

하이브리드 본딩 기술은 HBM뿐만 아니라 AI 가속기, 데이터센터 CPU 등 다양한 고성능 컴퓨팅 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

 

 

 

뜨리스땅

출처:

https://thor.inemi.org/webdownload/2022/Projects/Packaging/Dec2022_Packaging-Besi.pdf
[1] https://news.skhynix.co.kr/post/interconnection-for-advanced-packaging
[2] https://guguuu.com/entry/131-samsung-electronics-hbm-expectations
[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0026271424000520
[4] https://www.semianalysis.com/p/hybrid-bonding-process-flow-advanced
[5] https://semiengineering.com/hybrid-bonding-basics-what-is-hybrid-bonding/
[6] https://asmedigitalcollection.asme.org/electronicpackaging/article-abstract/147/1/010801/1200662/A-Review-of-Mechanism-and-Technology-of-Hybrid?redirectedFrom=fulltext
[7] https://www.3dincites.com/2024/05/hybrid-bonding-the-time-has-come/