ハイブリッド接合とは何か？ウエハの直接接合との違いと実現に必要な技術は？

この記事で分かること

ハイブリッド接合

　チップの微細化による性能向上の限界が見え始めていることから、半導体製造において前工程から後工程へと性能向上開発の主戦場が移り始めています。複数のチップを効率的に組み合わせて性能を引き出す「後工程」の重要性が増しています。

　前回は高周波スイッチに関する記事でしたが、今回はハイブリッド接合に関する記事となります。

ハイブリッド接合とは何か

　ハイブリッド接合（Hybrid Bonding）とは、主に半導体チップの積層（3D実装）に用いられる、極めて高密度な電気的・機械的接続を可能にする技術です。この技術の最大の特徴は、異なる2つの材料の接合を同時に行う点にあります。

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ハイブリッド接合の仕組み

　ハイブリッド接合では、以下の2つの接合が同時に行われます。

1. 誘電体（絶縁膜）の接合（機械的接合）
   • 接合対象となるウェーハまたはチップの表面に形成された誘電体（多くは二酸化ケイ素：SiO2）の層同士を、プラズマ活性化などの前処理を経て、常温または比較的低温で密着させて接合します（フュージョン接合と呼ばれるプロセス）。
   • これにより、チップやウェーハ間の機械的な接続と絶縁を確保します。
2. 微細な金属パッドの接合（電気的接続）
   • 誘電体層の表面に埋め込まれた微細な金属パッド（多くは銅：Cu）同士を接触させ、その後の熱処理により、金属原子の拡散接合によって電気的に接続します。
   • この同時接合により、チップ間の接続ピッチをサブマイクロメートルレベルまで極限まで微細化できます。

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主なメリット

　従来のワイヤーボンディングやフリップチップ技術に比べ、ハイブリッド接合は以下のような大きなメリットをもたらし、次世代半導体の性能向上に不可欠な技術となっています。

• 高密度・高速化: 接続ピッチがサブミクロンまで微細化され、信号伝達経路が極めて短くなるため、チップ間のデータ伝送速度が大幅に向上し、高帯域幅を実現します（特にHBM（高帯域メモリ）などの積層に重要）。
• 低消費電力化: 伝送経路の短縮と低抵抗化により、配線抵抗や寄生容量が減少し、データ伝送時のエネルギー損失（発熱）が大幅に低減します。
• 小型化・高集積化: チップ間のギャップがほとんどない、極めて薄くコンパクトな積層が可能となり、高密度な3D実装を実現します。

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適用される主な方式

　ハイブリッド接合は、接合対象の形状によって、主に以下の2つの方式で適用されています。

• W2W（Wafer-to-Wafer）
  • 2枚のウェーハ全体を一括で接合する方式。
  • 生産性（スループット）に優れ、CMOSイメージセンサーや3D NANDメモリなどで実用化されています。
• C2W（Chip-to-Wafer）
  • 良品と選別された個々のチップ（ダイ）を、別のウェーハに一つずつ高精度に接合する方式。
  • 良品のみを積層できるため、歩留まりの高さに優れ、チップレットやロジック-メモリ統合などで開発が進められています。

　この技術は、AI処理向けの高帯域メモリや、ロジック半導体の性能向上において、今後さらに重要性が高まると期待されています。

ウエハの直接接合との違いは何か

　ウエハの直接接合（Direct Wafer Bonding）とハイブリッド接合（Hybrid Bonding）は、いずれも接着剤を使わずに原子レベルで接合する技術ですが、電気的接続の有無と接続ピッチの微細化レベルに明確な違いがあります。

　ハイブリッド接合は、直接接合の技術を電気接続へと発展させたもの、と理解すると分かりやすいです。

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2つの接合技術の主な違い

特徴	ウエハの直接接合 (Direct Wafer Bonding / Fusion Bonding)	ハイブリッド接合 (Hybrid Bonding)
主な目的	基板の作製、機能層の転写、機械的な結合と電気的絶縁。	3D積層、高速電気的接続、高集積化。
接合対象	主に誘電体（絶縁膜）同士（例：SiO2）	誘電体と微細な金属パッド（Cu）の同時接合。
電気的接続	基本的に無し。絶縁層で接合するため、ウェーハ間の電気的接続は行われない。	有り。埋め込まれた金属パッド（Cu）同士が原子拡散により接合し、チップ間で高密度な電気的接続を実現する。
接続ピッチ	接続ピッチ（距離）の概念は限定的。主に基板全体の強固な接合に利用。	サブマイクロメートル（sub-μm）レベルの極めて微細な接続ピッチを実現。
主な用途	SOI基板の作製、MEMSデバイス、CMOSイメージセンサーの製造基盤。	HBMなどの積層メモリ、チップレット、高性能ロジックの3D積層。

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1. ウエハの直接接合（Direct Wafer Bonding）　

　主にフュージョン接合（Fusion Bonding）とも呼ばれ、絶縁膜（多くはSiO2）で覆われた2枚のウェーハ表面を、プラズマ処理などで活性化し、水素結合の力で常温で密着させ（プレボンディング）、その後に熱処理（アニール）を行って共有結合に変えることで、強固に機械的に接合する技術です。

• 絶縁層を介した接合なので、ウェーハ間で電気的な接続は行いません。
• 主に、異なる材料の層を重ねて新しい基板を作る（例えば、SOI基板）ことや、センサーなどの特殊な構造を持つデバイスの製造に利用されます。

2. ハイブリッド接合（Hybrid Bonding）

　ハイブリッド接合は、この直接接合の技術を電気接続に応用し、発展させたものです。

• 誘電体（絶縁膜）の接合と、絶縁膜に埋め込まれた微細な金属パッド（Cu）の接合を同時に行います。
• 誘電体は機械的な強度と絶縁を担い、金属パッドはチップ間の電気信号伝達を担います。
• この技術により、従来のバンプ（突起）を使った接続技術よりも遥かに微細なピッチで、チップの顔（回路面）同士を直接接続（Face-to-Face接続）できるようになり、3D積層デバイスの性能を飛躍的に向上させます。

　直接接合が主に基板の作成や機械的な接合のために使われるのに対し、ハイブリッド接合は3D積層における超高密度な電気的接続のために使われる、という点が最も大きな違いです。

ハイブリッド接合に必要な技術は何か

　ハイブリッド接合を実現するためには、極めて高い精度が要求される複数の要素技術とプロセス技術が必要です。これらは主に「表面準備」「高精度アライメント・接合」「接合強化」の3つのステップに分けられます。

1. 表面準備技術（前処理）

　接合するウェーハまたはチップの表面を原子レベルで清浄かつ平坦にすることが、接合の成否を分ける最も重要な工程です。

• 化学的機械的平坦化 (CMP: Chemical Mechanical Planarization) 技術
  • 誘電体層（SiO2など）と、それに埋め込まれた金属パッド（Cu）の表面を、ナノメートルオーダーで完璧に平坦化する技術です。わずかな凹凸も接合不良（ボイド）の原因となるため、極限の平坦性が求められます。
• 超高精度洗浄・清浄化技術
  • 接合面にパーティクル（微細なゴミ）や酸化膜、有機物などの不純物が残っていると、電気的接続が阻害されたり、接合強度が低下したりします。特殊な薬液洗浄や高純度水によるリンスで、表面を徹底的に清浄化します。
• 表面活性化技術
  • 接合直前に、プラズマ（酸素や窒素など）やイオンビームを用いて誘電体表面を処理し、表面を活性化（親水性）させます。これにより、誘電体同士が低い温度で強固に接合（フュージョン接合）するための準備を整えます。

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2. 高精度アライメント・ボンディング技術

　誘電体の接合と金属パッドの接続を同時に行うため、極めて精密な位置合わせが不可欠です。

• 超高精度アライメント技術
  • ウェーハまたはチップ同士を、数十ナノメートル（nm）オーダーの精度で位置合わせする技術です。微細なCuパッド同士を正確に接触させるために、高性能なアライメント光学系と位置制御機構が使われます。
  • この精度が、ハイブリッド接合の最大の強みであるサブミクロンピッチの接続を可能にします。
• 真空/クリーンな接合環境技術
  • 接合は、空気中の不純物や湿気の影響を避けるため、高真空環境または高度なクリーン環境（ISOクラス1など）の装置内で行われます。
• 常温/低温プレボンディング技術
  • 誘電体同士を、常温または比較的低温（約 100℃以下）で最初に密着させて機械的に接合します。これは、プラズマ活性化された誘電体表面の水酸基(OH基)による水素結合を利用したものです。

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3. 接合強化技術（ポストボンドアニーリング）

　予備接合後のウェーハまたはチップに熱処理を施し、接合を最終的に強固なものにします。

• 熱圧着・拡散接合技術
  • プレボンディング後、加熱処理（ポストボンドアニーリング）を行います。誘電体は水素結合から共有結合へと変わり、金属パッド（$\text{Cu}$）同士は熱と圧力により原子が相互に拡散し（拡散接合またはCu-Cu熱圧着）、電気的に完全に一体化します。
  • この熱処理の温度や時間は、接合強度とチップへの熱的影響のバランスを考慮して厳密に制御されます。