3D ICパッケージ：異種接合技術の発展と現場加熱原子間力顕微鏡を用いたプロセス設計の支援

3D ICパッケージング：異種接合技術の発展とインシチュ加熱原子間力顕微鏡を用いたプロセス設計の支援

陳智 講座教授、林懐恩 博士課程学生

陽明交通大学 材料科学与工程学系

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3D ICパッケージングと異種接合技術

近年、人工知能(artificial intelligence)と高性能コンピューティング(high performance computing)市場の急成長が半導体技術をより高性能でより低消費電力の方向に推進しています。一般的に、チップの性能向上はトランジスタのサイズを縮小することで実現できますが、サイズが継続的に微縮するにつれて、量子トンネル現象が漏れ電流を引き起こし、消費電力が増加します[1]。この困難を突破するために、トランジスタ構造を垂直方向に製作した3D IC、例えばフィン型トランジスタ(FinFET)や環状ゲート型トランジスタ(GAAFET)がCMOS技術の発展の顕著な学問となり、市場でも成功裏に応用されています。しかし、CMOS技術ノードの微縮と同時に、後工程(BEOL)の相互接続ワイヤの長さと複雑性が増加し、ワイヤ遅延が大幅に増加し、チップ性能のさらなる向上のボトルネックとなっています[2]。図1）。さらに、3D ICアーキテクチャの複雑さは、プロセスと研究開発のコストを高く保っています。これらの問題を解決するために、2.5D/3D ICパッケージ技術が登場しました。これは、異なる機能のチップをより高い統合度で結合し、信号伝送経路を短縮することで、全体の消費電力を低減します。その中で、3D ICパッケージ技術はシステムの統合度、体積、性能の面で優れた利点を持ち、単位コストを効果的に削減できるため、ムーアの法則（More than Moore）を継続するための重要な技術となっています[3](図 2)。

3D ICパッケージング技術において、チップの垂直スタッキングは重要なプロセスです。現在、チップスタッキングの主流な方法は依然としてはんだバンプ(solder bump)が中心です。しかし、接点間隔の微細化に伴い、はんだバンプ技術は首絞め(necking)、枯渇(depletion)、崩壊(collapsing)などの多くの信頼性問題に直面しています[4, 5]。したがって、これらの課題を克服するために、異種接合技術が登場しました。はんだバンプと比較して、異種接合技術は単一のプロセスで絶縁体層と金属導線層を同時に形成し、高密度で低抵抗の相互接続を実現し、さらに消費電力を低下させることができます。このため、この技術は多くの半導体企業によって広く採用されており、ソニー(Sony)は2016年にCMOSイメージセンサー(CIS)に導入しました[6]。図4)、業界で初めて異種接合技術を使用した製品である超威半導体(AMD)は、2022年にこの技術を応用した初のサーバープロセッサを発表し、台積電(TSMC)のSoIC技術を採用して、消費電力を効果的に低減しました(図5異質接合の量産が進むにつれて、3D ICパッケージングの重要性がますます高まっていることが示されています。

図3. はんだボールのサイズと間隔の微細化による信頼性の問題[4, 5]。

ハイブリッドボンディング技術は高密度接点を実現し、チップ性能を向上させることができますが、その特殊な接合メカニズムはプロセス上の多くの課題をもたらします。そのメカニズムは図6に示すとおりで、まず銅／二酸化ケイ素ダマシンビア(Cu/SiO₂damascene via)の上下ウエハ（またはチップ）を対位させ、その後室温で誘電層の接合を行い、最後に高温でアニーリングを行う際に、銅と二酸化ケイ素の間の熱膨張係数の不一致を利用して、銅パッドが膨張し対側の銅パッドに接触し、銅対銅接合が完了します。銅パッドのアニーリング下での膨張量はナノレベルであるため、銅/二酸化ケイ素のインターポーザホールの製造は非常に困難です。化学機械平坦化（chemical mechanical planarization, CMP）の過程で銅パッドが過磨耗（over-polishing）されると、銅パッドは後のアニーリング時に接合を完了できず、プロセスが失敗する原因となります。図 6bしたがって、正確なCMP制御と高温下での銅パッドの膨張量を理解することは、異種接合のプロセス歩留まりを向上させるために非常に重要です。過去の関連研究は、有限要素法（finite element analysis, FEA）などのシミュレーション手法を用いて、高温下での銅パッドの熱膨張量を計算することしかできず、直接測定する方法が不足していました。この関連技術の不足を補うために、本研究チームは、臨場加熱原子間力顕微鏡（in-situ heating atomic force microscopy, in-situ AFM）を使用して、温度上昇条件下での銅パッドの表面形態を観察し、実際の膨張量を取得することに成功しました。これは関連研究において初めてのことです。このデータにより、CMP制御における銅パッドの凹み量（Cu recess）やアニール温度など、異種接合に関連するプロセスウィンドウを把握でき、シミュレーション数値の正確性を検証することができ、関連アプリケーションにおける大きなブレークスルーとなります。

図6. 異質接合のプロセスフローには、ウェーハ（またはチップ）のアライメント、室温での誘電体接合の実現、および後退火を通じての銅対銅接合の完了が含まれます。(a) 銅パッドの凹み量（Cu recess）の最適化および (b) 銅パッドの凹み量が過剰な場合 [10]。

インシチュ加熱原子間力顕微鏡の使用原理

原子力顕微鏡(AFM)は表面形状の分析によく使用され、その主な構成要素にはプローブを持つカンチレバー(cantilever)、圧電スキャナー(piezoelectric scanner)、レーザー光源および光センサー(photodetector)が含まれます。AFMの基本原理は、プローブが試料表面をスキャンし、光センサーがレーザー信号を受信してプローブ位置の変化を検出することによって、表面形状図を描くことです。AFMには接触モード(contact mode)、非接触モード(non-contact mode)、およびタッピングモード(tapping mode)の3種類があり、それぞれ異なる応用シーンに適しています。その中でも、タッピングモード(tapping mode)は最高の空間解像度を提供するため、表面形状分析に広く使用されています。

図7. インシチュ加熱原子間力顕微鏡の示意図であり、温度制御可能な試料台とプローブ、気流制御システム、ゴムカバーを含んでいる [12]。

軽打モードでは、 cantilever が共振周波数に近い方法で振動し、プローブが間欠的に試料表面に接触します。プローブが試料に近づくと、プローブと試料間の相互作用が振動振幅を低下させ、圧電フィードバックシステムがプローブの垂直位置（z軸）を調整して振動振幅を一定に保ちます。スキャン過程でのz軸の調整量を記録することで、試料の三次元形状図を生成し、高解像度のイメージングを実現します。一般的に、軽打モードAFMは0.1 nm未満の垂直解像度を持ち、これは圧電素子の高感度に起因し、銅パッドの膨張量を正確に測定するのに十分です。

 

軽打モードAFMの動作原理に基づき、測定中に共振周波数と振幅が安定していることを確認すれば、加熱環境下でAFMを実行できます。本研究では、Bruker Inc.のDimension ICONを使用しており、この装置には加熱可能な試料台と懸架、ガス制御システム、ゴムカバーが含まれています。図7示されています。本研究の測定範囲は室温(RT)から200°Cまでで、各テスト温度で15分間保持し、熱平衡に達した後にスキャンを行い、熱ドリフト効果(thermal drifting)を避けます[11]。プローブと試料表面の間の温度差による誤差を減らすために、測定時には試料とカンチレバーを同じ温度に加熱する必要があります。また、銅パッド表面の酸化を避けるために、測定過程でゴムカバー内に安定した流量のアルゴン(Ar)を継続的に注入します。

In-situ AFMを利用した異種接合プロセスの設計

本研究では in-situ AFM を用いて、銅／二酸化ケイ素ダマシンビアの異なる温度における表面形態を記録しました。図8温度が上昇するにつれて、銅パッドの色が濃い茶色から淡い白に変化し、銅パッドの表面の高さが温度の上昇に伴って増加することが示されます。同様の結果は横断面の膨張曲線図でも見ることができます。図8b観察された。図8c銅と二酸化ケイ素の表面の高低差を異なる温度で示すと、室温での銅は二酸化ケイ素の表面に対して約6ナノメートル凹んでおり、150°Cでは二酸化ケイ素の表面から突き出し、200°Cでは約4ナノメートルの突き出し量に達する。この結果は、異質接合のメカニズムを直接測定によって検証した初めての研究であり、銅が凹みから膨張して突起することを示している。また、この銅パッドをその凹凸転換温度（150°C）で接合すると、接合が順調に完了することができ、本研究はin-situ AFMを利用して異質接合のプロセス設計を成功させた。

ナノ結晶銅を利用してシリコン酸化物の孔内での熱膨張量を向上させ、異種接合に応用する

異種接合において、化学機械平坦化（chemical mechanical planarization, CMP）のプロセス精度は生産歩留まりに直接影響します。しかし、サイズと接点間隔の微細化が進むにつれて、銅パッドの膨張量はますます小さくなり、CMP精度に対する要求はますます非現実的になっています[10]。したがって、膨張量を増加させることが別のアプローチとなります。関連文献では、銅パッドを合金化したり、追加のキャッピング層（capping layer）をコーティングすることで、膨張量を約40％増加させることができると提案されています[13]。しかし、この方法は金属間化合物（intermetallic compound, IMC）の生成や抵抗の増加を引き起こす可能性があり、既存のプロセスに適合しません。この困難を解決するために、私たちのチームは結晶粒界工学（grain-boundary engineering）の概念を使用し、電気めっきによってナノ結晶銅（nanocrystalline Cu, NC-Cu）を作製し、膨張量を100％以上増加させることに成功しました[14]。

図 10一般的な銅とナノ結晶銅の後方散乱電子回折による俯瞰観察。電気めっき時に結晶粒微細化剤を追加することにより、銅パッドの結晶粒サイズが約100ナノメートルまで縮小され、in-situ AFMによる温度変化に伴う表面形態の結果図11中でナノクリスタル銅の膨張程度が非常に明らかであることが観察できる。横断面の膨張曲線から（図12）また、ナノクリスタル銅の膨張量が一般の銅よりも100％以上向上することが観察される。統計的に有意な累積分布図（図13においても、ナノ結晶銅の膨張量が一般的な銅より明らかに大きいことが確認でき、ハイブリッドボンディングのプロセスウィンドウを拡大する高い可能性を示しています。さらに、累積分布図（図13銅の膨張量は正規分布であることがわかり、膨張量の下限は異種接合のプロセスウィンドウであり、これはシミュレーションでは提供できない重要な数値である。

技術展望

半導体市場の拡張に伴い、3D ICパッケージングはチップ性能を向上させるための鍵となっています。しかし、その中核技術である異種接合は、サイズの微細化による銅パッドの膨張量の低下など、依然として多くの技術的課題に直面しています。これらの問題を解決するために、本研究チームは、インシチュ加熱原子間力顕微鏡（in-situ AFM）を利用して、異なる温度での銅/二酸化ケイ素埋め込みボアの表面形状を直接測定し、統計的に有意な銅パッドの膨張データを取得し、異種接合のプロセスウィンドウを特定しました。さらに、私たちは結晶境界工学（grain boundary engineering）を通じて、銅パッドの結晶粒サイズをナノレベルに縮小し、その熱膨張挙動を著しく向上させ、膨張量を100％以上増加させ、現在の半導体プロセスに適合させました。この技術のブレークスルーは、狭間隔の異種接合における高い応用可能性を示しています。

Reference:

[1] R.W. Keyes, シリコントランジスタと回路の物理的限界,Reports on Progress in Physics, 68 (2005) 2701.

[2] M.R. Baklanov, C. Adelmann, L. Zhao, S. De Gendt, 高度な相互接続: 材料、処理、信頼性, ECS固体状態科学技術ジャーナル, 4 (2015) Y1-Y4.

[3] W. Arden, M. Brillouët, P. Cogez, M. Graef, B. Huizing, R. Mahnkopf, More-than-Moore ホワイトペーパー, バージョン 2 (2010) 14.

[4] C. Chen, D. Yu, K.-N. Chen, 3D統合におけるマイクロバンプの垂直相互接続, MRS bulletin, 40 (2015) 257-263.

[5] K. Oi, S. Otake, N. Shimizu, S. Watanabe, Y. Kunimoto, T. Kurihara, T. Koyama, M. Tanaka, L. Aryasomayajula, Z. Kutlu, 新しい2.5Dパッケージの開発：超微細配線と高密度バンプを備えた新しい統合有機インターポーザ基板、2014 IEEE第64回電子部品および技術会議（ECTC）、IEEE、2014年、348-353ページ。

[6] Y. Kagawa, N. Fujii, K. Aoyagi, Y. Kobayashi, S. Nishi, N. Todaka, S. Takeshita, J. Taura, H. Takahashi, Y. Nishimura, 新しいスタックCMOSイメージセンサーと先進的Cu2Cuハイブリッドボンディング, 2016 IEEE国際電子デバイス会議 (IEDM), IEEE, 2016, pp. 8.4. 1-8.4. 4.

[7] E. Beyne, S.-W. Kim, L. Peng, N. Heylen, J. De Messemaeker, O.O. Okudur, A. Phommahaxay, T.-G. Kim, M. Stucchi, D. Velenis, スケーラブルな2μm未満ピッチのCu/SiCNからCu/SiCNハイブリッドウエハー間接合技術、2017 IEEE国際電子デバイス会議（IEDM）、IEEE、2017、pp. 32.34. 31-32.34. 34.

[8] S. Furuse, N. Fujii, K. Kotoo, N. Ogawa, S. Saito, T. Yamada, T. Hirano, Y. Hagimoto, H. Iwamoto, ウェハ間のCu-Cuハイブリッドボンディングにおけるボンディング強度の挙動, 2022 IEEE第72回電子部品技術会議 (ECTC), IEEE, 2022, pp. 591-594.

[9] M.-K. Kim, S. Park, A. Jang, H. Lee, S. Baek, C. Lee, I. Kim, J. Park, Y. Jee, U.-B. Kang, 異種誘電体を用いたダイ・トゥ・ウェハーのハイブリッドボンディングの特性評価, 2022 IEEE第72回電子部品技術会議 (ECTC), IEEE, 2022, pp. 335-339.

[10] H.-E. Lin, W.-L. Chiu, H.-H. Chang, Y.-T. Yang, C. Chen, in-situ AFMを使用した先進的なハイブリッドボンディングにおけるCu熱膨張に対するダウンサイクリング効果の課題を明らかにする, Applied Surface Science, (2025) 162539.

[11] B. Bhushan, ナノトライボロジーとナノメカニクス：入門、シュプリンガー、2008年。

[12] H.-E. Lin, D.-P. Tran, W.-L. Chiu, H.-H. Chang, C. Chen, 高温下の原子間力顕微鏡を用いたCu/SiO2ハイブリッド構造における熱膨張のその場測定, Applied Surface Science, 662 (2024) 160103.

[13] S. Dag, M. Liu, L. Jiang, A. Kiaee, G. See, P. Lianto, B. Ayyagari-Sangamalli, E.M. Bazizi, 低温ハイブリッドボンディングのための銅熱係数の開発, 2023 IEEE 第73回電子部品および技術会議 (ECTC), IEEE, 2023, pp. 342-349.

[14] H.-E. Lin, D.-P. Tran, W.-L. Chiu, H.-H. Chang, C. Chen, ハイブリッドボンディングのためのSiO2ビアにおけるナノ結晶Cuによる熱膨張の強化, Applied Surface Science, 672 (2024) 160784.