칩렛(chiplet)의 가능성과 필요한 기술들

칩렛을 통한 접근법은 여러 가지 장점을 제공합니다. 첫 번째로, KGD (Known Good Dies)의 조합이 가능하다는 점입니다. 칩렛은 개별 기능 칩들을 결합하기 때문에, KGD는 조립을 위해 미리 분류될 수 있습니다. 두 번째로, 각 칩은 반도체 생산 중 최적의 공정 노드를 사용하여 제조될 수 있습니다. 칩렛의 제조 과정은 가장 진보된 기능 블록에 의해 제한되지 않으며, 각 칩렛에는 서로 다른 공정이 적용될 수 있습니다. 세 번째로, 각 기능 칩의 풋프린트(footprint)는 모놀리식 칩 설계보다 더 유연하게 조정될 수 있습니다. 이러한 장점을 바탕으로, 하이브리드 본딩 인터커넥션 기술은 반도체 기업들이 다양한 기능, 기술 노드 및 크기를 아우르는 이종 집적 (HI, Heterogeneous Integrated) 칩렛을 실현할 수 있게 합니다. 이 기술은 칩렛들이 하나의 통합된 제품처럼 작동하도록 만들어 주며, 궁극적인 응용 분야는 고성능 컴퓨팅(HPC)과 인공지능(AI) 영역에서 빠르게 성장하고 있습니다. 전통적인 2D 트랜지스터 스케일링이 한계에 부딪히고 비용이 증가하는 가운데, 하이브리드 본딩은 그 해결책을 제공합니다.

하이브리드 본딩 인터커넥션 제조 접근법

하이브리드 본딩 인터커넥션은 실리콘 칩에서 다른 칩으로 금속 패드 간의 직접적인 연결을 통해 이루어집니다. 하이브리드 본딩 인터커넥션은 Cu-Cu 본딩과 유전체-유전체 본딩 인터페이스를 고려하며, 이를 위해서는 구리와 유전체 재료를 취급하는 세심한 공정 제어가 필요합니다. 이는 열 압축 본딩(TCB)및 DBI (Direct Bonding Interconnection)을 통해 수행할 수 있습니다.

열 압축 본딩(TCB)

열 압축 본딩(TCB) 기술은 고급 플립칩 솔더 본딩 공정에서 널리 사용되고 있습니다. 이 다목적 기술은 하이브리드 본딩 인터커넥션에도 적용 가능하며, 특히 표면 조건에 관한 보다 넓은 공정 창을 제공합니다. 그러나 전통적인 TCB는 취급 찹에 대한 가열 시간이 길어지는 단점이 있습니다.

DBI

Direct bonding interconnection (DBI)은 상온 또는 저온 가열 온도에서 표면 활성화 처리 후 다이를 바로 하부 웨이퍼에 배치하는 방법입니다. 이 접근법은 다이 배치 시 열 팽창 계수(CTE) 불일치에 대한 우려를 크게 줄여줍니다. 그 후 post-annealing 단계를 거쳐 하이브리드 본딩 인터커넥션이 완성됩니다. DBI 방법은 처리량, 오버레이 정확도, 그리고 전체 비용 절감에서 개선 가능성을 제공합니다. 그러나 성공적인 본딩 수율을 달성하려면 고급 표면 처리, 유전체 표면 조건, 그리고 구리 디싱(copper dishing) 제어가 필수적입니다.
DBI 방법을 사용한 몇몇 고급 데모에서는 300nm 이하의 웨이퍼 간 오버레이 정확도를 달성했으며, 최적화된 조건 하에서는 100nm까지도 성공적으로 본딩할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 결과는 하이브리드 본딩 인터커넥션에서 서브마이크론 접촉 패드 크기까지 다룰 수 있는 능력을 입증합니다.
전통적인 하이브리드 본딩 공정에서는 다결정 구리 패드(Cu-Cu 접속)와 SiO2 유전체(SiO2-SiO2 본딩)를 사용하며, 후열 처리 온도는 280~400°C 사이에서 이루어져야 합니다. 그러나 이러한 고온 후열 처리 공정은 열에 민감한 장치(예: DRAM)에서는 문제를 일으킬 수 있습니다. 이에 따라, 220°C 이하의 저온 공정 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이는 고급 이종 집합체 통합의 적용 범위를 확장하는 데 중요한 연구 분야입니다.

하이브리드 본딩 인터커넥션 방식

하이브리드 본딩 인터커넥션은 다양한 본딩 절차를 통해 이루어질 수 있습니다. 주로 고려되는 방법은 wafer to wafer (W2W) 본딩, chip to chip (C2C) 본딩, chip to wafer (C2W) 본딩입니다. W2W 본딩은 고속 이미지 센서의 대량 생산에서 성공적으로 적용되었습니다. DBI 기술을 통해 개발되었습니다. 최근에는 로직 칩과 수동 웨이퍼의 통합에 관한 보고도 있습니다.
C2C 본딩은 3D 적층 DRAM 응용 분야에서 많이 사용되며, 저온 하이브리드 본딩 인터커넥션(LT-HBI) 기술 개발이 주요 초점으로 떠오르고 있습니다. C2W 본딩은 로직 칩을 SRAM에 결합하거나 로직-로직 통합에 사용됩니다. 연구는 비용 절감을 목표로 더 많은 칩을 적층하는 고급 통합과 해결책 개발에 집중하고 있습니다.
다양한 하이브리드 본딩 인터커넥션 절차의 비교는 그림 3에 나타나 있습니다. 두 가지 주요 본딩 방법인 wafer to wafer (W2W) 본딩과 die to wafer (D2W) 본딩이 있으며, die to wafer에 대한 Collective Bonding 기술은 D2W 절차와 W2W 본딩 과정을 결합한 접근법입니다.
하이브리드 본딩 인터커넥션 기술은 칩렛 통합에 큰 가능성을 열어주며, 고성능 컴퓨팅과 인공지능 분야에서 중요한 역할을 합니다. 기존 본딩 기술의 한계를 극복하고, 다양한 공정 노드와 크기의 칩렛을 통합하여 하나의 고성능 제품을 만드는 데 필요한 핵심 기술로 자리잡고 있습니다. 이 기술은 반도체 제조업체들이 이종 집합체를 실현하는 데 중요한 기반이 됩니다.

D2W (Die-to-Wafer) 본딩 기술

D2W 본딩 기술은 이종 및 동질적 집합체 통합 시나리오에서 하이브리드 본딩 인터커넥션에 널리 적용됩니다. 이 공정은 기능성 장치 웨이퍼를 다이싱한 후, KGD (Known Good Dies)를 임시 캐리어(일반적으로 임시 접착 테이프가 부착된 프레임 형태의 캐리어)에 옮기는 방식으로 이루어집니다. 이 프레임형 캐리어는 표면 활성화 및 세척 과정을 거친 후, KGD가 기능성 웨이퍼에 위치하게 됩니다.

D2W 공정의 장점은 다음과 같습니다:
1. 본딩 전 KGD의 미리 분류가 가능
2. 다양한 다이 크기를 수용할 수 있는 유연성
3. 다양한 웨이퍼 유형과 호환되어 불일치 영향을 줄일 수 있음
하지만 이 기술의 한계 중 하나는 처리 속도입니다. 본딩 속도를 향상시키고, 다이-웨이퍼 정확도를 높이며, 비용 효율성을 달성하는 것이 D2W 기술 개발의 주요 목표입니다.

Integrated DB C2W 본딩 개념

이 방식은 주요 모듈들이 주 프레임 내에서 서로 연결된 여러 클러스터로 구성됩니다. 주요 모듈은 표면 활성화 (플라즈마 처리), 세척, DB 본딩 등이 있으며, 이들은 표면 활성화와 DB 본딩 간의 큐 대기 시간을 최소화하도록 밀접하게 연결되어 있습니다. 개별적인 패키징을 할 때보다 우수한 입자 제어를 보장하며, 복잡한 이종 칩렛, 접촉 패드 축소, 저온 하이브리드 본딩에서 장점이 있습니다.

W2W (Wafer-to-Wafer) 본딩 기술

W2W 본딩 기술은 실리콘 웨이퍼 표면에 증착된 다이엘렉트릭 층에 접촉하는 방법으로 시작되었습니다. 이 방법은 웨이퍼 후면의 CMOS 이미지 센서(BSI-CIS), MEMS 장치, 후면 전력 분배 네트워크(BSPDN)의 생산 등 여러 분야에서 적용되었습니다. 융합 본딩의 확장은 하이브리드 본딩 인터커넥션을 메탈과 다이엘렉트릭을 포함하는 방식으로 정의하며, 이것이 바로 W2W 본딩입니다.
W2W 본딩은 열 압축 융합 본딩과 DB 모드(상온에서 접촉 후 후열 처리)를 통해 처리할 수 있습니다. 하지만 W2W 하이브리드 본딩 인터커넥션은 융합 본딩과 비교해 추가적인 고려 사항을 필요로 합니다. 정밀 화학-기계적 연마(CMP) 공정이 중요하며, 이는 전체 두께 변화(TTV)와 구리 패드 표면 프로파일의 균일성을 관리하는 데 필수적입니다.
12인치 W2W 본딩의 경우, 나노에서 서브나노 크기의 유전체 표면 거칠기(Ra)와 구리 표면 디싱 프로파일의 정밀 제어가 필수적입니다. 또한 웨이퍼 변형을 제어하는 것이 중요하며, 이는 W2W 접촉 중 오버레이 정렬을 보장합니다. 본딩된 웨이퍼의 가장자리 상태는 이후 웨이퍼 thinning 과정에 영향을 미치며, 가장자리에 대해서는 trimming이 필요할 수 있습니다.

W2W 본딩 vs D2W 본딩

W2W 본딩은 처리량 측면에서 장점이 있고, 공정 흐름이 더 간단합니다. 그러나 W2W 본딩의 한계는 KGD를 개별적으로 본딩할 수 없다는 점입니다. 웨이퍼 수율 손실은 본딩 공정 자체뿐만 아니라 개별 웨이퍼의 수율에 의해서도 영향을 받습니다. 최근에는 Collective Bonding 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 KGD를 재구성된 웨이퍼(ReCon 웨이퍼) 위에 배치 한 후 W2W 본딩 공정을 진행하는 방식입니다. 그러나 이 기술은 그 기능을 입증하기 위한 추가적인 실험이 필요합니다.
Collective Bonding 방식은 임시 D2W 본딩과 영구 W2W 본딩 오버레이를 결합하여 본딩 오버레이 정확도를 개선할 수 있습니다. D2W 공정과 비교했을 때, Collective Bonding 기술은 섬세한 피치 하이브리드 본딩 제품 처리에서 동일한 수준의 정확성을 달성하기 어려울 수 있습니다.