銅ハイブリッドボンディング技術における革新的ブレークスルー：3D ICおよび先端パッケージングの鍵となる技術2025年6月18日陳冠能・劉昱論（国立陽明交通大学電子研究所 教授）
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- 2025年6月19日
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三次元集積回路（3D IC）技術は、半導体産業の革新を推進する鍵となる技術として、着実にその重要性を高めつつある。人工知能（AI）、高性能コンピューティング（HPC）、第5世代移動通信（5G）、およびモノのインターネット（IoT）などの応用が進展する中、従来のムーアの法則（Moore’s Law）はすでに飽和状態に達しており、微細化によって性能を向上させるという水平的な手法は物理的限界に直面している。
これに対し、3D ICは複数のチップやウエハを垂直方向に積層することにより、これらの制約を打破し、より高い演算性能、より低い電力消費、そしてより高度なシステム統合を実現する技術である。従来の2D ICと比較して、3D ICはチップ内部およびチップ間の配線距離を大幅に短縮でき、寄生抵抗および寄生容量を著しく低減できる。その結果、信号伝送速度の向上、電力損失の削減、全体帯域幅の拡大が可能となり、高帯域幅メモリ（HBM）、AIアクセラレータ、データセンターといった用途において最適な選択肢となる。
さらに、3D IC技術は異種集積（Heterogeneous Integration）を促進し、異なるプロセスノード、材料、さらには機能を持つ素子を一つのパッケージ内で協調して動作させることを可能にする。たとえば、プロセッサ（CPU/GPU）、メモリ（DRAM）、高周波（RF）モジュール、センサー（Sensor）などを一体化することにより、システム性能の向上に加え、コスト最適化と設計の柔軟性向上をも実現できる。
より高い演算性能、低遅延、高エネルギー効率を有する電子部品への需要が高まり続ける中、半導体産業は急速に3D IC技術へと移行しつつある。低消費電力および高入出力（I/O）密度に対する要求に応えるため、ICのインターコネクト（相互接続）技術も継続的に進化してきた。
従来、フリップチップ（Flip-chip）技術は、高性能チップとパッケージ間の標準的なインターコネクト手段として、はんだバンプ（Solder bumps）を用いており、そのピッチ（間隔）は通常100μmを超えていた。しかし、このような大きなピッチのはんだバンプ方式では、寄生抵抗および寄生容量の影響が避けられず、信号の減衰およびエネルギー消費の増大を引き起こす。その結果、信号の完全性と電力効率が低下し、最終的にシステム全体の性能を制限する要因となっていた。
これらの制約を克服し、より高い統合密度や高帯域幅メモリの積層、さらには先進パッケージング技術の実現を目指して、業界はマイクロバンプ（Microbump）技術へと移行した。この技術は、バンプ間距離を10～50μmにまで縮小することを可能にした。しかしながら、マイクロバンプも根本的な課題に直面している。たとえば、電気的移動（エレクトロマイグレーション：EM）、接触抵抗の増加、アンダーフィル材（Underfill）による信頼性問題などがそれに該当する。これらの課題は、インターコネクトのさらなる微細化を妨げる障壁となっている。
このような技術的課題を解決すべく、**ハイブリッドボンディング（Hybrid Bonding）技術が登場し、ブレークスルー的な解決策として注目されている。この技術は、10μm以下のピッチで銅-銅接合（Cu-to-Cu bonding）および誘電体-誘電体接合（Dielectric-to-dielectric bonding）**を実現可能とし、はんだの使用を排除することで、寄生効果を大幅に低減し、信号の完全性と電力効率を著しく向上させることができる。
近年、**ウエハー対ウエハー（Wafer-to-Wafer, W2W）およびチップ対ウエハー（Die-to-Wafer, D2W）のハイブリッドボンディングにおける進展により、インターコネクトのピッチはサブミクロン領域にまで到達しており、これは高密度な三次元システム・オン・チップ（3D-SoC）**アーキテクチャの実現に不可欠である。
この技術は、高帯域幅かつ低遅延のデータ伝送を必要とする応用――たとえばAIアクセラレータ、データセンター向けアーキテクチャ、先進的なモバイルプロセッサ――への応用拡大が期待されている。さらに、ハイブリッドボンディングは優れた熱安定性および機械的安定性を備えており、異種集積を加速する技術基盤ともなり得る。これにより、異なる材料や機能を持つデバイスを、高密度かつ高性能なシステムアーキテクチャ内にシームレスに統合することが可能となる。
。。。。中略
今後の動向と結論
ハイブリッドボンディングは、一般に高性能コンピューティング（HPC）および高帯域幅メモリの技術ノードと深く関連しているため、高歩留まりかつ高信頼性のマルチチップ積層が標準的な要件となりつつある。しかしながら、積層には複数の薄化されたチップが関与し、さらにハイブリッドボンディング工程では温度上昇を伴うため、接合系に大きな応力や反り（warpage）が発生し、後続の製造プロセスやパッケージングに悪影響を及ぼす。このため、低温ハイブリッドボンディング技術の開発が重要な課題である。
また、適切なボンディング材料（特に誘電体材料）の選定は、最適なボンディング方式（たとえば、DBI: Direct Bond Interconnect や TCB: Thermo-Compression Bonding）を決定するうえで極めて重要である。たとえば、SiCNは既にハイブリッドボンディングに成功裏に応用されており、他にもボンディング温度と加工時間を低減するために様々な**高分子材料（ポリマー）**が提案されている。
さらに、銅に代わる材料を用いて、より低温でのボンディングを実現することも業界の研究テーマとなっている。最終的に、精密なハイブリッドボンディング装置の導入が、成功するボンディングプロセスを保証する鍵となる。接合工程には極めて高い清浄度の環境が求められるだけでなく、接合面の表面状態や微粒子管理は、装置の性能に大きく依存する。また、**アライメント精度（alignment accuracy）**は、銅パッド間のピッチや寸法制御において極めて重要であり、今後のロジックやメモリの積層応用において、インターコネクト密度の増加に伴い、サブミクロンレベルの位置合わせ誤差の制御が基本要件となっている。このように、ハイブリッドボンディング装置の精度と性能は極めて重要である。
過去20年間にわたり、ハイブリッドボンディング技術は3D ICおよび先端パッケージング分野において顕著な進展を遂げてきた。銅-銅ボンディングおよびDBIボンディングの発展により、この技術は**ウエハー対ウエハー（W2W）およびチップ対ウエハー（D2W）**プロセスに広く導入され、技術革新を加速させている。ハイブリッドボンディングは、システムの小型化、性能および効率の限界を継続的に打破し続けている。
低温ボンディングや微細ピッチインターコネクトといった鍵となる技術の発展は、多くの課題を克服し、先端半導体システムの厳格な要件に応えるものとなっている。
今後においては、材料開発、ボンディングおよびCMP装置の改良、新しい接合方式の導入が、残された課題――たとえばコスト低減、歩留まり向上、反りの抑制、マルチチップ積層時の応力管理――の克服において極めて重要な役割を果たす。これらの課題を解決することにより、ハイブリッドボンディング技術は、高密度・低消費電力・高信頼性を兼ね備えた半導体デバイスの発展において、中心的な役割を担うこととなるであろう。