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芯解説半導体技術

SEMICON SHINBUN / TECHNICAL NOTE

ハイブリッドボンディングはなぜバンプをなくすのか――微細接続を支える表面と位置合わせ

Cuと絶縁膜を同時に直接接合するハイブリッドボンディングを、短い配線の利点だけでなく、平坦化・清浄度・位置合わせ・歩留まりの条件から読み解く。

セミコン芯聞 編集部　／　公開資料に基づく技術解説

ハイブリッドボンディングは「はんだバンプを使わず、銅同士を直接つなぐ技術」と説明される。だが、バンプを取り去るだけでは接続にならない。上下の絶縁膜を隙間なく接触させ、その中に埋め込まれた微小なCu電極を同時に合わせる必要がある。接続ピッチを狭められる理由と、量産が難しくなる理由は、同じ接合面にある。

FIG.01MICROBUMP / HYBRID BONDING
マイクロバンプとハイブリッドボンディングの接合界面比較左は上下のチップをバンプとアンダーフィルで接続し、右は平坦な絶縁膜と埋め込み銅パッドを直接接合する模式図MICROBUMPHYBRID BONDINGBUMP + UNDERFILL / PITCH LIMITCu–Cu + DIELECTRIC–DIELECTRICFLATNESS / CLEANLINESS / OVERLAY接続を短くするほど、接合面の精度が支配的になる
従来のマイクロバンプ接続と、Cu・絶縁膜を同時に直接接合するハイブリッドボンディングの定性的な模式図。寸法、材料構成、工程順は製品ごとに異なる。
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「ハイブリッド」は二種類の接合を同時に作る

従来のフリップチップ接続では、上下の電極をはんだバンプやCuピラーでつなぎ、その周囲をアンダーフィルで支える。ハイブリッドボンディングでは、平坦化した絶縁膜同士を直接密着させ、絶縁膜内に埋め込まれたCuパッド同士も接続する。電気を通すCu–Cu接合と、面全体を機械的に支える絶縁膜–絶縁膜接合を一つの界面で成立させるため「ハイブリッド」と呼ばれる。

中間に背の高いバンプを置かないため、端子間隔を縮めやすく、上下層を結ぶ経路も短くできる。これは単にパッケージを薄くする話ではない。接続数を増やしながら、各接続の寄生抵抗と寄生容量を抑え、ロジックとメモリーの間を高密度に結ぶ選択肢になる。ただし、効果は製品構成、配線長、接続密度によって変わり、「採用すれば必ず高速・低消費電力」と一般化してはならない。

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接合はCuより先に、表面から始まる

代表的なウェーハ・ツー・ウェーハ工程では、絶縁膜に微小な穴を形成し、バリア膜、シード層、Cuを埋める。その後CMPで接合面を極めて平坦に仕上げ、Cu表面を絶縁膜より数nmだけ低く制御する。洗浄と表面活性化を経て二枚を位置合わせし、まず室温で絶縁膜同士を接触させる。続く熱処理で界面の結合を強め、Cuの膨張と拡散によって電気的な接続を完成させる。

ここで重要なのは、Cuパッドだけを押し付けているのではないという点である。小さな粒子、CMP後の凹凸、Cuの過大な窪み、ウェーハの反りがあると、面同士が十分に接触せずボイドや未接続を生む。接合面が配線であると同時に精密な機械界面でもあるため、前工程に近い平坦化、洗浄、計測が後工程側へ入り込む。

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ピッチを縮めるほど、位置ずれの余白が消える

接続ピッチが広ければ、上下のパッドが少しずれても重なりを確保できる。微細化すると同じ位置ずれがパッド面積に占める割合が大きくなり、導通面積の不足や隣接部との絶縁余裕低下につながる。したがってハイブリッドボンディングの縮小は、Cu寸法だけでなく、露光、ウェーハ変形補正、ボンダーの位置合わせ、接合後検査を一緒に縮める課題である。

imecは2024年の解説で400nmピッチに対して100nm未満のオーバーレイ制御が量産歩留まりに必要と整理した。さらにimecとEV Groupは2026年5月、300mmウェーハの試験構造で200nmピッチと、全ダイにおける40nm未満の接合後オーバーレイを報告した。これは研究開発上の実証であり、あらゆる製品が同じ寸法で量産されているという意味ではない。

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W2WとD2Wは「速さ」と「選別」の交換条件を持つ

Wafer-to-Wafer（W2W）は二枚のウェーハを一括して接合するため、多数のダイを同時処理できる。一方で、上下のダイ配置と寸法を合わせる必要があり、接合前の不良ダイも組み合わされ得る。Die-to-Wafer（D2W）は切り出して検査した良品ダイを選んで載せられ、異なるサイズや機能を組み合わせやすいが、ダイごとの搬送、位置合わせ、清浄な個片化が必要になる。

つまり「最も微細な接続が常に最適」ではない。ダイ面積、良品率、積層する機能、処理能力、再加工の可否、総コストを合わせて方式を選ぶ。IEEE EPSがまとめたECTC 2025特別セッションでも、欠陥、計測、設計、コスト、再加工可能性が普及上の論点として挙げられている。微細ピッチという一つの数字だけでは製造性を評価できない。

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この技術を読むと、前工程と後工程の境界が見える

設計者は、どの機能を上下層に分け、何本の信号をどのピッチで渡すかを決める。プロセス技術者はCMP、洗浄、絶縁膜、Cu埋め込み、熱処理の窓を作る。装置技術ではウェーハ搬送、表面活性化、位置合わせ、接合、計測を安定させる。パッケージ設計ではW2WとD2W、放熱、薄化、後続配線を含む全体フローを組み立てる。同じ接合面を、各職種が別の変数として見る。

ハイブリッドボンディングを理解するための確認点は三つである。なぜCuだけでなく絶縁膜も同時に接合するのか。ピッチが狭くなると平坦度と位置合わせの許容差がなぜ厳しくなるのか。W2WとD2Wのどちらが有利かを、処理能力と良品選別の両面から説明できるか。これらに答えられれば、「バンプレス」という名称を工程・設計・量産の言葉へ翻訳できる。

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参照した公開資料

本文は以下の公開資料を出発点に、編集部が技術的な背景を整理したものです。

  1. imec「Wafer-to-wafer hybrid bonding: pushing the boundaries of 400nm interconnect pitch」（2024年2月19日、2026年10月6日確認）
  2. IEEE Electronics Packaging Society「Summary of ECTC 2025 Special Session on Hybrid Bonding」（2026年3月公開、2026年10月6日確認）
  3. imec / EV Group「Wafer-to-wafer hybrid bonding with 200nm interconnect pitch」（2026年5月28日、2026年10月6日確認）
  4. 東京エレクトロン TELESCOPE Magazine「半導体性能向上の鍵を握る新技術『ハイブリッドボンディング』」（2025年5月7日、2026年10月6日確認）

本記事は記事末尾に掲げた公開資料のみを参照しています。特定企業・顧客の非公開情報は使用していません。