用于三维集成的混合键合技术：基础、挑战与展望

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Hybrid bonding technology for 3D Integration: Fundamentals, challenges, and perspectives

　　- 对铜/介质混合键合在三维集成中的综合综述。- 纳米孪晶铜实现150–200°C低温键合。- SiCN与聚合物介质为SiO?键合体系提供了替代方案。- 系统分析了亚微米间距缩放中的交叉性挑战。- 机器学习与有限元分析（FEA）辅助工艺优化是关键前沿方向。## 引言随着半导体技术进入后摩尔时代，长期以来用于提升算力性能与集成密度的传统器件尺寸微缩，正遭遇根本性的物理与技术瓶颈。丹纳德缩放（Dennard scaling）放缓以及随之而来的漏功耗上升，进一步侵蚀了节点缩微带来的收益，迫切需要在数据密集型与人工智能工作负载下维持性能表现的替代集成范式。三维（3D）集成已成为最具前景的替代路径，通过器件垂直堆叠，在系统性能、互连带宽与能效方面实现了数量级提升。该架构缩短了全局互连距离，缓解了长距离片上线条的延迟瓶颈，并支持逻辑、存储、传感器与光子元件的异构单片集成[1], [2]。尽管基于微凸点的三维集成已在商用产品中部署，但其间距缩放受到焊料润湿性与电迁移的根本性限制，无法满足未来系统对更高集成密度的需求。在前沿三维互连技术中，混合键合（hybrid bonding）是一种变革性方案：它在实现互连密度的同时，同步形成高可靠性的介质-介质共价键与低电阻的金属-金属扩散键，达到了凸点封装无法企及的互连密度水平。相较于倒装焊微凸点与硅通孔（TSV）技术，混合键合具有四项核心优势：（1）超高互连密度，间距可延伸至亚微米尺度，突破了细间距焊料凸点的缩放极限，从而支持高带宽存储（HBM）与芯粒（chiplet）架构[3], [4]；（2）卓越的电学性能，通过直接Cu-Cu互连实现超低接触电阻并降低寄生电容，从而减小信号延迟、提升能效[5], [6]；（3）提升的长期可靠性，消除了与焊料相关的失效模式，包括高电流与热应力下的电迁移、热迁移、金属间化合物生长以及柯肯达尔孔洞（Kirkendall voids）[7], [8]；（4）紧凑的外形尺寸，支持超薄晶圆堆叠，适用于移动、高性能计算与车载应用[9]。本综述系统梳理了混合键合技术的最新进展，全文分为六个章节，涵盖基础键合机制、铜金属化、介质材料、界面工程与可靠性、交叉性制造挑战以及前瞻性研究方向。## 章节摘要### 混合键合基础基于混合键合作为后摩尔时代超高密度三维集成的核心使能技术的变革性作用，本节建立了三层基础分析框架[1], [2]。首先阐述双Cu-介质键合工艺背后的原子级机制，其次刻画标准化的全流程工艺路径，最后对标晶圆对晶圆（W2W）与芯片对晶圆（C2W）两种集成方案的性能表现与应用适用性。### 低温键合的铜金属化低温混合键合可靠性的核心瓶颈在于材料工程：随着尺寸缩放，具有随机晶粒取向的传统多晶铜表面扩散系数本质上较低且对氧化亲和性强，其键合温度往往超出先进逻辑与存储器件的热预算限制[24], [25]。本节评估了从微观结构工程到界面化学调控的技术路径[26]。相关证据来自两个方面……### 混合键合的介质材料基于前一节建立的铜金属化微观结构工程，混合键合的热预算已降至与温度敏感器件兼容的水平。然而，高密度三维互连的最终性能与可靠性仍受制于金属与介质的协同匹配。随着互连间距进入亚微米尺度，介质必须提供牢固的共价界面键合以保证机械……### 界面工程与可靠性基于前几节建立的铜金属化微观结构工程与金属-介质协同匹配，混合键合的热预算已降至器件兼容水平。然而，混合键合界面的最终可靠性仍受制于多物理场耦合下的界面缺陷演化与应力失配[86]。随着互连间距进入亚微米尺度，纳米级表面共平面度……### 交叉性挑战与机遇尽管前述铜金属化微观结构工程、介质协同匹配与界面激活策略已将混合键合的热预算降至器件兼容水平，并显著提升了界面键合强度与电学稳定性，但向亚微米间距三维集成的最终演进仍受制于多物理场耦合引发的跨尺度瓶颈[123], [124]。随着互连……### 结论与未来展望前几节已将混合键合确立为后摩尔三维集成的核心使能技术，从Cu-Cu扩散与介质共价键合机制出发，经nt-Cu与介质匹配，再到跨尺度可靠性调控与落地挑战[147], [148]。向亚微米间距的演进仍受限于多物理场耦合引发的系统性瓶颈[13], [149]。本节综述了关键进展并……### CRediT作者贡献声明**Ang Cai**：撰写——初稿。**Yiyin Zhu**：调查研究。**Jiajun Zhou**：可视化。**Haibo Wu**：形式化分析。**Penghui Guan**：验证。**Huai Zheng**：撰写——审阅与修改。**Sheng Liu**：监督。**Zhaodong Li**：监督。### 利益冲突声明作者声明不存在已知的、可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢作者感谢重庆科技创新重点研发计划（资助编号：CSTB2024TIAD-STX0012）和湖北省基础研究平台专项计划（资助编号：2025CSA058）的支持。Ang Cai | Yiyin Zhu | Jiajun Zhou | Haibo Wu | Penghui Guan | Huai Zheng | Sheng Liu | Zhaodong Li