【摘要】：按照摩爾定律,繼續(xù)通過縮小晶體管的特征尺寸來提升集成電路的性能,已變得越發(fā)困難。三維集成電路(Three-dimensional integrated circuit,3D IC)作為超越摩爾定律的重要研究和應(yīng)用方向,將根本改變集成電路的發(fā)展趨勢(shì)。在IC器件微型化發(fā)展趨勢(shì)下,堆疊芯片之間的間距和微凸點(diǎn)之間的節(jié)距不斷縮小,使得芯片底部填充以及微連接可靠性成為晶圓級(jí)3D IC集成亟需解決的關(guān)鍵問題。晶圓級(jí)混合鍵合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬之間和介質(zhì)之間的同時(shí)鍵合,不僅解決了晶圓級(jí)底部填充問題,還顯著地提高了微連接可靠性。目前,如何設(shè)計(jì)和制作具有高良率、優(yōu)異可靠性,且易于工業(yè)化生產(chǎn)的基于混合鍵合的3D IC集成器件,已成為工業(yè)界所面臨的關(guān)鍵難題。本論文研究了基于Cu/釬料微凸點(diǎn)和粘結(jié)劑的混合鍵合技術(shù),以及后硅通孔(Through silicon via,TSV)的8寸晶圓級(jí)3D IC堆疊技術(shù),采用簡(jiǎn)單高效的光刻技術(shù)使微凸點(diǎn)由粘結(jié)劑中露出,并通過分析鍵合機(jī)制,優(yōu)化鍵合工藝流程和參數(shù),實(shí)現(xiàn)性能和可靠性均良好的晶圓級(jí)混合鍵合。該方法無需薄晶圓拿持和化學(xué)機(jī)械拋光表面預(yù)處理技術(shù),更易于工業(yè)化生產(chǎn)。主要研究結(jié)果總結(jié)如下:1.研究聚酰亞胺(Polyimide,PI)和干膜(Dry film,DF)兩種典型粘結(jié)劑材料的晶圓級(jí)粘結(jié)劑鍵合性能,分析基于粘結(jié)劑堆疊芯片的鍵合界面的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和可靠性。采用PI或DF粘結(jié)劑均可得到無縫隙的粘結(jié)劑鍵合界面,但采用DF粘結(jié)劑堆疊芯片具有更高的鍵合強(qiáng)度和更優(yōu)異的可靠性。進(jìn)一步研究Cu/SnAg微凸點(diǎn)和PI粘結(jié)劑以及Cu/SnAg微凸點(diǎn)和DF粘結(jié)劑兩種混合鍵合結(jié)構(gòu),考察混合鍵合堆疊的晶圓在切割過程中的可靠性,分析混合鍵合堆疊芯片的鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能。雖然兩混合鍵合結(jié)構(gòu)均得到了無縫隙的混合鍵合界面,但采用PI粘結(jié)劑混合鍵合堆疊的晶圓無法支撐切割制程。切割測(cè)試和推力測(cè)試表明,采用DF粘結(jié)劑混合鍵合堆疊芯片的鍵合強(qiáng)度更大,DF粘結(jié)劑更加適用于Cu/SnAg釬料和粘結(jié)劑低溫混合鍵合結(jié)構(gòu)。2.研究相同直徑Cu/SnAg微凸點(diǎn)和DF粘結(jié)劑混合鍵合結(jié)構(gòu)與機(jī)制。此混合鍵合結(jié)構(gòu)中,上下微凸點(diǎn)均高于DF粘結(jié)劑。首先,研究DF粘結(jié)劑軟烤預(yù)處理和兩種鍵合參數(shù)曲線(常規(guī)鍵合曲線和優(yōu)化后的階梯式加力鍵合曲線)對(duì)混合鍵合過程中上下晶圓之間偏移的影響,采用X-ray檢測(cè)偏移情況。DF粘結(jié)劑經(jīng)軟烤并采用優(yōu)化后的階梯式加力鍵合參數(shù)曲線可以顯著地控制偏移,偏移值約為5 μm,通過測(cè)量8寸晶圓上不同位置的偏移值,闡明了混合鍵合過程中產(chǎn)生偏移的機(jī)制為滑移。其次,研究Cu/SnAg微凸點(diǎn)和DF粘結(jié)劑之間總高度差和鍵合壓力對(duì)混合鍵合性能的影響,采用C型超聲波掃描(C-mode scanning acoustic microscope,C-SAM)檢測(cè)未鍵合區(qū)域位置。結(jié)果表明,若總高度差過大,DF粘結(jié)劑鍵合界面易形成縫隙;當(dāng)總高度差為2 μm,并將鍵合壓力提升至13 KN時(shí),得到最優(yōu)的鍵合結(jié)果,僅在晶圓中心區(qū)域存在未鍵合區(qū)域。微凸點(diǎn)高度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示,此未鍵合區(qū)域是由微凸點(diǎn)高度不均導(dǎo)致的。3.通過優(yōu)化設(shè)計(jì),開發(fā)出基于插入式微凸點(diǎn)和DF粘結(jié)劑的混合鍵合結(jié)構(gòu)。首先,研究粘結(jié)劑先鍵合和微凸點(diǎn)先鍵合兩種混合鍵合方式對(duì)鍵合后偏移、鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)采用兩種混合鍵合方式的偏移值均小于設(shè)計(jì)偏移容差(9 μm),同時(shí)采用微凸點(diǎn)先鍵合的混合鍵合方式,更易于得到無縫隙的混合鍵合界面。對(duì)采用微凸點(diǎn)先鍵合的混合鍵合晶圓進(jìn)行背面減薄并制作深度和直徑分別約為93 μm和40 μm的后孔TSV。晶圓級(jí)電性能測(cè)試表明,整面晶圓均具有優(yōu)異的電連接性能,即整面晶圓上的微連接和TSV均成功地集成。推力測(cè)試結(jié)果表明,堆疊芯片的平均鍵合強(qiáng)度約為28.7MPa。混合鍵合后,微凸點(diǎn)鍵合形成Cu/Ni-P/富P的Ni/Ni3Sn4 IMC+釬料/Ni/Cu微連接結(jié)構(gòu),并較好地解釋了 Ni-P側(cè)所形成的Ni3Sn4 IMC層厚度明顯的小于Ni側(cè)Ni3Sn4 IMC層厚度的原因。對(duì)集成后的芯片進(jìn)行可靠性分析,揭示微凸點(diǎn)鍵合界面IMC隨可靠性測(cè)試時(shí)間的組織演變規(guī)律。
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１．１．１邋３Ｄ邋１Ｃ研究背景逡逑網(wǎng)絡(luò)通訊、智慧型手機(jī)、穿戴式裝置、汽車電子和物聯(lián)網(wǎng)等熱門領(lǐng)域的快速發(fā)展離逡逑不開集成電路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋ｃｉｒｃｕｉｔ，邋１Ｃ）行業(yè)，圖１．１為Ｙｏｌｅ邋Ｄ６ｖｅ丨ｏｐｐｅｍｅｎｔ公司對(duì)１Ｃ市場(chǎng)逡逑的預(yù)測(cè)ｍ，在２０２０年，中國(guó)１Ｃ市場(chǎng)將達(dá)到１４９０億美元，約占總市場(chǎng)份額的４０％�，F(xiàn)逡逑代電子元件朝著小型化、輕量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化等方向不逡逑斷發(fā)展。英特爾（Ｉｎｔｅｌ）創(chuàng)始人之一戈登？摩爾（Ｇｏｒｄｏｎ邋Ｍｏｏｒｅ）于１９６５年提出摩爾定律｜２＇３１，逡逑即１Ｃ上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔１８?jìng)�(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，同時(shí)逡逑生產(chǎn)成本不斷降低。在摩爾定律的引導(dǎo)下，１Ｃ行業(yè)一直高速發(fā)展，晶體管特征尺寸己經(jīng)逡逑從９０邋ｎｍ向７邋ｕｒｎ邁進(jìn)。然而，由于隨著晶體管特征尺寸已日益接近物理極限，量子效逡逑應(yīng)和短溝道效應(yīng)越來越嚴(yán)重［４］，內(nèi)部電子自發(fā)的通過源極和漏極，導(dǎo)致漏電流增加，，進(jìn)逡逑而限制了晶體管的進(jìn)一步縮�。Γ叮�。因此，按照摩爾定律的方式，通過縮小晶體管特征逡逑尺寸來提升集成電路性能、降低功耗變得越發(fā)困難。晶體管將會(huì)快速地接近約５邋ｎｍ的逡逑極限柵極長(zhǎng)度

對(duì)于新材料的探索和運(yùn)用，最為典型的是美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于２０１６年逡逑將單壁碳納米管（Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＳＷＣＮＴ）和二硫化鉬（Ｍ０Ｓ２）等新材料引逡逑入晶體管結(jié)構(gòu)，成功研發(fā)出柵極物理尺寸為１邋ｎｍ的晶體管如圖１．２所示。此超小逡逑型器件具有出色的開關(guān)特性，接近理想的亞閾值擺幅，約為６５邋ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ，開／關(guān)電流逡逑比約為１０６。并且仿真顯示，在關(guān)閉（Ｏｆｆ）和開啟（Ｏｎ）的狀態(tài)下，有效溝道長(zhǎng)度分別約為逡逑３．９邋ｎｍ和１邋ｎｍ。雖然該研[傊な盜瞬捎瞇虜牧鮮迪鄭卞澹睿砭騫艿睦礪劭贍芐裕梢約體義閑貧Χ傻姆⒄�，葰g寄擅墜芫騫芨殼暗陌氳繼騫ひ沼邢災(zāi)那�。因此，辶x希掊澹櫻祝茫危裕蓿牽″義希櫻椋ǎ攏╁危�、辶x希櫻皺義賢跡保艙ぜざ任卞澹睿淼木騫蓯疽饌己臀⒔峁拐掌海ǎ幔┌停錚櫻補(bǔ)檔籃停櫻祝茫危藻義險(xiǎn)ぜ某⌒в騫埽ǎ疲牛裕┦疽饌跡ǎ猓┫允荊停埃櫻脖∑�、栅极（咯、源极（雪和漏极（Ｄ）但k義霞拇硇云骷墓庋д掌�，（ｃ）显是G櫻祝茫危哉ぜ�、Ｚ�

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